Рубрика: Вопросы и ответы

Ответ на вопрос: «Классификация методов возбуждения притока при освоении скважин».

Классификацию методов притока можно представить в следующем виде
а) Метод облегчения столба жидкости в скважине
б) Метод понижения уровня жидкости
в) Метод мгновенной депрессии

Рис. 1.
1 фаза — рост поглощения пластом жидкости глушения. Вследствии этого происходит дополнительное изменение фильтрационных характеристик ПЗП. Именно поэтому выбору жидкости глушения должно уделяться особое внимание.
2 фаза — объем поглощаемой пластом жидкости снижается.
3 фаза — приток жидкости из пласта.

Вызов притока путем замещения жидкости в эксплуатационной колонне

Для вызова притока из пласта путем замещения в эксплуатационной колонне жидкости с большей плотностью на жидкость с меньшей плотностью спускают НКТ в скважину до уровня перфорационных отверстий.

В затрубное пространство подают жидкость меньшей плотности насосным агрегатом, вытесняя в колонну НКТ раствор большей плотности. После того, как жидкость с меньшей плотностью достигает забоя и попадает в НКТ, начинает снижаться забойное давление. Когда давление на забое становится меньше пластового давления, т.е. создается депрессия на пласт, становится возможным приток жидкости из продуктивного горизонта.

Если продуктивный горизонт образован трещинными породами, то замещение жидкостей в скважине проводят в несколько этапов, причем плотность жидкости замещения на каждом последующем этапе меньше, чем на предыдущем.

Вызов притока при помощи воздушной подушки

Вызов притока достигают путем уменьшения уровня жидкости в скважине вследствие использования энергии сжатого воздуха.

Согласно этому методу колонну НКТ опускают до верхних отверстий перфорации, а компрессор и насосный агрегат обвязывают с затрубным пространством при помощи устьевого оборудования (рис. 2).

Рис. 2. Вызов притока из пласта методом воздушной подушки:
а — нагнетание воздуха компрессором; б — закачивание воды на воздушную подушку насосом; 1 — эксплуатационная колонна; 2 — НКТ; 3 — воздух, нагнетаемый компрессором; 4 — устьевая арматура; 5 — обратный клапан; 6 — компрессор; 7 — насосный агрегат; 8 — вода, заполняющая скважину до начала нагнетания воздуха; 9 — продуктивный пласт; 10 — воздушная подушка; 11 — вода, закачанная на воздушную подушку.

В затрубное пространство компрессором нагнетают воздух, вследствие чего образуется воздушная подушка высотой Н. Потом компрессор отключают и при помощи цементировочного агрегата закачивают в затрубное пространство определенный объем воды (в зависимости от запланированной глубины снижения уровня). Воду закачивают с такой скоростью, чтобы пузырьки воздуха не могли перемещаться вверх и накапливаться в затрубном пространстве около устья скважины. К моменту прекращения нагнетания воды ее столб над воздушной подушкой достигает высоты Н_в.

Вызов притока с использованием пусковых клапанов

Согласно этому методу приток в скважину достигают путем снижения уровня жидкости в трубах за счет ее аэрации и последующего выброса. Перед пуском в скважину на колонне НКТ размещают в предварительно рассчитанных местах специальные пусковые клапаны. Используя компрессорный агрегат, в затрубное пространство нагнетают воздух и снижают уровень жидкости. Если уровень жидкости в затрубном пространстве будет ниже уровня размещения клапана на колонне НКТ, то при его открытии воздух из затрубного пространства поступит в колонну и вытеснит жидкость, находящуюся над клапаном.

Расчет процесса вызова притока при помощи струйных аппаратов

Вызов притока при помощи струйных аппаратов обеспечивают путем снижения давления в подпакерной зоне до размеров, меньших гидростатического. Это значение следует поддерживать на протяжении запланированного времени.

Известно, что в струйных аппаратах происходит смешение и обмен энергии двух потоков с разными давлениями, в результате чего образуется смешанный поток с переменным давлением. Поток, соединяющийся с рабочим потоком из камеры низкого давления, называется инжектированным. В струйных аппаратах происходит превращение потенциальной энергии потока в кинетическую, которая частично передается инжектированному потоку.

Поинтервальное снижение уровня жидкости

В кольцевое пространство компрессором нагнетают газ или воздух, вытесняющий жидкость в колонну НКТ. Нагнетание газа или воздуха продолжают до полного вытеснения жидкости в интервале спуска НКТ. Если скважина не начала фонтанировать, а уровень жидкости поднимается медленно, то доспускают НКТ на определенную глубину или до кровли пласта.

Указанный метод постепенного погружения НКТ с периодической продувкой воздухом или газом имеет следующие недостатки:
1. во время очередного наращивания труб возможны фонтанные проявления;
2. пусковые давления, возникающие перед продавкой, могут вызывать поглощение жидкости в пласт;
3. скважина может начать работать до того, как башмак НКТ достигнет фильтрационных отверстий.

Снижение уровня жидкости в скважине поршневанием (свабированием)

Уровень жидкости в скважине снижают при помощи специального поршня (сваба) с обратным клапаном, допускающим переток жидкости через поршень только в одном направлении при спуске его в скважину. Диаметр поршня выбирают по диаметру труб с минимальным зазором.

Этот способ освоения скважин используют при спущенных в скважину насосно-компрессорных трубах и установленной на устье фонтанной арматуре.

Поршень, закрепленный на штанге, спускают в НКТ на стальном канате при помощи лебедки от тракторного подъемника или бурового станка на 100-300 м под уровень жидкости и с максимально возможной скоростью поднимают вверх, удаляя из скважины жидкость, находящуюся над поршнем.

Эти операции повторяют до снижения уровня на заданную глубину или до получения пластового флюида.

Вызов притока из пласта методом аэрации

Рис. 3.

При помощи метода аэрации можно постепенно увеличивать депрессию до любой заданной величины. Суть процесса аэрации заключается в постепенном снижении плотности жидкости в затрубном пространстве и насоснокомпрессорных трубах вследствие одновременного нагнетания в скважину определенного количества сжатого воздуха (газа) и воды (нефти). Двигаясь вниз по кольцевому пространству, рабочий агент, смешанный с жидкостью, дополнительно сжимается под весом столба жидкости, пока не достигнет башмака НКТ. Дойдя до башмака труб, пузырьки рабочего агента попадают из затрубного пространства в НКТ и, постепенно расширяясь, отдают полученную ими энергию, вследствие чего жидкость поднимается, одновременно снижается ее плотность внутри НКТ.

Вопросы для подготовки к госэкзамену по специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин»

Ответ на вопрос: «Назовите основные физико-механические свойства горной породы и поясните их влияние на процесс бурения».

В механике горных пород изучаются следующие механические процессы и соответствующие им свойства.
1. Деформирование – процесс изменения размеров или формы твердого тела под действием внешних сил. При деформировании проявляются такие свойства, как упругость, пластичность и вязкость твердых тел.
2. Разрушение – разрыв внутренних связей (нарушение сплошности) твердого тела. При разрушении проявляется такое свойство, как прочность твердого тела.
3. Изнашивание – диспергирование твердого тела с поверхности под действием работы трения. При изнашивании проявляются такие свойства, как износостойкость (сопротивление изнашиванию) и абразивность (способность изнашивать противостоящие материалы при трении).

При описании механических процессоров важнейшими являются понятия о деформациях и напряжениях.

Деформация – это относительное изменение размера или формы тела. Обратимой (упругой) деформация называется в том случае, если при устранении внешних сил размеры и форма тела полностью восстанавливаются. Необратимой (пластической) деформация называется в том случае, когда с устранением внешних сил форма и размеры тела не восстанавливаются.

Сопротивление тела деформированию в рассматриваемой точке принято характеризовать отношением равнодействующей внутренних сил dR, действующих на элементарной площадке сечения, проведенного через рассматриваемую точку, к площади dF этой площадки:
dR / dF = p.
Величина р векторная и называется напряжением в точке.

Проекция вектора р на нормаль к рассматриваемой площадке обозначается σ и называется нормальным напряжением, а проекция вектора p на плоскость площадки обозначается τ и называется касательным напряжением.

Соответственно деформация, обусловленная нормальным напряжением и совпадающая с ним по направлению, обозначается ε и называется нормальной, а деформация γ называется касательной деформацией или деформацией сдвига.

Способность твердого тела оказывать сопротивление разрушению от внешнего механического воздействия называется его прочностью. При разрушении рвутся связи между частицами кристаллической структуры, не меняя агрегатного состояния вещества. Прочность оценивается по предельным напряжениям, которые могут быть созданы в опасном сечении твердого тела.

Основные модели твердых тел следующие:
1. Идеальное упругое тело или тело Гука, деформация которого прямо пропорциональна соответствующему напряжению. При рассмотрении моделей использованы деформации сдвига и касательные напряжения, тогда
   γ = τ / G,где γ – деформация сдвига;
   τ – касательные напряжения;
   G – модуль деформации (упругости) при сдвиге.
2. Идеальное упругопластическое тело деформируется упруго в области τ < τs, где τs – касательные напряжения, соответствующие пределу текучести материала куба, а при τ = τs деформируется пластически при постоянных напряжениях (τ = τs = const, γ → ∞).
3. Упругопластическое упрочняющееся тело отличается от идеального упругопластического тела только тем,
   что при τ > τs для приращения пластической деформации необходимо увеличивать напряжения.
4. Вязкое тело или тело Ньютона описывает зависимость скорости деформирования от напряжения, а именно
   dγ / dt = τ / η,где t – время; η – коэффициент вязкости твердого тела.

Виды и классы разрушения твердых тел

Разрушение называется хрупким, если необратимая (пластическая) деформация, предшествующая разрушению, практически отсутствует, но четко выражены поверхности разрушения. Разрыв – второй вид разрушения, при котором отсутствует поверхность разрушения, например, в результате пластической деформации растяжения сечение твердого тела уменьшается до исчезающе малых размеров. Хрупкое разрушение и разрыв являются предельными видами разрушения.

Пластическое разрушение – это промежуточный вид, который характеризуется значительной пластической деформацией, предшествующей разрушению, и явно выраженной поверхностью разрушения.

Рис. 1. Зависимости деформаций сдвига от касательных напряжений для хрупких (а), хрупко-пластичных (б) и пластичных (в) твердых тел и области их деформирования:
I — упругая; II — пластичная с упрочнением; III — пластичная с разупрочнением (разрушение)

Хрупкие твердые тела отнесены к первому классу (рис. 1, а). Они деформируются линейно до момента их разрушения.

Хрупко-пластичные твердые тела отнесены ко второму классу (рис. 1, б). Вторая область характеризуется пластическим деформированием при увеличивающемся напряжении (упрочнении). Третья область характеризуется пластическим деформированием при уменьшающемся напряжении. Говорят, что имеет место разупрочнение материала.

Прочность твердого тела в этом случае описывают двумя показателями: пределом прочности τс и пределом текучести τs.

Пластичные твердые тела (рис. 1, в) деформируются сначала упруго (первая область), затем пластически (вторая область), а разрушение не происходит. Такие горные породы отнесены к третьему классу и их прочность характеризуется только пределом текучести.

Напряженное состояние горных пород в недрах земли

Осредненные напряжения в горных породах называются горным давлением, которое характеризуется двумя компонентами: геостатическим давлением р_г и боковым давлением р_б.

Горные породы не являются идеально упругими твердыми телами, и в них в разной степени проявляется их вязкость, которая обусловливает такие процессы, как релаксация напряжений и ползучесть.

Осадочные породы представляют собой двухкомпонентные системы – твердый скелет и флюид, заполняющий поры, каверны и открытые трещины между элементами скелета. Естественное давление флюида в породах-коллекторах принято называть пластовым, а в непроницаемых породах – поровым.

Схемы воздействия элементов вооружения породоразрушающих инструментов на горную породу при бурении

По принципу воздействия на горную породу все механические породоразрушающие инструменты для бурения скважин можно разделить на режуще-скалывающие, дробящие и дробяще-скалывающие.

Из схемы видно, что элемент вооружения долота, перемещаясь со скоростью v_t, срезает (скалывает) горную породу.

Рис. 2. Схемы воздействия элементов вооружения породоразрушающих инструментов на горную породу при бурении: а — резание—скалывание; б — дробление; в — дробление—скалывание.

Долотом дробящего действия (рис. 2, б) наносятся прямые удары по поверхности забоя скважины.

Еще сложнее схема взаимодействия элементов вооружения дробяще-скалывающих долот (рис. 2, в). Зуб долота вдавливается в породу силой P_z и одновременно участвует в обусловленных кинематикой долота скольжении со скоростью v_t и вращении с угловой скоростью ω. В это же время соседний зуб движется к поверхности породы со скоростью v_y и наносит удар по поверхности породы. В следующие моменты времени нагрузка перераспределяется с первого зуба на второй, и далее первый зуб выходит из контакта с горной породой.

Элементы вооружения породоразрушающих инструментов имеют различную конфигурацию рабочей поверхности. В одних случаях это резцы с плоской или скругленной поверхностью режущей кромки, в других – зубья в виде клина с плоской или скругленной вершиной, а в третьих – штыри (зубки) со сферической головкой. Выбор формы рабочей поверхности подчинен проблемам обеспечения высокой интенсивности разрушения горной породы и достаточных прочности и износостойкости элементов вооружения.

Понятие о твердости

Твердость – это сопротивление, которое оказывает испытуемое тело при внедрении в него другого, более твердого тела.

Мерой твердости в технике является давление на поверхности контакта индентора, соответствующее достижению под индентором предельного состояния испытываемого материала.

Инденторы для испытания материалов на твердость классифицируются по виду их рабочей поверхности:
1. острые, например, конус для определения твердости по Роквеллу, пирамида Виккерса для определения твердости по Виккерсу и микротвердости минералов или материалов деталей весьма малых размеров;
2. сферические, например, шарик для определения твердости по Бринеллю;
3. с плоской рабочей поверхностью, например, цилиндрический штамп с плоским основанием для измерения твердости по Л.А. Шрейнеру.

Рис. 3.

Наиболее удобной геометрической формой индентора является цилиндрический штамп с плоским основанием (рис.3, а). Метод вдавливания штампа позволяет не только определять твердость горных пород, но и оценивать их упругие и пластические характеристики на небольших образцах и на кернах, извлекаемых в процессе бурения скважин с различных глубин залегания.

Рис. 4. Характерные графики зависимости нагрузки на штамп от глубины его вдавливания для пород:
а — хрупких, б — пластично-хрупких, в — высокопластичных и сильно пористых.

Обработка результатов испытаний. Горные породы по характеру зависимости нагрузки на штамп от глубины его внедрения делятся на три класса: I – хрупкие, II – пластично-хрупкие, III – высокопластичные и сильно пористые.

Л.А. Шрейнер предложил все горные породы по их твердости и пределу текучести по штампу разделить на 12 категорий.

Основные сведения об абразивности горных пород и изнашивании металлов

В горном деле под абразивностью горных пород понимают их способность изнашивать металлы при трении.

Изнашивание – процесс преимущественно механический (усталостные явления на поверхностях трения, их деформирование, царапание, резание), а поэтому показатели абразивности горных пород рассматриваются как показатели их механических свойств.

Под изнашиванием понимается постепенное изменение формы и размеров детали или инструмента в процессе работы. Результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения частиц твердого тела или остаточной деформации его поверхности, называется износом.

В технике используются, в основном, два показателя изнашивания:
1. интенсивность изнашивания – износ, приходящийся на единицу работы трения;
2. скорость изнашивания – износ в единицу времени a = W / t₀,
   где
   W – износ в любых единицах, например, в мг, мм, мм³ и т.д.;
   t₀ – время изнашивания твердого тела.

Вид и показатели изнашивания зависят от большого числа факторов, к основным из которых относятся: свойства трущихся поверхностей (шероховатость, соотношение твердостей), режим трения, вид и свойства среды, в которой работают детали или инструменты.

Режим трения характеризуется контактным давлением, скоростью относительного перемещения изнашиваемых поверхностей, характером приложения нагрузки, частотой взаимодействия и др.

Среда характеризуется, главным образом, смазывающей и охлаждающей способностями. Детали горного оборудования и инструмента чаще всего работают в воздушной среде, в воде и водных растворах, в среде углеводородных жидкостей (масла, буровые растворы на нефтяной основе), а также в различных эмульсиях.

Абразивность горных пород обусловливает долговечность бурильного и породоразрушающего инструментов и, следовательно, оказывает большое влияние на выбор техники и технологии бурения. Для определения показателей абразивности применяют два метода: метод изнашивания эталонного стержня (метод «сверления») и метод изнашивания вращающегося диска.

Метод изнашивания вращающегося диска разрабатывался по инициативе Л.А. Шрейнера применительно к работе инструментов с периодическим контактом элементов вооружения с забоем, характерным для шарошечных инструментов.

Рис. 5.

Образцы металла 1 (см. рис. 5) готовят из долотных сталей или твердого сплава, т.е. из того металла по отношению к которому определяют абразивность горной породы.

К группе высокоабразивных горных пород относят карбонатные и обломочные отложения с примесью кварца и халцедона песчаной фракции, алевролиты и мелкозернистые песчаники. Средне- и крупнозернистые кварцевые песчаники относятся к 12 категории.

Вопросы для подготовки к госэкзамену по специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин»

Ответ на вопрос: «Что понимается под режимом бурения и какова методика его оптимизации?»

Режим бурения – это сочетание факторов, определяющих скорость и стоимость проходки конкретного интервала горных пород, выделенного как режимная пачка.

Режимная пачка – это непрерывный интервал бурения, в котором геолого-технологические условия принимаются постоянными, независящими от глубины залегания горных пород в пределах пачки. Такие интервалы имеют и другое название – пачки одинаковой буримости горных пород.

Режим бурения это сочетание таких параметров, которые влияют на показатели работы долота и которые бурильщик может оперативно изменять с поста управления.

Основными факторами, определяющими режим вращательного бурения, являются:
1. тип и класс породоразрушающего инструмента;
2. режим работы породоразрушающего инструмента;
3. способ вращения породоразрушающего инструмента.

Режим бурения, обеспечивающий получение наилучших технико-экономических показателей при данных условиях бурения, называется оптимальным. Иногда в процессе бурения приходится решать специальные задачи: проводку скважины через поглощающие пласты, обеспечение минимального искривления скважины, максимального выхода керна, качественного вскрытия продуктивных пластов. Режимы бурения, при которых решаются такие задачи, называются специальными.

Каждый параметр режима бурения по-своему влияет на эффективность разрушения горных пород, причем влияние одного параметра может зависеть от уровня другого, т.е. может наблюдаться их взаимное влияние.

При вращательном бурении режим работы долота принято задавать следующими параметрами:
1. осевой нагрузкой на долото, кН;
2. частотой вращения долота, об/мин;
3. количеством промывочной жидкости или воздуха, подаваемых на забой для выноса разрушенной горной породы и охлаждения инструмента, м³/с.

На взаимодействие долота с горными породами оказывают существенное влияние состав и параметры буровых растворов, которые проектируются, главным образом, в соответствии с геологическими условиями проводки скважин, а поэтому будут рассмотрены при проектировании их промывки.

При нагружении долота осевой нагрузкой G создается необходимое для разрушения горной породы напряженное состояние и осуществляется отбор энергии от вращающегося инструмента для обеспечения последовательного разрушения породы по всему забою. Осевая нагрузка G = g_iD,
где g_i – интенсивность осевой нагрузки, кН на 1 мм диаметра D долота.

Предельные значения g_i составляют 0,5–1,5 кН/мм, причем меньшим диаметрам долота соответствует нижний предел, а большим – верхний предел.

По частоте вращения различают три режима работы:
1. низкооборотное (роторное) бурение – n_д ≤ 90 об/мин;
2. при средних частотах вращения, в пределах которых выделяют два диапазона – 90 < n_д ≤ 250 об/мин; 250 < n_д < 450 об/мин; эти диапазоны реализуются при вращении долот объемными забойными двигателями и редукторными турбобурами и электробурами;
3. высокооборотное бурение – n_д ≥ 450 об/мин; реализуется при бурении с безредукторными турбобурами и электробурами.

Промывка или продувка скважины должны обеспечивать полное и своевременное удаление шлама с забоя и из скважины, а также обеспечивать работу гидравлических забойных двигателей.

Расход бурового раствора предварительно подбирается из этих трех условий:
1. из условия очистки забоя определяется расход Q₁ = q_уд · F_з,
   где q_уд – удельный расход бурового раствора, м³/(с⋅м²) или м/c; F_з – площадь забоя скважины.
2. из условия подъема шлама в кольцевом зазоре между бурильными трубами и стенкой скважины определяется расход Q₂ = u · F_к,
   где u – необходимая скорость восходящего потока жидкости, м/с; F_к – площадь кольцевого зазора.
3. из условия обеспечения работы гидравлического забойного двигателя определяется расход
   
   где M_д – крутящий момент, необходимый для вращения долота; k_з – параметр забойного двигателя.

Стойкость или долговечность долота, характеризующаяся временем механического бурения долотом до его полного износа, обозначается буквой T и измеряется в числах.
Показатели H и T первичные, по ним определяют другие, более сложные показатели. Отношение H / T = v_м получило название механической скорости проходки (бурения), измеряется в м/ч и характеризует среднюю скорость разрушения горной породы.

Для характеристики общего темпа углубления скважины используется показатель, называемый рейсовой скоростью v_р:

где T_сп — время на спуск и подъем инструмента для смены долота; T_в — время на вспомогательные работы, отнесенные к рейсу.

Наиболее общий интегральный показатель работы долота — себестоимость 1 м проходки. Однако из-за сложности расчета этот показатель пока не нашел широкого применения. Взамен используется показатель стоимости 1 м проходки по затратам, зависящим от времени. Этот показатель рассчитывается по формуле
стоимость эксплуатации буровой установки в течение — стоимость долота с учетом снабженческих наценок.

Критерии оптимизации имеют вид v_р → max и c → min. c → min.

В настоящее время сопоставление новых и применяемых (базовых) вариантов долот и режимов их работы регламентируется типовой методикой ВНИИБТ, которой предусматриваются параллельные испытания вариантов и их сравнение по критерию c → min. Для принятия решения проводится оценка статистической значимости различия вариантов одним из методов статистики.

Вопросы для подготовки к госэкзамену по специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин»