авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Прогнозирование и предупреждение осложнений, обусловленных упругим смещением стенок скважины

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Булюкова Флюра Зиннатовна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ОСЛОЖНЕНИЙ,

ОБУСЛОВЛЕННЫХ УПРУГИМ СМЕЩЕНИЕМ

СТЕНОК СКВАЖИНЫ

Специальность 25.00.15 – "Технология бурения и освоения скважин"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

УФА

2011

Работа выполнена на кафедре "Нефтегазопромысловое оборудование" Уфимского государственного нефтяного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Попов Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Конесев Геннадий Васильевич;

кандидат технических наук, доцент

Самигуллин Валерий Хакимович.

Ведущая организация ООО «СамараНИПИнефть»

Защита состоится 28 июня в 12.00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г.Уфа, ул.Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 27 мая 2011 года.

Ученый секретарь совета В.У. Ямалиев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Осложнения при бурении скважин сопровождаются большими потерями времени и средств на их ликвидацию. Поэтому вопросам предупреждения осложнений уделяется большое внимание. Основные решения по предупреждению осложнений были получены для вертикальных и наклонных скважин с небольшими углами искривления. Бурение пологих скважин (с большими углами искривления) и скважин с горизонтальным окончанием ставит перед буровиками новые задачи. Полученные ранее решения не полностью удовлетворяют изменившимся условиям бурения.

Асимметричное напряженное состояние горных пород, окружающих наклонную и особенно горизонтальную скважину, обусловливает неравномерное смещение ее стенок в результате деформирования пород после вскрытия скважиной. Это обстоятельство существенно изменяет условия как бурения и крепления скважины, так и, в частности, работы долот. Особенно это относится к скважинам, которые бурятся в мягких и средней твердости горных породах, характеризующихся низкими значениями модуля упругости и соответственно значительной величиной упругой деформации, а также высокой склонностью к проявлению вязкости в виде упругого последействия и ползучести. В диссертации рассмотрено только упругое деформирование.

Для совершенствования технологических и технических методов предупреждения осложнений, обусловленных деформацией вскрытой скважиной горной породы, нужны количественные оценки величины и характера смещения стенок поперечного сечения ствола скважины, образованного долотом, по мере удаления от него долота. Методика таких расчетов должна базироваться на стандартных методах определения показателей механических свойств горных пород. Но такая методика отсутствует. Решение этой задачи было принято в качестве первоочередной при выполнении диссертационной работы. Надежность решений задачи о предупреждении осложнений зависит как от ее методического обеспечения, так и от достоверности используемых в расчетах характеристик упругих свойств горной породы. Этот вопрос также требовал существенной доработки.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с Межвузовской научно-технической программой "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (Подпрограмма 206 "Топливо и энергетика", раздел 206.03 "Перспективные наукоемкие технологии поиска, освоения и транспорта и переработки углеводородного сырья". Приказ Минобразования России № 539 от 12.02.2001).

Цель работы – совершенствование прогнозирования и средств предупреждения осложнений, которые обусловлены упругим смещением стенок скважины в результате деформирования вскрытой долотом горной породы при бурении наклонных и горизонтальных скважин.

Основные задачи исследований:

1) проанализировать методы и результаты изучения механических процессов в горных породах после вскрытия их бурением наклонной скважины и предупреждения связанных с ними осложнений;

2) решить задачу и разработать программу расчета упругого деформирования поперечного сечения ствола наклонной скважины;

3) изучить проявление масштабного эффекта при определении модуля деформации (упругости) горной породы по штампу;

4) разработать метод расчета упругих характеристик горной породы по данным измерения деформаций поперечного сечения скважины;

5) усовершенствовать периферийное вооружение шарошечного долота, применительно к особенностям бурения наклонных и горизонтальных скважин.

Методы решения поставленных задач. Решение задач выполнено аналитически с постановкой (проведением) специальных экспериментов и привлечением опубликованных в печати результатов испытаний горных пород на моделях скважины, а также результатов кавернометрии наклонных скважин в Западной Сибири.

Научная новизна работы:

1) обосновано и получено аналитическое решение задачи определения упругого смещения стенки наклонной скважины, обусловленного деформированием горной породы после вскрытия ее долотом;

2) установлена существенность влияния масштабного эффекта на величину показателя модуля деформации (упругости) горной породы по штампу и уточнены характер влияния и метод определения величины модуля для расчета смещения стенок скважины;

3) аналитически решена и проверена по промысловым данным задача расчета модуля упругости и коэффициента бокового распора горной породы в естественных условиях по данным измерения в двух взаимно перпендикулярных направлениях смещения стенки наклонной скважины;

4) обосновано выполнение калибрующего вооружения шарошек с вспомогательными рядами зубков в пазах на контурах обратных конусов шарошек, обеспечивающее формирование стенки скважины без спиральных выступов и эффективную проработку ствола при подъеме с вращением.

Защищаемые положения:

1) методика расчета смещения стенок наклонной скважины над долотом и ее программное обеспечение и их применение при разработке методов профилактики осложнений при бурении наклонных и горизонтальных скважин;

2) определение модуля упругости горной породы по штампу с учетом масштабного эффекта;

3) способ определения модуля упругости и коэффициента бокового распора по данным о смещении стенки наклонной скважины;

4) техническое решение по совершенствованию калибрующего скважину вооружения шарошек, повышающего эффективность фрезерования стенок скважины при бурении с управлением кривизной и снижающего прихватоопасность долота.

Практическая ценность работы:

Разработана и утверждена институтом ПермНИПИнефть 27.12.2010 г. "Методика расчета упругого смещения стенок скважины после вскрытия горной породы бурением". Методика рекомендована в УГНТУ для использования в учебном процессе при выполнении расчетных работ по дисциплинам "Механика сплошных сред" и "Осложнения при бурении скважин".

Апробация работы:

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на межрегиональном семинаре "Россохинские чтения" (г. Ухта, 2010), на 8-й Международной научно-технической конференции "Современные технологии освоения минеральных ресурсов" (г. Красноярск, 2010), на Всероссийской научно-технической конференции "Инновационное нефтегазовое оборудование: проблемы и решения" (г. Уфа, 2010), на Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (г.Пермь, 2010г.) и на II Международной научно-технической конференции "Повышение качества строительства скважин" (г. Уфа, 2010).

Публикации по теме диссертации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе один патент на изобретение. Из них две статьи опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста и содержит 32 рисунка, 19 таблиц, библиографический список из 102 наименований, а также 3 приложения.

Автор выражает особую признательность и искреннюю благодарность сотрудникам кафедры нефтегазопромыслового оборудования УГНТУ, а также лично заведующему кафедрой Матвееву Ю.Г. за помощь в подготовке работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель, задачи, научная новизна, основные защищаемые положения и практическая ценность.

В первом разделе рассмотрено современное состояние методического обеспечения расчетов деформирования стенок скважин из условий предупреждения осложнений и поставлены задачи исследований.

Исследованиям механических процессов в горных породах в связи с осложнениями при бурении скважин посвящены работы М.Т. Алимжанова, Б.В. Байдюка, В.С. Войтенко, Р.М. Гилязова, Н.Н. Головкиной, Н.Ф. Кагарманова, А.Г. Калинина, Г.В. Конесева, В.И. Крылова, Л.М. Левинсона, Е.Г. Леонова, С.Г. Лехницкого, Р.Р. Лукманова, М.Р. Мавлютова, В.Н. Полякова, А.Н. Попова, В.Х. Самигуллина, М.К. Сеид-Рза, А.П. Сельващука, Г.А. Семенычева, Л.Е. Симонянца, А.И. Спивака, Н.С. Тимофеева, Т.Г. Фараджева, М.Д. Фаталиева, З.М. Шахмаева, Л.А. Шрейнера, И.Г. Юсупова, Р.С. Яремийчука и многих других.

В выполненных исследованиях не уделено достаточного внимания особенностям деформационных процессов в горных породах, слагающих стенки наклонных и горизонтальных скважин.

В аналитических решениях задач используются в основном показатели механических свойств горных пород, определяемые при испытаниях на одноосное сжатие. Эти испытания просты для осуществления и позволяют определить как прочностные, так и упругие характеристики горной породы. Недостаток – метод не учитывает то, что горные породы в естественных условиях находятся в сложном напряженном состоянии. Частично эти условия учитывает метод вдавливания штампа. В то же время названные методы испытаний не исключают значительного влияния масштабного эффекта. Особенно это касается методов, основанных на вдавливании инденторов.

При бурении наклонных скважин с большими углами искривления существенно возросли осложнения, связанные с прихватом инструмента. Возможны две основные причины: затрудненный вынос шлама из наклонного и горизонтального участков ствола, сопровождаемый ростом сил сопротивления движению инструмента в скважине, и асимметричная деформация ствола. В диссертации рассматривается вторая причина.

В наклонных и горизонтальных скважинах буровики столкнулись с необходимостью расширения скважины при подъеме долота из скважины. Эта задача частично решается в долотах PDC путем установки в верхней части лопастей выбуривающих элементов вооружения. Для шарошечных долот предлагаемые технические решения этой задачи требуют существенной доработки.

Второй раздел диссертации содержит решение задачи об упругом деформировании поперечного сечения ствола наклонной скважины непосредственно после образования его долотом. Наклонная скважина характеризуется углом искривления и рассматривается как общий случай, а вертикальная ( = 0) и горизонтальная (= 90) скважины – ее частными случаями. В основу решения положены дифференциальные уравнения неразрывности деформации и равновесия:

; (1)

(2)

где u – перемещение внутренней поверхности малого элемента после вскрытия горной породы скважиной; R – расстояние от начала координат (текущий радиус); R и t – радиальное и тангенциальное напряжения соответственно.

Граничные условия: 1) R = Rс (Rс – радиус скважины), u = Rс (Rс – смещение стенки скважины), R = рс (рс – давление бурового раствора в скважине); 2) R , u = 0, R = t = рг ( – коэффициент бокового распора; рг – геостатическое давление).

Допущения: 1) в сечении, перпендикулярном оси скважины, имеет место плоская деформация; 2) нормальная деформация обратно пропорциональна модулю упругости С, определяемому при вдавливании штампа.

При принятых допущениях получено решение о смещении стенки вертикальной скважины:

Rс = (3)

где – коэффициент Пуассона.

Проверка второго допущения выполнена по экспериментальным данным о деформировании полых образцов песчаника и ангидрита в условиях всестороннего сжатия, полученным Н.С. Тимофеевым, Р.Б. Вугиным и Р.С. Яремийчуком. Поскольку авторы не приводят данных об упругих свойствах образцов горных пород, то была сделана выборка данных Ю.Ф. Алексеева об испытаниях песчаников и ангидритов для получения зависимостей С от рш, приведенная на рисунке 1.

– точки, полученные при вдавливании штампа;

X – точки, рассчитанные для соответствующих образцов пород

а б

Рисунок 1

Зависимости С от рш для песчаников (а) и ангидритов (б)

Из рисунка 1 следует, что результаты расчета величин С хорошо согласуются зависимостями С от рш. Поэтому был сделан вывод о возможности использовать величины модуля С, определяемые при вдавливании штампа, для практических расчетов деформирования поперечного сечения скважины.

Точное решение о смещении стенок наклонной скважины затруднительно, поэтому решили использовать численное интегрирование. Для обоснования параметров численного интегрирования вначале получено решение для вертикальной скважины, т.к. формула (3) позволяет вычислить ошибку приближенного решения. Расчетная схема приведена на рисунке 2.

Зону влияния вокруг скважины ограничили некоторым контуром радиусом Rк. На контуре и далее принимаем, что радиальное и тангенциальное напряжения равны естественному боковому давлению (рб = рг) горной породы, а перемещение горной породы под влиянием скважины равно нулю. Здесь и ниже радиус ствола скважины, образованного долотом, обозначен Rн, а радиус ствола с учетом деформации его поперечного сечения обозначен Rс. Тогда смещение Rc стенки скважины равно

Rc = Rc – Rн. (4)

Внутри контура изменение размеров выделенного элемента обусловлено изменениями компонент напряжений по сравнению с напряжениями на контуре. С учетом граничных условий формула для расчета смещения i-го элемента следующая:

Ri = (у· ti – Ri), (5)

где h – толщина выделенного элемента горной породы; у = /(1 – ); Ri = = Ri – рг; ti = ti – рг. Сумма смещений внутренних поверхностей элементов равна смещению стенки скважины, т.е.

Rc = . (6)

Расчеты смещения стенки скважины выполнены в среде Excel. Все величины Excel рассчитывает автоматически по мере ввода исходных данных или их изменения. В таблице 1 показан вид программы с примером расчета Rc условно вертикальной скважины, пробуренной в Западной Сибири (глубина по вертикали 2430 м). Боковое давление горных пород принято рбу = ург. В примере значительная часть таблицы скрыта. Результат расчета находится в строке Rкi = Rн (в рассматриваемом примере в строке Rкi = 108 мм).

Таблица 1

Расчет смещения стенки вертикальной скважины



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.