|
Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу
Барановський Едуард Миколайович
УДК 622.243.57
УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ І ЗАСОБІВ ВІДБОРУ КЕРНА
ПРИ БУРІННІ ГЛИБОКИХ СВЕРДЛОВИН
Спецiальнiсть 05.15.10 - бурiння свердловин
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технiчних наук
Івано-Франківськ – 2002
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.
НАУКОВИЙ КЕРІВНИК: кандидат технічних наук, доцент
Возний Василь Романович,
Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу, доцент кафедри
морських нафтогазових споруд.
ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ: доктор технічних наук, професор
Ясов Віталій Георгійович,
Івано-Франківський національний технічний
університет нафти і газу, професор кафедри
буріння нафтових і газових свердловин;
кандидат технічних наук
Кунцяк Ярослав Васильович,
ВАТ “Український нафтогазовий інститут”,
завідувач відділу технічних засобів буріння.
ПРОВІДНА ОРГАНІЗАЦІЯ: Український науково-дослідний інститут
природних газів, ДК “Укргазвидобування”,
НАК “Нафтогаз України”, м. Харків.
Захист відбудеться 11.10. 2002 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д20.052.02 Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу за адресою: 76019, Україна, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.
З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу за адресою: 76019, Україна, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15.
Автореферат розісланий 09.09.2002 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
д.т.н., професор Драганчук О.Т.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Однією з найбільш складних проблем на шляху глибоких соціально-економічних перетворень в Україні є забезпечення вуглеводневою сировиною власного виробництва. Це передбачає відкриття нових нафтогазоносних територій і освоєння технологій глибокого буріння свердловин.
Розвідка нових покладів нафти і газу здійснюється розвідувальним бурінням, яке є складним, трудомістким і дорогим етапом комплексної розвідки. Ефективність його залежить від цілого ряду факторів, у тому числі від найбільш повного вивчення геологічної будови перспективного розрізу конкретної площі.
Практика буріння розвідувальних свердловин показала, що без отримання кернового матеріалу із проектних горизонтів неможливо вирішити весь комплекс задач глибокої розвідки на нафту і газ. Однак отримання кондиційного виносу керна при бурінні глибоких свердловин пов'язано з рядом проблем.
Для буріння глибоких свердловин характерні дві головні особливості: дефіцит інформації про гірничо-геологічні умови та екстремальні значення параметрів технологічного процесу – напружень, тисків, температур. Результатом впливу цих параметрів на ефективність відбору керна стало зниження його виносу і якості зі зростанням глибин свердловин.
Відсутність науково обґрунтованих критеріїв оцінки виносу керна в залежності від гірничо-геологічних умов буріння глибоких свердловин стримує процес удосконалення технології відбору керна і створення ефективного керновідбірного інструменту. Тому дослідження процесу керноутворення в екстремальних умовах глибокого буріння набуває важливого наукового значення для одного із основних елементів технології буріння – відбору зразків порід.
Об'єктом для досліджень вибрано Західний регіон України, який характеризується надзвичайною різноманітністю гірничо-геологічних умов буріння свердловин.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає науковим напрямкам ПВ УкрДГРІ.
Основні розділи роботи виконані під час розробки наукових проблем держбюджетної тематики “Розробка кернозберігаючої технології буріння з метою підвищення ефективності робіт по відбору керна” (№0196V012509,1996), “Розробка керновідбірного інструмента для буріння глибоких свердловин”(№0396V006877,1996).
Окремі розділи роботи виконувалися за договірною темою “Разработать керноотборный инструмент для отбора керна из трещиноватых и продуктивных пород глубоких и сверхглубоких скважин, обеспечивающий вынос керна свыше 60 %” (№0195V019345,1992).
Мета і завдання дослідження. Удосконалення техніки і технології відбору керна на основі теоретичних досліджень процесу його утворення та руйнування при бурінні глибоких свердловин.
Об'єкт дослідження – бурова механічна система “гірська порода – керновідбірні пристрої – технологія буріння”.
Предмет дослідження – методологія відбору керна.
Основні задачі дослідження.
1. Аналіз досліджень роботи технічних засобів і технології буріння з відбором керна.
2. Дослідження ступеня руйнування керна в умовах тріщинуватості і деформації гірських порід у масиві.
3. Розробка класифікації гірських порід за складністю відбору керна.
4. Обгрунтування критеріїв вибору параметрів технічних засобів з метою максимального захисту керна від руйнування.
5. Розробка концепції кернозберігаючої технології буріння, удосконалення техніки відбору керна та промислова перевірка ефективності її роботи.
Методи дослідження – аналітичний метод дослідження ступеня руйнування керна, статистичні методи аналізу показників відбору керна, експериментальні методи дослідження конструктивних параметрів керновідбірного інструменту.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Встановлено залежність для визначення показника тріщинуватості гірських порід, а також зв'язок цієї залежності з коефіцієнтом вторинного руйнування керна.
2. Отримано залежності для прогнозування товщини диска керна під час його саморуйнування за різних пружних та фізико-механічних властивостей гірських порід і параметрів буріння.
3. Вперше запропоновано аналітичні залежності виносу керна від його питомої кускуватості і товщини диска під час саморуйнування.
Практичне значення отриманих результатів.
Практична цінність проведених досліджень полягає в подальшому вдосконаленні вивчення ступеня впливу групи факторів (геологічних, технічних і технологічних) на процес керноутворення та збереження керна.
На підставі критеріїв оцінювання ступеня тріщинуватості гірських порід розроблено класифікацію їх за тріщинуватістю відповідно до умов буріння глибоких свердловин. За допомогою цієї класифікації можна вибрати типорозмір бурильної головки і керновідбірного пристрою, режим буріння в породах різного ступеня тріщинуватості та вирішити ряд інших практичних задач.
Виведені залежності для прогнозування товщини диска керна дають можливість встановити характер залежності його від глибини свердловини, діаметра керна та густини бурового розчину.
Отримані аналітичні залежності виносу керна від питомої кускуватості керна та товщини його диска дають змогу оцінити якість кернового матеріалу і прогнозувати винос керна в умовах саморуйнування.
Розроблена класифікація гірських порід за складністю відбору керна дозволяє об'єктивно за кількісними характеристиками оцінити стан гірських порід, обґрунтовано і диференційовано вибрати комплекс технічних засобів і технологію буріння для отримання кондиційного керна в конкретних гірничо-геологічних умовах.
На підставі проведених досліджень і основних вимог до керновідбірних пристроїв створена спеціальна концепція конструювання, що базується на визначенні оптимальної кількості набору вузлів та технологічних параметрів, які б задовольняли вимоги до кернового матеріалу згідно з поставленою геологічною задачею. На її основі розроблено нові конструкції керновідбірних пристроїв і бурильних головок фрезерного типу. Промислові випробування керновідбірних пристроїв підтвердили їх працездатність і ефективність.
Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Встановлено критерії оцінки тріщинуватості гірських порід та явища дискування керна [2, 6]. Запропоновано класифікацію гірських порід за складністю відбору керна [3], в яку введено кількісні критерії їх тріщинуватості.
При розробці нових керновідбірних пристроїв [4, 5, 7, 8] запропоновано конструкцію керновідривача закритого типу, виконавчий механізм його роботи, дренаж рідини із керноприймальної труби в затрубний простір, аварійний роз'єднувач. Виготовлено і проведено промислові випробування більшості пристроїв.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на:
- науково-практичній конференції “Стан і перспективи розвитку розвідувального та експлуатаційного буріння й закінчення свердловин в Україні” (м. Харків, 1998 р.);
- науково-практичній конференції “Буріння нафтових і газових свердловин” (До 100-річчя нафтової промисловості, м. Івано-Франківськ, 1998 р.);
- науково-практичній конференції “Проблеми буріння нафтових і газових свердловин” (відділення буріння УНГА, м. Івано-Франківськ, 1999 р.);
- наукових семінарах кафедри буріння нафтових і газових свердловин Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу (м. Івано-Франківськ, 2000 ? 2001 рр.).
Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано у 8 наукових працях, з них одна праця без співавторства і одна захищена авторським свідоцтвом.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, використаних джерел і додатків. Робота містить 147 сторінок друкованого тексту, 37 рисунків, 13 таблиць, список використаних джерел із 102 найменувань та 3 додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовано мету і задачі досліджень, подано коротку загальну характеристику роботи.
В першому розділі зроблено аналіз вітчизняних та зарубіжних досліджень, який дозволив оцінити сучасний стан техніки і технології буріння з відбором керна при поглибленні глибоких свердловин.
Значний вклад у дослідження роботи керновідбірного інструменту і вивчення впливу техніко-технологічних параметрів на ефективність процесу буріння з відбором керна внесли вітчизняні і зарубіжні вчені: Ю. Ф. Алєксєєв, Т. К. Астаф'єв, А. К. Атякін, І. І. Барабашкін, О. Ю. Бергштейн, І. П. Дороднов, Я. А. Едельман, І. К. Князєв, Я. В. Кунцяк, В. І. Мандрус, О. Г. Мессер, Б. Д. Панов, С. С. Сулакшин та інші.
Незважаючи на те, що частка інтервалів відбору керна в загальному обсязі розвідувального буріння порівняно невелика (5?10 %), на їх проходження витрачається багато часу і коштів. Це спричинено складними умовами утворення і збереження керна, пов'язаними як з недостатньою стійкістю порід, так і з екстремальними значеннями параметрів технологічного процесу. Винос керна в таких умовах різними конструкціями керновідбірних інструментів становить від 0 до 30 ? 40 %. У розділі наведена класифікація керновідбірних пристроїв та їх відповідність умовам відбору керна.
На підставі аналізу промислового матеріалу в ДГП “Західукргеологія” встановлено, що всю гаму причин низького виносу керна складають чотири основні тісно пов'язані групи факторів: геологічні, технічні, технологічні та організаційні. Геологічні фактори є незмінними та некерованими і найбільше впливають на формування і збереження керна. Фактори техніко-технологічні змінні і регулюються в процесі буріння.
Стале підвищення ступеня руйнування керна розпочинається з глибини близько 5000 м. Відбір керна супроводжується саморуйнуванням і самозаклинюванням його в керновідбірному пристрої при незмінній техніці і технології буріння. Показники відбору знижуються в середньому на 30 ?50 % , незважаючи на значні удосконалення технічних засобів. Найважливішою причиною погіршення показників відбору керна є його прогресуюче дискування із зростанням глибини свердловини.
Викладений вище матеріал дозволив визначити мету і основні задачі досліджень.
У другому розділі наведені методи і критерії оцінки тріщинуватості гірських порід та явища дискування керна. Досліджено характер впливу цих критеріїв на ступінь руйнування кернового матеріалу.
Основним критерієм, який дозволяє точно та оперативно оцінити ступінь тріщинуватості порід, є питома кускуватість керна. Для детальнішої оцінки ступеня порушення гірських порід, їх структурних і текстурних особливостей використовують додатковий критерій, який названо показником тріщинуватості породи  – кількість тріщин, що зустрічаються бурильною головкою за один повний оберт. Для визначення цього показника використовується формула
 , (1)
де dк – діаметр керна, м;
Кпит – питома кускуватість керна, шт./м;
 – коефіцієнт, що враховує ступінь повторного дроблення гірської
породи;
в – кут зустрічі площини тріщини з віссю свердловини, град.
Основні елементи тріщини, яка перетинає стовпчик керна, показано на рис. 1. У побудованому в ньому прямокутному трикутнику гіпотенуза с – довжина тріщини, що перетинає керн у даному перерізі, катет а – проекція довжини тріщини на бокову поверхню керна, катет b – діаметр керна.
На підставі аналізу формули (1) і зроблених в ній перетворень нами отримано залежність, яка має вигляд :
 ,
де l – середня довжина стовпчика керна, м.
Таким чином, показник тріщинуватості гірської породи є безрозмірною величиною і визначає відносну довжину керна, яка зазнає впливу даної тріщини.
Для визначення коефіцієнта л нами запропоновано залеж-ність :
л = 1 – ц,
де ц ? коефіцієнт вторинного руйнування керна.
 ,
де L1 – теоретична довжина керна, що може бути отримана в даному інтервалі, м;
L2 ? довжина відібраного керна, м.
На підставі цих критеріїв нами розроблено класифікацію гірських порід за тріщинуватістю відповідно до умов буріння глибоких свердловин з відбором керна (табл. 1).
Для встановлення характеру залежності виносу керна від ступеня порушення гірської породи запропонована формула :
 ,
де  – винос керна, %;
0,02 – коефіцієнт, отриманий математичною обробкою на ЕОМ даних табл. 1.
Для визначення характеру залежностей розрахункових величин від вихідних даних нами виконано обчислення для найбільш характерних технологічних і геолого-технічних параметрів.
Таблиця 1
Класифікація гірських порід за тріщинуватістю
Група гірських порід за тріщину-ватістю Ступінь тріщинуватості гірських порід Питома кускуватість керна Кпит, шт./м Показник тріщинува-тості Сп Винос керна  , %
1 Монолітні і слаботріщинуваті 1...10 0,15...0,45 100...80
2 Середньотріщинуваті 10...20 0,50...0,80 80...60
3 Сильнотріщинуваті 20...30 0,85...1,15 60...40
4 Дуже тріщинуваті >30 1,20...1,50 40...20
Результати розрахунків подано у вигляді графіка залежності показників якості керна від ступеня його вторинного руйнування (рис.2).
Під час буріння глибокої свердловини в напруженому масиві порід під її вибоєм проходить часткове розван-таження породи, яке викли-кане заміною дії гірського тиску дією меншого тиску стовпа бурового розчину. Це розвантаження породи (енер-гія розвантаження  ) мо-же призвести до само-руйнування керна на диски.
Для визначення цієї енергії нами виведена формула :
 , (2)
де  – глибина свердловини, м;
 і  – густина, відповідно, породи і рідини, кг/м3;
 – прискорення вільного падіння, м/с2;
 – модуль пружності гірської породи, Па.
Прогнозування товщини дисків керна l здійснюється за формулою:
 . (3)
Для побудови функціональної залежності l = f(H) визначають ДU для глибини, на якій дискування набуло помітного характеру. У цьому випадку dк = l (це підтверджується даними з Кольської свердловини) і формула (2) запишеться у вигляді:
 . (4)
якщо пружні, фізико-механічні властивості порід і параметри буріння з глибиною не змінюються, формула (3) спрощується до:
 , (5)
де Нд – глибина свердловини, на якій відмічено початок дискування керна, м;
Н ? глибина свердловини, для якої визначається товщина диска, м.
На основі фактичних даних зміни товщини дисків керна зі зростанням глибини Кольської свердловини і отриманих за розрахунками побудовано графік залежності довжини керна (товщини дисків) від глибини свердловини (рис. 3).
Рівень збіжності експериментальних і аналітичних даних свідчить про правомірність прийнятої методики для розрахунків товщини дисків керна зі зростанням глибини свердловини.
Для встановлення характеру залежності ефективності відбору керна від явища його дискування нами розроблена методика, що дає змогу визначати глибину, на якій розпочнеться даний процес, і прогнозувати винос керна в необхідному інтервалі його відбору. Проблема вирішена завдяки використанню відомого явища, яке відмічене під час буріння Кольської надглибокої свердловини і полягає у зміні буримості зі зростанням глибини свердловини, що наглядно характеризується коефіцієнтом буримості  . Він визначається за відомою формулою :
 ,
де d і ? поглиблення за один оберт на конкретній глибині, мм/об ;
d0 ? поглиблення за один оберт у верхньому інтервалі свердловини,
мм/об.
 ,
де h – проходка за рейс, мм;
n – частота обертання долота, хв-1;
T – час буріння, год.
Рис. 3. Залежність товщини диска керна від глибини свердловини:
а ? фактичні дані, отримані під час буріння Кольської надглибокої
свердловини ;
б ? дані, розраховані за формулою (3).
Для зручності стовбур свердловини розбивають на інтервали по 1000 м. Поглиблення долота за один оберт першого інтервалу ( ) 0 –1000 м є репером для обчислення Кi. Глибина, з якої починається зростання коефіцієнта буримості, і є початком дискування керна.
В результаті виконаних досліджень встановлено, що основними критеріями оцінки дискування керна є енергія розвантаження DU, товщина диска керна l і коефіцієнт буримості Кi. Наявність критеріїв оцінки явища дискування керна дає змогу розробити ефективні методи його зменшення та технологію і спеціальні технічні засоби буріння з відбором керна.
Для встановлення характеру залежності виносу керна від дискування нами використані формули (3 - 5), завдяки яким отримано залежності:
| 
