Спосіб мінімізації енерговитрат і аварій при проведенні спуско-підіймальних операцій в процесі буріння похилоскерованих свердловин

Реферат: Спосіб мінімізації енерговитрат і аварій при проведенні спуско-підіймальних операцій в процесі буріння похилоскерованих свердловин включає обертання породоруйнівного інструмента відносно забою свердловини в області нерезонансних частот. Покроково в кожен момент часу t i долають діючі на бурильну колону сили тертя і сили ваги. При цьому на основі комп′ютерного  моделювання, задають співвідношення між швидкістю w її осьового руху і кутовою швидкістю обертанням. UA 81077 U (54) СПОСІБ МІНІМІЗАЦІЇ ЕНЕРГОВИТРАТ І АВАРІЙ ПРИ ПРОВЕДЕННІ СПУСКО-ПІДІЙМАЛЬНИХ ОПЕРАЦІЙ В ПРОЦЕСІ БУРІННЯ ПОХИЛОСКЕРОВАНИХ СВЕРДЛОВИН UA 81077 U UA 81077 U 5 10 15 20 Корисна модель належить до області буріння нафтових і газових похилих і горизонтальних свердловин і може знайти застосування при їх проходці, коли необхідно періодично витягувати бурильну колону з свердловини для заміни долота і виконання інших технологічних процедур і потім знову опускати її в свердловину. В цих випадках долаються великі сили опору, які визвані дією на елементи бурильної колони сил ваги, контактних сил між колоною і стінками свердловини, а також сил тертя і моментів сил тертя, які для криволінійних свердловин досягають значних величин і навіть можуть бути причиною виникнення аварійних ситуацій (прихватів). Ці ефекти проявляються більш помітно в криволінійних свердловинах з геометричними викривленнями іх осі, які виникають за різних тектонічних і технологічних причин і тому не можуть бути передбачуваними раніше при проектуванні, хоч можуть бути виявлені і виміряні в процесі проходки свердловини. Відоме технічне рішення [1] вказує на те, що важливу роль в енергозатратах і аваріях при бурінні і спуско-підіймальних роботах грає компоновка низу бурильної колони (КНБК), параметри оптимальної конструкції якої можна визначити з розв'язку лінійного рівняння четвертого порядку. При використанні такого технічного рішення визначення КНБК [1] не враховуються зміна довжини бурильної колони і нелінійні ефекти силових і геометричних факторів, які виникають при бурінні і проведенні спуско-підіймальних робіт. Тому досягти таким чином максимального зменшення енергозатрат і аварій не є можливим. Найбільш близьким до способу, що заявляється, вибраним як прототип, є спосіб буріння свердловин [2], який включає обертання породоруйнівного інструменту відносно забою свердловини в області нерезонансних частот, а осьову силу на породоруйнівному інструменті прикладають з частотою, яку визначають з розв'язку лінійного диференціального рівняння четвертого порядку: EI ( x ) 25 30 35 d4 w dx 4 d dw [P  xq( x ) cos  ]  2 (   )S( x )w  q( x ) sin  , dx dx 2 де E - модуль пружності матеріалу, Н/м ; I( x) - осьовий момент інерції перерізу бурильних труб, м4; Ч - координата, яка відраховується від нижньої точки на КНБК, м; W - прогин бурильної колони в перерізі з координатою х, м; P - осьова сила на долоті, Н; q( x ) - вага одиниці довжини бурильної колони в буровому розчині, Н/м 2;  - зенітний кут свердловини, град;  - частота поперечних коливань бурильної колони, рівна добутку швидкості обертання бурового інструмента на число збурень, поперечних осі компоновки, за один оберт з коефіцієнтом 2π, 1/с;  - щільність матеріалу бурильних труб, кг/м3; p - щільність бурового розчину, кг/м3; S( x ) - площа поперечного перерізу бурильної колони, м2, з граничними умовами: 1) w  { 40  0 d2 w ,  0, при x  0 , w 0 dx 2 де w 0 - амплітуда прогину колони на забої свердловини, м; 3 2) w  ( x ), d w  0, d w  0 dx dx 3 в першій від забоя свердловини точці дотику колони до стінки свердловини при ( x)  0,5(dc  dk ) ; 45 де dc - діаметр свердловини, м; dk - діаметр колони в точці дотику, м; 2 3) w x  x   j, d w x  x  0 j j dx 2 в місцях розташування x j центраторів при 0,5(dc  dц ) , де j  12...N ; 1 UA 81077 U 5 N - кількість центраторів; dц - діаметр центратора, м; 4) w( x j  0, )  w( x j  0), d w x  x  dw x  x , j0 j0 dx dx де j  12...k ; x j - відстань від забою свердловини, до місця з'єднання бурильних труб різного діаметра, м; k - число з'єднань бурильных труб різного диаметра, шляхом варіювання величини  до 10 15 20 3 значення, при якому поперечна сила на долоті Q  EI d w і кут нахилу   dw меньше їх dx dx 3 w max на інтервалі [ x j  x j1] не перевищує відхилення долота заданих значень і амплітуда w(0) на забої, після чого виконують корекцію відхилення напрямку проходки свердловини від попереднього значення збільшенням або зменшенням осьової сили при збереженні азимута проходки. При використанні такого способу характер коливань бурильної колони описується лише одним звичайним диференціальним рівнянням четвертого порядку, яке не враховує багатьох силових й геометричних факторів, а також зменшення або збільшення довжини бурильної колони при проведенні спуско-підіймальних робіт при бурінні свердловин не дозволяє добитися мінімізації енергозатрат і аварійності в процесі буріння похилонаправлених свердловин. Як підтверджує багаторічний досвід проведення бурильних робіт, сили опору при спуску або підніманні бурильної колони можна значно зменшити, якщо при осьовому руху її ще і підкручувати. В цьому випадку, завдяки обертанню колони, вдається зменшити осьову складову сили тертя і, за рахунок цього, зменшити осьову силу Fw (0) , з якою колона витягується при підійманні або збільшити при спусканні. Але при цьому утворюється момент сил тертя Мw (0) , з яким колону треба підкручувати. І тут виникає вибір або повільно крутити, але швидко витягувати (тоді осьова сила велика, а момент малий) або повільно витягувати (тоді осьова сила мала, але великий момент). На практиці звичайно відношення ki швидкості w осьового 25 30 35 40 45 руху до швидкості d / 2 кругового руху, яке зменшує енергетичні витрати і утворення аварійної ситуації, підбирається експериментальним шляхом. Як правило, це відношення далеке від оптимального і, окрім цього, його треба змінювати в кожний момент часу t i для довжини колони S i , яка змінюється, а також при різних обрисах траєкторії свердловини, її геометричних недосконалостей і фізичних властивостей породи. Задачею корисної моделі є розробка способу мінімізації енерговитрат і аварій при проведені спуско-підіймальних операції в процесі буріння похилоскерованих свердловин, виконання спуско-підіймальних операцій шляхом оптимізації параметрів процесу, які включають швидкості осьового руху і обертання, а також осьової сили в точці підвісу і крутного моменту, що забезпечує зниження енергетичних затрат і зменшення аварійних ситуацій. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виконання спуско-підіймальних операцій, згідно з запропонованим рішенням, покроково в кожний момент часу t i долають діючі на бурильну колону сили тертя і сили ваги, при цьому на основі комп'ютерного моделювання,  задають співвідношення ki між швидкістю w її осьового руху і швидкості кругового руху d / 2 її зовнішніх елементів, що забезпечує виконання мінімуму сумарної потужності N( t i ) і силових чинників Fw (0) , Mw (0) в точці S  0 підвісу колони у відповідності з рівністю:  N(ti )  Fw (ti )  w(ti )  Mw (ti )  (ti )  min imum . Тоді, якщо ця умова виконується в кожен момент часу t i проведення операції, то і вся операція буде виконана з мінімальними енергозатратами і малою вірогідністю виникнення аварії. Для находження коефіцієнта ki , який забезпечує мінімум потужності N( t i ) при даній довжині колони S i розв'язують нелінійну систему диференціальних рівнянь: dFu тяж k  qFw  rF  fu  fu , ds 2 UA 81077 U 5 10 dF тяж k  rFu  pFw  f  f , ds dFw тяж mp  pF  pFu  fw  fw , ds dMu  qMw  rM  F , ds dM  rMu  pMw  Fu , ds dMw  pM  qMu  mmp , w ds де Fu (s) , F (s) - шукані внутрішні поперечні сили в напрямках головних осей інерції u і  перетину труби колони, Н; Fw (s) - шукана внутрішня повздовжня сила в трубі колони, Н; Mu (s),M (s) - шукані внутрішні згині моменти в трубі колони відносно відповідних головних осей інерції u і  перетину труби колони, H м ; Mw (s) - шуканий внутрішній крутний момент в трубі колони, H м ; p(s),q(s) - задані кривизни осьової лінії свердловини, м1 ; r(s) - задана величина геометричного кручення осьової лінії свердловини, м1 ; 15 тяж тяж тяж fu (s) , f (s) , f w (s) - задані сили ваги колони в буровому розчині, розподілені на одиницю її довжини, в проекціях на головні осі u і  перетину і на повздовжній напрямок w осьової лінії свердловини, H  м1 ; k k fu (s), f (s) шукані компоненти вектора зовнішньої сили контактної взаємодії труби бурильної колони і стінки свердловини в проекціях на головні вісі u і  перетину колони, H  м1 ; mp f w (s) - шукана зовнішня сила тертя в дотичному напрямку до осьової лінії свердловини, 20 H  м1 ; Н; 25 m mp ( s) - шуканий зовнішній розподілений на одиницю довжини крутний момент сил тертя, w s - незалежна змінна, яку виміряно довжиною осьової лінії свердловини від точки підвісу колони s  0 до поточної, яка змінюється в межах 0  s  Si , м; S i - довжина бурильної колони в розглядуваний момент часу t i , м; mp k з додатковими рівняннями зв'язку контактної сили f (s) з силою тертя f w (s) і моментом mp сил тертя m w ( s) , mp fw  k if k  30 mmp  w d ,  2 w 2  ( d / 2 )2  f w d   , ki  w 2  ( d / 2 )2 2  w - параметр, рівний в розглядуваний момент часу t i відношенню швидкостей (d / 2) повздовжнього ( w ) і кругового (d / 2) руху точки на зовнішній поверхні труби колони, безрозмірний;  - коефіцієнт тертя, безрозмірний; де k i  35 f k ( s)  f   f  k 2 u k 2  - результуюча розподілена сила контактного тиску, H  м1 ; d - зовнішній діаметр труби колони, м; знак "+" вибирають при моделюванні піднімання колони, знак "-" при її спусканні. 3 UA 81077 U  По знайдених значеннях Fw ( t i ) і заданих значеннях ki і w i підраховують потужність в момент часу t i 5 10  2M( ti )    N( ti )  Fw ( ti )  w  Mw ( ti )  i  Fw ( ti )    wi k id   Енерговитрати по виконанню спуско-підійиальної операції в даний момент часу t i будуть мінімальні, якщо мінімальна потужність Nt i  . Для її мінімізації мінімізують величину 2M(t i ) . Для знаходження мінімуму розрахунки ni проводять при різних значеннях ni  Fw ( t i )  k id ki і вибирають таке при яких n мінімальне. i Оптимізацію спуско-підіймальної операції проводять покроковим способом на різних этапах операції. Для цього на кожному і-тому кроці (етапі) операції в момент часу t i побудовану систему рівнянь багаторазово розв'язують на комп′ютері методом Рунге-Кута при різних значеннях ki для даної довжини S i і даного часу t i . З отриманих на цьому етапі розв'язків вибирають таке ki , для якого відповідні йому величини осьової сили на верхньому кінці крутного моменту Mw (t i ) забезпечують мінімальне значення потужності N(T ) цих силових i 15 20 факторів. Потім з такими оптимальними значеннями виконують операцію спуска або підіймання на деяку величину Si до повної довжини колони Si1  Si  S . Для колони цієї довжини знову формують наведені вище рівняння, розв'язують і знаходять оптимальне відношення ki 1 і  вибирають швидкості w i 1 , i1 , виконують відповідну операцію на величину Si 1 і т. д. до повного завершення операції. Виконання запропонованого способу пояснюється з допомогою комп'ютерної моделі криволінійної свердловини, траєкторія якої складає четверть еліпса (креслення): Глибина свердловини по вертикалі складає b=4000 м, максимальне віддалення від бурової установки а=8000 м. В зв'язку з допущеними відхиленнями від штатної технології буріння на осьовій лінії свердловини є локалізовані геометричні недосконалості в формі спіралей. Рівняння геометрії такої спіралі мають вигляд: x  a  cos   h  cos(ks )  25 b  cos  2 a  sin 2   b 2  cos2  y  h  sin( ks ) z  b  sin   h  cos(ks )  , a  sin  2 2 a  sin   b 2  cos2  де h  2м - максимальний розмір спіральної недосконалості;  - безрозмірний параметр; k  2 /  - частота спіральної недосконалості;   48 м - крок спіральної недосконалості. 30 35 По запропонованому способу виконують обчислення множника ni у виразі для потужності N( t i ) при різних значеннях ki . Значення цих величин, а також значення повздовжньої сили Fw (S) в точці підвісу, пружного подовження S , крутного моменту Mw (S) в точці підвісу і кута пружного закручування (S) колони в найбільш несприятливий початковий момент виконання операції підйому вираховують в стані, коли колона повністю знаходиться в свердловині. Результати розрахунків для колони діаметром d=0,168 м наведені в таблиці 4 UA 81077 U № п/п 1 2 3 4 5 5 10 15 20 25 Відношення швидкостей  w k (d / 2) k=100 k=25 k=1 k=0,75 k=0,5 Повне Повздовжня Крутний Кут пружного пружне сила в точці момент в точці закручування Множник ni у подовження виразі для підвісу колони підвісу Mw (S) , колони (S) , колони S , потужності, Н Fw (S),H Н·м рад м 6 3 6 38,49 10 82,56 31,8·10 28,4 38,49·10 6 3 6 38,42·10 82,53 127,2·10 113,7 38,48·10 6 3 6 7,65·10 17,20 592,0·10 568,8 14,69·10 6 3 6 1,36·10 16,31 628,0 10 613,2 11,23·10 5 3 6 0,883·10 15,43 823,0·10 793,6 20,48·10 Вони вказують на те, що в повільному обертанні колони (k  1) малий крутний момент Mw (S) і кут закручування (S) , але велика повздовжня сила Fw (S) в точці підвісу і повне подовження S колони. При цьому відносно великий і множник ni , який визначає t i . Зі зменшенням k (т.е. зі збільшенням кутової енергозатрати в даний момент часу швидкості  ) падає сила Fw (S) , а разом з нею і параметр ni але, відбувається це до значення k=0,75, після чого із-за суттєвого збільшення моменту Mw (S) починають знову збільшуватися і енерговитрати (параметр n). Тому значення k=0,75 є оптимальним і на цьому етапі підіймання колони її треба піднімати і крутити, витримуючи значення k=0,75. Сукупність наведених вище суттєвих ознак способу, який заявляється, забезпечує розв'язок поставленої задачі і дозволяє знизити енерговитрати на виконання спуско-підіймальних операцій. За його допомогою можна також прогнозувати аварійні ситуації, коли при будь-яких ki розрахункові величини Fw ( t i ) і Mw (t i ) стають настільки великими, що не можуть бути реалізовані по технічних умовах даного технологічного проекту. Підкреслимо, що запропонований спосіб виявляється найбільш ефективним у випадках, для яких відсутній повністю або є недостатнім попередній досвід проходки свердловин подібного типу - це криволінійні свердловини значної протяжності зі складною геометрією; свердловини, що мають геометричні недосконалості; а також свердловини, які прокладуються в складних геологічних умовах. Спосіб належить до розряду екологічно чистих заходів. Джерела інформації: 1. Патент на винахід Україна, № 12443 А, Е21 В 7/04, Компоновка низу бурильної колони, опубл. 28.02.1997, Бюл. № 1. Власник Акціонерне товариство закритого типу "Агронафта", Україна. 2. Патент на винахід Україна, № 12444 А, Е21 В 7/04, Спосіб буріння свердловини, опубл. 28.02.1997, Бюл. № 1. Власник Акціонерне товариство закритого типу "Агронафта", Україна. 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Спосіб мінімізації енерговитрат і аварій при проведенні спуско-підіймальних операцій в процесі буріння похилоскерованих свердловин, який включає обертання породоруйнівного інструмента відносно забою свердловини в області нерезонансних частот, який відрізняється тим, що покроково в кожен момент часу t i долають діючі на бурильну колону сили тертя і сили ваги, при  цьому на основі компьютерного моделювання, задають співвідношення між швидкістю w її осьового руху і кутовою швидкістю обертанням, що забезпечує мінімум сумарної потужності N( ti ) осьової сили Fw (ti ) і крутного моменту Mw ( ti ) в точці підвісу у відповідності з рівністю:  N(t i )  Fw (t i )  w(t i )  Mw (t i )  (t i )  minimum, 40 де силові фактори Fw (t ) і Mw (t ) для кожного значення S( ti ) довжини колони, яка змінюється, і моменту часу t i находять з розв'язку нелінійної системи диференціальних рівнянь: dFu тяж k  qFw  rF  fu  fu , ds dF тяж k  rFu  pFw  f  f , ds 5 UA 81077 U dFw тяж mp  pF  pFu  fw  fw , ds dMu  qMw  rM  F , ds dM  rMu  pMw  Fu , ds 5 10 де Fu (s) , F (s) - шукані внутрішні поперечні сили в напрямках головних осей інерції u і  перетину труби колони, Н; Fw (s) - шукана внутрішня повздовжня сила в трубі колони, Н; Mu (s), M (s) - шукані внутрішні згинні моменти в трубі колони відносно відповідних головних осей інерції u і  перетину труби колони, H  м ; Mw (s) - шуканий внутрішній крутний момент в трубі колони, H  м ; p(s), q(s) - задані кривизни осьової лінії свердловини, м 1 ; r(s) - задана величина геометричного кручення осьової лінії свердловини, м 1 ; тяж тяж тяж fu (s) , f (s) , fw (s) - задані сили ваги колони в буровому розчині, розподілені на одиницю її 15 довжини, в проекціях на головні осі u і  перетину і на повздовжній напрямок w осьової лінії свердловини, H  м1 ; k k fu (s), f (s) - шукані компоненти вектора зовнішньої сили контактної взаємодії труби бурильної і  перетину колони, H  м1 ; mp fw ( s ) - шукана зовнішня сила тертя в дотичному напрямку до осьової лінії свердловини, H  м1 ; колони і стінки свердловини в проекціях на головні осі u mmp (s) - шуканий зовнішній розподілений на одиницю довжини крутний момент сил тертя, Н; w 20 s - незалежна змінна, яку виміряно довжиною осьової лінії свердловини від точки підвісу колони s  0 до поточної, яка змінюється в межах 0  s  Si , м; S i - довжина бурильної колони в розглядуваний момент часу t i , м; mp з додатковими рівняннями зв'язку контактної сили f k (s) з силою тертя fw ( s) і моментом сил тертя mmp (s) , w 25 mp fw  kif k  d  2 w 2  (d / 2)2 ,  f k w d   , 2 2 2 ki  w  (d / 2)  w де k i  - параметр, рівний в розглядуваний момент часу t i відношенню швидкостей ( d / 2)  повздовжнього ( w ) до кругового (d / 2) руху точки на зовнішній поверхні труби колони, mmp  w 30 безрозмірний;  - коефіцієнт тертя безрозмірний; k k f k (s)  (fu )2  (f )2 - результуюча розподілена сила контактного тиску, H  м1 ; d - зовнішній діаметр труби колони, м; знак ″+" вибирають при моделюванні піднімання колони, знак ″-" при її спусканні шляхом комп′ютерного розв'язку поданої системи методом Рунге-Кута при значеннях ki , котрі 35 варіюються, і фіксованій довжині S i визначають значення ki , яке забезпечує мінімум потужності силових факторів Fw (ti ) , Mw ( ti ) виконують спуско-підіймальну операцію на деякій зміні S i , довжини S i бурильної колони до її нової довжини S j  Si  Si , потім на наступному кроці часу t j  ti  ti виконують описану процедуру при новій довжині S j і добавлених геометричних даних 40 свердловини і так повторюють до завершення спуско-підіймальної операції, забезпечуючи тим самим мінімум енергозатрат і аварій при її виконанні. 6 UA 81077 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7