книги / Оптимизация режимов бурения гидромониторными шарошечными долотами

7. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ БУРЕНИЯ

Первые два критерия дают однозначное решение, если имеет место полный износ вооружения или опоры, и дискретное изменение буримости не препятствует начислению износа, не вносит никаких искажений в ре­ зультат расчета, чего нельзя сказать о двух последних условиях. Дело в том, что резкий скачок в механической скорости бурения, произошедший в результате изменения буримости (независимо от направления изменения), может привести к ложному экстремуму и необоснованному решению о прекращении долбления. Поэтому в программе предусмогрен специальный расчетный алгоритм, обеспечивающий принятие решения не по абсолют­ ному значению рейсовой скорости или стоимости метра проходки, а по ус­ тойчивости тенденции изменения указанных критериев.

Как видно из рис. 7.1.1, расчетным циклам предшествует комплекс подготовительных расчетов. Вначале разрез скважины расчленяется на пачки равной буримости с использованием методики, изложенной в разде­ ле 5. Затем определяются пкг, оценивается абразивность пород в пачках (по промысловой классификации) и, наконец, выполняется расчет пара­ метров М-диаграмм бурения (раздел 2.1) для описания разреза скважины. В случае отсутствия паспортных данных о ресурсах вооружения и опоры намеченных к применению долот выполняется работа по их определению. Методические указания на этот счет содержатся в разделе 5.

7.2.Алгоритм выбора оптимальных вариантов технологии углубления скважины

Программа тику_pl является первым и простейшим вариантом реали­ зации новой методики проектирования оптимальных режимов бурения. Она решает задачу подготовки массива вариантов режима бурения, из ко­ торых после исключения резонансноопасных вариантов отбираются опти­ мальные, но только для одного долота и указанной начальной глубины бу­ рения. Иначе говоря, указанная программа осуществляет оптимизацию од­ ного долбления, когда долото по каким-то основаниям выбрано заранее. В случае, если у технолога появилось желание с помощью данной програм­ мы оценить эффективность другого долота, изменить начальную глубину бурения или параметры промывки, то программу необходимо запускать заново и количество вариантов возрастает пропорционально числу долот.

Критерием отбора оптимального варианта из массива являются вели­ чина рейсовой скорости или стоимость метра проходки.

Предложенная методика проектирования режимов бурения снимает принципиальные методические трудности (остаются только программист­ ские) для разработки (например, на базе программы тику_pl) универ­ сальной программы для автоматизированного выбора оптимальной техно­ логии углубления скважины на заданном интервале бурения или для всей скважины. В этом случае оптимизация технологии углубления будет стро­ ится как сумма (точнее: последовательный ряд) оптимизированных долб­

2 1 1

7 ГА Ц'ЛЬПТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ БУРЕНИЯ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ_________________________

лений. Критерии завершения долблений остаются при этом прежними.В настоящее время ведется разработка такого программного комплекса, при­ званного автоматизировать процесс проектирования режимов бурения на всю скважину.

7.3.Компьютерные программы выбора оптимальной техноло­ гии углубления скважины в условиях неограниченной изменчивости пород по буримости

Программа effect.

Назначение программы - выполнение комплекса гидравлических рас­ четов для заданной глубины промывки скважины.

Количество расчетных глубин может достигать 99. Каждый вариант законченного расчета вместе с исходной информацией заносится в специ­ альный файл, который затем можно просматривать любым текстовым DOS-редактором. На каждой расчетной глубине выполняется комплекс гидравлических расчетов для различных расходов бурового раствора Q (от минимума до максимально возможного) с заданным шагом изменения рас­ хода. В выходном документе программы для каждого Q содержатся дан­ ные:

-общие потери давления в циркуляционной системе;

-потери в заколонном (кольцевом) пространстве;

-перепад давления на долоте (резерв давления); расчетные диаметры равновеликих насадок для вариантов промыв­

ки через три и две насадки, найденные из условия реализации всего резер­ ва давления;

критерий промывки ./для варианта применения трех насадок; то же для варианта применения двух насадок.

Предусмотрена возможность применения трех моделей жидкости: вяз­ кой, вязкопластической, псевдопластической (степенной).

Программа тику_ p l.

Назначение программы - создание массива результатов бурения с при­ менением различных сочетаний осевой нагрузки на долото и скоростей его вращения в условиях неограниченной изменчивости пород по буримости. Основой профаммы являются три расчетных цикла: первый из них (внут­ ренний) выполняет вычислительные процедуры по расчету показателя ра­ боты долота при заданных g и и, корректируя при необходимости на фаницах пачек пород параметры диафамм бурения; второй - ступенчато ме­ няя осевую нафузку, повторяет расчеты по первому циклу и тем создает массив решений с разными g; третий, внешний, цикл управляет ступенча­ тым изменением п в заданных пределах. В результате создается массив вариантов решения, из которых затем исключаются резонансноопасные и выбирается оптимальные.

2 1 2

7. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ БУРЕНИИ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ

В выходном документе программы (листинге) содержится следующая информация для каждого варианта сочетания g u n :

-время долбления;

-проходка за долбление;

-средняя механическая скорость бурения;

-средняя рейсовая скорость бурения и ожидаемая проходка за су­ тки;

-средняя стоимость метра проходки;

-износ долота (в кодовой записи).

7.3.1.Информационное обеспечение работы программ

Программа выбора оптимальной программы промывки скважины effect.

Объем исходных данных для нее представляет собой список проектных решений или фактических данных, касающихся и поинтервапьных пара­ метров бурового раствора (плотности и реологических констант), поинтервальных значений градиентов пластового давления, бурильной колонны, бурового оборудования и конструкции скважины. Программа снабжена справочником труб, который насчитывает более 400 наименований: от на­ сосно-компрессорных (лифтовых) до бурильных труб, от отечественных до труб по стандарту АНИ. Предусмотрена возможность пополнения спра­ вочника любыми трубами, и не только нефтепромысловыми. Объем вез ро­ енной информации о каждой трубе достаточен для выполнения не только гидравлических, но и прочностных расчетов. Исходными данными явля­ ются:

-поинтервальное описание конфигурации скважины;

-описание колонны труб, в частности, бурильной;

-ввод плотности бурового раствора и его реологических парамет­ ров для расчетной глубины.

Гидравлический расчет выполняется для заданных пользователем глу­ бин, причем для повторения расчетов для следующей глубины нет необхо­ димости вводить снова информацию о колонне и скважине: данные о про­ тяженности элементов трубного и заколонного пространств пересчизываются самой программой. Предусмотрена возможность оперативной кор­ ректировки плотности или реологических параметров жидкости, в зом числе и реологической модели, градиента пластового давления для оче­ редной глубины промывки.

Программа расчета и выбора оптимальных режимов бурения m u liy p i .

Как указывалось выше, часть исходных данных для данной програм­ мы, представляющая информацию общего характера, готовится на этапе проектирования бурения, например, при выборе конструкции скважины, выполнении прочностных расчетов и конструировании колонн, при выборе параметров бурового раствора, при гидравлических расчетах промывки

213

7. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ БУРЕНИЯ

______________________________ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ

скважины и т.д. Иначе говоря, эта часть заимствуется из других регламен­ тирующих документов, не имеющих непосредственного отношения к про­ грамме. Другая часть информации готовится специально для программы

тику_pl.

Расчленение разреза на пачки равной буримости.

Более надежные результаты достигаются, если воспользоваться приве­ денным угловым коэффициентом К = S /g. Предположим, что имеются данные механического каротажа (например, пометрового) при бурении до­ лотом определенного типоразмера, из которых всегда можно найти сред­ ние (для проходок в 1 м или менее) значения 6 ,, а затем и составить вы­ борку из KXj . Такой параметр несоизмеримо меньше зависит от п по срав­ нению с у„ . Для того чтобы полностью исключить и как фактор влияния на элементы выборки, нужно из данного ряда значений составить новую выборку, каждый член которой представляет предельное значение, соот­ ветствующее п < пч, . Выборка, составленная из Kw„p , практически не бу­ дет зависеть от п и g, но может искажаться влиянием несовпадения типа вооружения долота. Чтобы нейтрализовать негативное влияние и этого фактора, достаточно привести все элементы выборки к одному типу воо­ ружения, например, к типу “М”, воспользовавшись соотношениями, при­ веденными в разделе 2. Наконец, остается последний фактор - износ долот. Искажающее влияние износа можно уменьшить, если придерживаться правила не принимать в расчет последние 10... 15 % долбления. По отно­ шению к долотам с твердосплавным вооружением такая мера практически полностью снимает проблему. После такой “модернизации” выборка бу­ дет отражать только влияние буримости пород и станет пригодной для расчленения разреза с применением известных методов математической статистики. Отличительной особенностью предложенной модели бурения является то, что точность расчета показателей работы долот повышается с повышением уровня детализации разреза по пачкам равной буримости, с увеличением их числа. Поэтому нет никакой необходимости в искусствен­ ном укрупнении интервалов равной буримости, что весьма характерно для традиционных методов.

При отсутствии данных механического каротажа можно воспользо­ ваться величинами КК, найденными на основе повахтовых проходок, при­ менив к ним те же методы обработки, что и для данных пометрового каро­ тажа, но достоверность результатов будет существенно меньше. В крайнем случае можно использовать данные по законченным долблениям, смирив­ шись с низким уровнем достоверности такого решения.

214

7 . Р А З Р А Б О Т К А И Р Е А Л И ЗА Ц И Я А Л Г О Р И Т М А П Р О Г Н О З И Р О В А Н И Я РЕЗУ ЛЬТ А Т О В Б У Р Е Н И Я

=__11=^ =_ _ ет!=1_ _ в^^гад№ м онито№ ы м 1ц^ло^м и^_______^______

Проведение тестовых экспериментов с целью опытного определения параметров диаграмм бурения.

Основной целью проведения экспериментов является опытное опреде­ ление параметров диаграммы бурения для нового (не изношенного) доло­ та: условной прочности породы g0 и угловых коэффициентов ЛПР и ЛОР -

К„ и Kv .

Эксперименты при бурении в промысловых условиях отличаются тем обстоятельством, что повторить опыт в скважине в принципе невозможно, поскольку нельзя поручиться за то, что буримость пород сохранится и при следующем опыте. В таких условиях необходимо, с одной стороны, повы­ сить точность измерения исходных параметров, а с другой, - по возможно­ сти до минимума сократить интервал опытного бурения.

Если ограничиться только контрольно-измерительными приборами (КИП), входящими в комплект буровых установок, то получение досто­ верных диаграмм бурения весьма затруднительно, особенно при дизельном приводе. К стандартному набору КИП необходимо добавить:

-измеритель проходки с точностью до 1 см;

-счетчики оборотов ротора: один - для измерения суммарных обо­ ротов за время одного опыта, другой - для измерения суммарных оборотов за долбление;

-тахометр - указатель скорости вращения ротора;

-второй измеритель нагрузки на буровом крюке.

Весьма желательно иметь автомат подачи для обеспечения более рав­ номерной скорости движения бурильной колонны.

Проходка за оборот предпочтительнее определять по формуле:

где At - время опытного бурения с фиксированными g и п.

При дизельном приводе и отсутствии тахометра такой способ опреде­ ления N дает часто недопустимую погрешность, поскольку величины п в процессе опыта измеряются с большой погрешностью.

В глубоком бурении практически всегда п > »Ч(. Поэтому неточность в измерении п в процессе опыта или значительные колебания п относитель­ но заданного значения становятся причиной снижения достоверности диа­ граммы бурения, а также затрудняют ее интерпретацию.

Существует два вида диаграмм бурения и соответствующие им мето­ дики их получения. Простейшая из них отображает зависимость 8(g) при некотором постоянном п. Тест может быть начат только после бурения

215

1-А1ГЛБПТКА И |'ЕЛ.1|1ПЛЦИЯ АЛГОРИТМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ БУРЕНИЯ

______________________________ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ_____________________________

0,2...1,0 м обычного бурения (в зависимости от уровня у„). Дело в том, что после продолжительного (например, из-за спуско-подъемных операций) перерыва в бурении на забое успевает сформироваться фильтрационное поле давлений с минимальными градиентами давления в призабойной об­ ласти. Такой забой в первый момент разрушается легче. Об этом наблюде­ нии говорится и в работе [141]. На рис. 7.3.1 приведен график, отражаю­ щий это явление (до точки 2), которое можно назвать “эффектом прерван­ ного бурения”. На участке 2-11 наблюдается снижение механической ско­ рости в результате постепенного износа вооружения. На последнем участ­ ке бурение осуществлялось полностью изношенным (“лысым”) долотом. Первый эффект может быть очень заметным и явным, как это имеет место на рис. 7.3.1, но может проявляться менее резко в зависимости от прони­ цаемости породы и времени перерыва в бурении. Для нейтрализации ука­ зан ного эффекта” тестовое бурение необходимо проводить без перерывов, без остановки бурения, без отрыва долота от забоя, например, для наращи­ вания бурильной колонны.

Опытное бурение заключается в прохождении ограниченных интерва­ лов Ah со ступенчатым изменением осевой нагрузки в намеченных преде­ лах. Начинают с малых нагрузок. С точки зрения лучшей интерпретации диаграммы бурения начальная нагрузка должна быть минимально возмож­ ной.

При выборе Ah можно придерживаться следующих рекомендаций:

-при v„ > 10... 12 м/ч Ah выбирается таким образом, чтобы At было

не более 3 мин, однако Ah должно быть не более 1 м;

-при 3...4 м/ч < у „ < 10...12 м/ч Ah = 0,3...0,4 м, при этом меньшие значения Ah соответствуют случаю применения автоматов подачи;

-при у„ <3...4 м/ч Ah = 0,2..0,3 м, причем максимальные Ah соот­ ветствуют случаю бурения с ручной подачей бурильной колонны;

--тест начинают с минимально возможных нагрузок, что облегчает впоследствии интерпретацию диаграмм;

-нагрузку на долото увеличивают ступенчато (на 0,1 ...0,14 кН/мм), сохраняя при этом постоянной скорость вращения долота, а после дости­ жения намеченной максимальной нагрузки опыты без перерыва продол­ жаются в режиме ступенчатого уменьшения нагрузки;

-проходки, приуроченные к переходу с одной ступени нагрузки на другую, из расчета исключаются;

-при появлении признаков резонансных продольных колебаний бурильной колонны эксперименты прерываются;

-исключаются из программы опыта сочетания g и п , при которых

возможно развитие недопустимых по величине крутильных автоколеба­

ний.

2 1 6

7. РАЗРАБОТКА и р е а л и з а ц и я а л г о р и т м а п р о г н о зи р о в а н и я р е зу л ьт а т о в б у р е н и я

время бурения, мин

Рис. 7.3.1. Изменение механической скорости бурения во времени при роторном бурении твердых пород долотом с фрезерованны­ ми зубьями (скв. 1- Тимано-Печорская).

Вторая разновидность диаграмм бурения отличается тем, что на ней находит отражение влияние какого-то технологического фактора, напри­ мер, скорости вращения долота. По существу, в этом случае получаются две опытные зависимости 3(g) , наложенные одна на другую. Такой экспе­ римент и такая диаграмма несут в себе значительно большую информа­ цию. Тест начинают с малых нагрузок. Пробурив интервал Ahi e g , и л, , не отрывая долото от забоя и не меняя осевую нагрузку, переходят на дру­ гую скорость вращения п2. Пройдя интервал Ah2 , не меняя теперь уже ско­ рость вращения, увеличивают нагрузку до g2 . Пройдя интервал Ah,, снова возвращаются на скорость вращения и, и т.д. до достижения максималь­ ной нагрузки. Такой метод поочередного изменения параметров режима бурения существенно упрощает интерпретацию опытных данных и повы­ шает достоверность результатов тестового бурения.

Прогнозирование величин я*,.

Существует три метода определения критической скорости вращения долота.

Первый - это непосредственное опытное определения методом тесто­ вого бурения. Для этого достаточно при g=const постепенно уменьшая п

2 1 7

7. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ БУРЕНИЯ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ

обнаружить момент, когда дальнейшее уменьшение перестанет влиять на проходку за оборот.

Второй метод описан в разделе 3.1 и основывается на использовании диаграммы бурения, отражающей влияние, по крайней мере, двух скоро­ стей вращения на Кхили К, .

Третий метод, описанный в разделе 2.2, основан на том, что для всех

Ресурс вооружения долот.

Ресурсы вооружения долот М„ определяют на основе статистической обра­ ботки промысловых данных об отработке долот с полностью изношенным воо­ ружением, имеющим износ по коду не ниже В< и отработанным при щадящем режиме бурения. Предварительно разрез скважины расчленяется на укрупнен­ ные интервалы условно равной буримости. Укрупнение в данном случае необ­ ходимо и целесообразно, если учесть, что современные долота в состоянии пройти несколько пачек, существенно отличающихся по буримости. Практиче­ ски невозможно поэтому надеяться на отработку долот в условиях, когда тип породы полностью соответствует типу вооружения. Скорее можно обнаружить полное несоответствие, нежели полное соответствие. Можно оценивать уро­ вень частичного соответствия, например, в процентах.

Данные по износу разбиваются на выборки по упомянутым выше укруп­ ненным интервалам буримости, типу применяемого раствора (вода, глинистый, полимерный растворы и раствор на нефтяной основе), по типу вооружения, заводу-изготовителю, диаметру долота и типу промывки (гидромониторная или центральная). Полученные в результате этого выборки дополнительно расчле­ няются по режимам отработки: щадящий или форсированный. Последние из дальнейшего анализа исключаются. Исключаются также варианты, если долота отработаны при резонансных колебаниях бурильной колонны.

С использованием описанной методики определены фактические ресурсы полностью изношенных по вооружению долот (по формуле M„=gnt6) для 16 разведочных площадей Усинского района и Ненецкого автономного округа, ко­ торые представлены в табл. 7.3.1. В связи с тем, что приведенные в ней значе­ ния ресурсов вооружения соответствуют щадящему режиму бурения, то их можно считать константами, характеризующими данный типоразмер долота, но только в определенных по твердости и абразивности породах. В разделе 3.1 указывалось на необходимость разработки методики приведения фактического ресурса к “стандартным” условиям по твердости породы и предлагалось для этого выбрать мягкие (по промысловой классификации) породы. Высокий уро­ вень стандартизации в конструкциях долот является веским основанием для та­ кой постановки вопроса. В методическом отношении данная задача является одной из самых трудных и самых актуальных для моделирования износа в ус­

2 1 8

7. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТ АТОВ БУРЕНИЯ

ловиях неограниченной в процессе одного долбления изменчивости пород по буримости. Для ее решения необходимы разработки методик и проведение специальных промысловых исследований. В условиях ограниченности экспе­ риментальных данных для оценки относительной стойкости вооружения пред­ лагается вариант приближенного решения задачи, который излагается ниже.

Примем за основу общепринятую классификацию пород и соответствую­ щих им и совпадающих по обозначению типов вооружения: М, М3, МС, МСЗ, С, СЗ, Т, ТЗ, ТКЗ, К, ОК. Введем понятия:

-относительная буримость породы К6 , когда за меру буримости берется буримость пород типа М;

-относительная стойкость вооружения долота К. , понимаемая как отноше­ ние часовой стойкости конкретного типа долота при бурении породы типа М к стойкости долота типа М в такой же породе.

Приведенные в табл. 7.3.1 величины/^ и К, совпадают по значению (в принципе они могут и не совпадать), что представляется вполне логичным, если принять, что за годы совершенствования шарошечных долот достигнут уро­ вень, когда долота, например, типа СЗ точно соответствуют буримости породы того же типа Данные табл. 7.3.1 предложены, исходя из отрывочных сведений об износе долот с учетом количества зубьев (зубков), их высоты и скольжения зубьев относительно забоя.

Таблица 7.3.1

Относительная стойкость вооружения долот

Методику расчета приведенного ресурса вооружения долота проиллюстри­ руем на конкретном примере. Предположим, что долота типа ТКЗ ( Кв~ 5) от­ работаны в породах группы СЗ (Кл = 3) и при этом фактический ресурс Мнф составил 450000 кН«об/мм. Искомый приведенный ресурс М„m определяется по формуле:

типоразмеров долог и использоваться при начислении износа при расчете пока­ зателей работы долота с учетом буримости проходимых пачек пород.

219

7. РА 11'ЛБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ БУРЕНИЯ ГИДРОМОНИТОРНЫМИ ДОЛОТАМИ

Ресурс опоры шарошечных долот.

При определении ресурса опоры М„ по промысловым данным учитывают­ ся только долота с полностью изношенной опорой, имеющие износ по коду Пз, //; или П Ж , и т.п. Правила составления массива данных те же, что и для воо­ ружения долот.

Таблица 7.3.2

Значения ресурсов вооружения шарошечных долот

(по данным бурения в карбонатных породах возраста C i - D })

ский lU ijio n u ih iii завод.

Что касается обработки выборок, то отличия существенные: нет необходи­ мости в дополнительных расчетах по приведению их стандартному типу пород

ит.п.

Втабл. 7.3.3 приведены указанные значения ресурсов опор, полученные при отработке различных долот в карбонатных породах при щадящем режиме бурения.

Методика прогнозирования износа опоры была испытана в промысловых условиях. Установлено, что она позволяет с достаточной точностью (средняя ошибка 7,2 %) прогнозировать износ опоры долота.

2 2 0