Ответ на вопрос: «Принципиальная схема одноступенчатого цементирования. Как и почему изменяется давление в цементировочных насосах, участвующих в этом процессе во времени?»
По этому способу после завершения подготовительных работ в колонну вводят нижнюю пробку с проходным каналом, временно перекрытым диафрагмой.
На верхний конец колонны навинчивают цементировочную головку и приступают к закачке тампонажного раствора, который тут же приготавливают в смесительной установке. Когда весь расчетный объем цементного раствора закачан в скважину, освобождают верхнюю пробку, которая до этого удерживалась в цементировочной головке шпильками.
Начиная с этого момента в обсадную колонну подают продавочную жидкость, под давлением которой верхняя пробка гонги: вниз столб цементного раствора. Вследствие своей более высокой плотности цементный раствор под собственным весом вытесняет промывочную жидкость, что отмечается по падению давления на цементировочной головке.
Как только нижняя пробка достигнет упорного кольца, давление над ней повысится и под его воздействием диафрагма, перекрывающая канал в нижней пробке, разрушится: при этом наблюдается повышение давления на 4…5 МПа. После разрушения диафрагмы раствору открывается путь в затрубное пространство.
Объем продавочной жидкости, закачанной в скважину, непрерывно контролируют.
Когда до окончания продавки остается 1…2 м3 продавочной жидкости, интенсивность подачи резко снижают. Закачку прекращают, как только обе пробки (верхняя и нижняя) войдут в контакт: этот момент отмечается по резкому повышению давления на цементировочной головке. В обсадной колонне под упорным кольцом остается некоторое количество раствора, образующего стакан высотой 15…20 м. Если колонна оснащена обратным клапаном. можно приоткрыть краны на цементировочной головке и снизить давление.
Цементирование по этому способу осуществляется в тех случаях, когда скважина не имеет осложнений. Перекрываемые пласты не поглощают раствор, высота перекрытия ствола скважины цементным раствором позволяет цементировать при однократной подаче цементного раствора.
Ответ на вопрос: «Принципиальная схема опробования продуктивного горизонта с помощью пластоиспытателя на трубах. Диаграмма глубинного манометра, установленного на фильтре».
Пакер, предназначен для герметичного разобщения опробуемого участка в разрезе скважины от остального ствола.
Чаще всего используется цилиндрические пакеры механического действия с опорой на забой. Принцип действия этих пакеров заключается в том, что при упоре фильтра-хвостовика в забой скважины на остов пакера действует сжимающее усилие, которое деформирует резиновый элемент пакера до соприкосновения его со стенками скважины.
Фильтр-хвостовик предназначен для пропуска жидкости из подпакерного пространства скважины в полость опробователя и предотвращения поступления вместе с ней твердых частиц (шлама, содержащегося в промывочной жидкости, и песка, выносимого пластовым флюидом из опробуемого горизонта). Поэтому ширина щелей мала и не превышает обычно 3-5 мм.
В состав ИПГ входят узлы:
впускной клапан золотникового типа, при открытии которого сообщается внутренняя полость бурильных труб с зоной опробования;
уравнительный клапан, предназначенный для выравнивания давлений выше и ниже пакера до и после опробования;
гидротормозная камера, которая обеспечивает открытие впускного клапана ИПГ после закрытия уравнительного клапана и деформации резинового элемента пакера;
шток и корпус, в которых размещены перечисленные выше устройства и с посредством которых передаются осевые усилия и вращающий момент от колонны труб узлам КИИ.
Шток может перемещаться вдоль корпуса (ход ИПГ — 200 мм) и имеет шлицевое зацепление с корпусом для передачи крутящего момента. Между верхним переводником и штангой устанавливается сменный штуцер для регулирования интенсивности притока. Гидротормазная камера не допускает преждевременного открытия впускного клапана при “посадке” инструмента во время спуска КИИ и предупреждает преждевременное открытие его на забое при установке пакера.
Оборудование должно обеспечивать возможность управления клапанными механизмами ИПТ для реализации открытых и закрытых периодов испытания, как путем вращения колонны бурильных труб, так и посредством их осевых перемещений.
При спуске-подъеме ИПГ впускной клапан закрыт, уравнительный клапан открыт. Раствор свободно перетекает из-под пакера в затрубное пространство над ним при спуске КИИ и в обратном направлении — при его подъеме.
При сжатии ИПГ шток его перемещается вниз и уравнительный клапан закрывается, а впускной клапан открывается, сообщая полость труб над ИПГ с подпакерным пространством скважины (испытуемым интервалом).
При приложении к ИПГ растягивающей нагрузки шток перемещается вверх. Закрывается впускной клапан и открывается уравнительный клапан. Промывочная жидкость над пакером через уравнительный клапан попадает под пакер. Давление над и под пакером выравниваются. Этой операцией обеспечиваются и нормальные условия для снятия пакера и подъема КИИ с забоя.
Дополнительные узлы КИИ
Запорные устройства применяются в комплектах с одноцикловыми (ИПГ) и многоцикловыми (МИГ) испытателями пластов с целью осуществления закрытого этапа опробования при открытом впускном клапане.
Циркуляционный клапан используют в комплекте КИИ для создания прямой или обратной циркуляции в любой момент проведения операции по испытанию скважин. Устанавливают клапан выше четвёртого манометра через 2-3 свечи бурильных труб.м клапане пластоиспытателя.
Работа КИИ на забое
В момент открытия впускного клапана противодавление на опробуемый горизонт резко снижается (оно соответствует давлению столба жидкости внутри колонны бурильных труб). Под действием разности между пластовым давлением и давлением столба жидкости в трубах пластовый флюид из пласта перемещается сначала в зону испытания, а через фильтр и впускной клапан — внутрь колонны. Этот этап опробования называется открытым, в течение которого осуществляется приток пластового флюида.
По истечении открытого периода испытания движение пластового флюида в трубы закрывается для регистрации восстановления пластового давления. Для этого вращением или растяжением колонны труб закрывается запорный клапан, разобщая полость колонны труб с поступившим в нее флюидом от подпакерной зоны. Этот этап опробования называется закрытым. (одноцикловой ИПГ) (многоцикловой МИГ)
О негерметичности колонны можно судить по диаграмме 4 манометра, т.к. в период спуска будет зафиксировано увеличение давления во времени, тогда как при герметичности колонны давление должно оставаться неизменным (при условии, что не используются устройства, автоматически заполняющие жидкостью колонну бурильных труб).
Если негерметичен впускной клапан, то на диаграмме третьего манометра: будет зафиксирован рост давления не с момента открытия клапана, а еще в период спуска ИПТ в скважину; в период же подъема из скважины, напротив, он зарегистрирует снижение давления.
Сопоставляя диаграммы, записанные манометрами, установленными в разных сечениях ИПТ, между собой и с диаграммами, которые должны быть записаны в случае применения исправного комплекта ИПТ и герметичной пакеровки, можно выяснить места и причины неисправностей реально применяемого комплекта МИГ, а также причины нарушения нормального хода опробования.
Искажения формы диаграмм могут быть связаны также с особенностями опробуемого горизонта. Так, если опробуемый горизонт оказался «сухим», то 1, 2 и 3 манометры в открытые и закрытые периоды опробования будут регистрировать лишь давление столба жидкости, которая заполнит испытатель из колонны труб после открытия впускного клапана.
Ответ на вопрос: «Выбор типа долота и режима бурения: этапы и критерии выбора, способы получения информации и ее обработки для установления оптимальных режимов, ограничения величины параметров».
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.
Основными факторами, определяющими режим вращательного бурения, являются:
тип и класс породоразрушающего инструмента;
режим работы породоразрушающего инструмента;
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.
Режим работы долота
При вращательном бурении режим работы долота принято задавать следующими параметрами:
осевой нагрузкой на долото, кН;
частотой вращения долота, об/мин;
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 = gi · D,
где gi — интенсивность осевой нагрузки, кН на 1 мм диаметра D долота. Предельные значения gi составляют 0,5-1,5 кН/мм, причем меньшим диаметрам долота соответствует нижний предел, а большим — верхний предел.
Следует отметить, что породоразрушающие инструменты, оснащенные алмазно-твердосплавными пластинками и резцами, эксплуатируются при нагрузках на порядок меньших, чем шарошечные долота.
при средних частотах вращения, в пределах которых выделяют два диапазона — 90 < nд < 250 об/мин; 250 < nд < 450 об/мин; эти диапазоны реализуются при вращении долот объемными забойными двигателями и редукторными турбобурами и электробурами;
высокооборотное бурение — nд > 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.
Показатели работы долота
Производительность долота принято характеризовать длиной ствола скважины, пробуренного долотом до его полного износа. Этот показатель называется проходка на долото, обозначается H и измеряется в метрах.
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 = vм 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 vр:
vр = H / (T + Tсп + Tв),
где Tсп — время на спуск и подъем инструмента для смены долота; Tв — 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
C = (cу · (T + Tсп + Tв) + cд) / H
Критерии оптимизации имеют вид vр → 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.
Разделение разреза месторождения на пачки примерно одинаковой буримости. Буримость горных пород и методы ее оценки
Способ «реперных» долот разработан во ВНИИБТ и предполагает выделение пачек по величинам проходки на долото.
В качестве «реперного» принимают тип долота, которым преимущественно разбуриваются сравниваемые интервалы пород при одном и том же режиме его работы. Это дает основание считать, что проходка на «реперное» долото зависит только от буримости горной породы рассматриваемых интервалов. В установленном порядке составляются вариационные ряды показателей работы «реперного» долота для сравниваемых интервалов и одним из статистических методов оценивается значимость различия характеристик вариационных рядов. Если различие статистически незначимо, то сравниваемые интервалы объединяются в одну режимную пачку.
Последовательность разделения разреза на пачки
В соответствии с конструкцией скважины выделяются границы пачек на глубинах спуска обсадных колонн.
По виду применяемой промывочной жидкости.
Полученные интервалы бурения делятся на режимные пачки одним из названных выше способов.
Интервал бурения под кондуктор на пачки не делят, так как он проходится, как правило, одним долотом. При бурении наклонных и горизонтальных скважин желательно выделять интервалы бурения с отклоняющими приспособлениями в отдельную пачку.
Основные закономерности разрушения горных пород шарошечными долотами
Зависимости начальных характеристик разрушения горных пород от осевой нагрузки на долото
Рис. Зависимости интенсивности (1), энергоемкости (2) и коэффициента динамичности (3) разрушения мрамора от безразмерной нагрузки при бурении на стенде долотом 215,9С-ГВ
В реальных условиях бурения повышение нагрузки на долото должно быть не непрерывным, а дискретным, соответствующим минимумам энергоемкости разрушения. Эти нагрузки на долото являются оптимальными в пределах каждой области разрушения.
Влияние частоты вращения долота на начальную механическую скорость проходки
Рис. Влияние частоты вращения долота на интенсивность разрушения горных пород
Отсюда следует, что с ростом пластичности горных пород отрицательное влияние частоты вращения долота на интенсивность разрушения горных пород увеличивается.
Влияние колебаний бурильного инструмента проходки на механическую скорость
Поэтому задачи снижения вредного влияния и полезного использования энергии колебаний инструмента весьма актуальны. С этой целью разрабатываются амортизаторы, калибраторы и резонаторы. Первые два устройства предназначены для снижения отрицательного влияния колебаний, а последнее для ее полезного использования.
Калибраторы уменьшают амплитуду поперечных колебаний нижней части бурильного инструмента и повышают устойчивость работы долот, а именно обеспечивают вращение долота вокруг их геометрической оси и расчетное взаимодействие вооружения с горной породой.
Амортизаторы включаются в компоновку нижней части бурильного инструмента и поглощают значительную часть энергии колебаний, распространяющихся вверх по бурильному инструменту, снижая его износ и проявление усталостных эффектов. Изменение режима работы бурильного инструмента приводит и к повышению равномерности нагружения породоразрушающих инструментов, что, в конечном счете, обеспечивает улучшение показателей их работы.
Влияние промывочной жидкости на механическую скорость бурения
Промывочные жидкости предназначены для очистки забоя от выбуренной горной породы (шлама), выноса шлама из скважины, охлаждения, очистки и смазывания скважинных инструментов, регулирования напряжений в стенках скважины, создания противодавления пластовым флюидам, а также для обеспечения работы гидравлических забойных двигателей.
Одновременно промывка является третьим важнейшим фактором, определяющим режим работы породоразрушающих инструментов и их показатели. От количества жидкости, ее свойств и организации потоков на забое зависят полнота и своевременность очистки забоя, эффективность гидродинамического воздействия и степень проявления дифференциального давления.
Отсюда следует, что на показатели работы долота существенное влияние оказывают:
удельный расход промывочной жидкости (бурового раствора), который часто называют объемной скоростью, так как измеряется в м/с;
скорость истечения бурового раствора из промывочных отверстий или насадок долота;
форма и расположение промывочных отверстий;
организация и режим течения раствора относительно забоя;
показатели свойств бурового раствора.
Этапы и метод проектирования режима бурения
Геологические факторы характеризуются показателями прочностных, упругих, пластических и абразивных свойств горных пород, наличием твердых включений, сплошностью, пластовым давлением, глубиной и характером залегания и температурой.
Технологические факторы — параметрами режима работы долота, компоновкой бурильного инструмента и свойствами бурового раствора, к основным из которых относятся плотность, вязкость, фильтрационные свойства, содержание твердой фазы и смазочно-охлаждающая способность.
Субъективные факторы — квалификацией бурильщиков и членов буровой бригады, наличием опыта работы на рассматриваемом месторождении, состоянием технологической дисциплины.
Каждая характеристика должна быть описана численными показателями, так как только в этом случае можно ставить вопрос о создании математического описания процесса бурения.
Аналитические модели представляют собой математическое описание зависимостей параметров режима работы долота и его показателей от геометрических характеристик долота и показателей механических свойств горных пород. Возможности аналитических моделей весьма ограничены, так как остаются неучтенными очень большое число факторов.
При оптимизации технологии бурения в целом на месторождении применяют эмпирические модели, параметры которых определяются по данным промысловых экспериментов.
Наилучшие результаты получаются, если в начале разработки месторождения предусматривается бурение опорно-технологических скважин с постановкой активного эксперимента.
Эмпирическая модель называется интегральной, если она описывает зависимости итоговых результатов работы долота (проходки на долото, его стойкости, механической и рейсовой скоростей бурения и т.д.) от основных факторов.
Эмпирическая модель называется дифференциальной, если она описывает результаты работы долота и его изнашивание во времени.
На первом этапе в основе проектирования лежит литолого-петрографическое описание разреза, по которому подбирают аналогичные месторождения, разбуренные или находящиеся в стадии эксплуатационного бурения. Режим бурения ближайшего аналога принимается в качестве предварительного проектного.
На втором этапе в основу совершенствования режима принимаются результаты изучения разреза месторождения в процессе бурения первых скважин. На этом этапе весьма важно выбрать необходимый комплекс характеристик горных пород и разреза в целом и обеспечить получение представительных данных для последующих расчетов по уточнению перспективных типов долот и режимов их работы и отсеиванию неперспективных.
На третьем этапе проводится дальнейшее уточнение характеристик разреза и выбор перспективных вариантов, а по мере накопления статистической информации об их применении решается задача по выбору оптимальных вариантов по критериям, принятым на разбуриваемом месторождении.
Выбор типа долота по статистическим характеристикам твердости и абразивности горных пород
Долото для заданного интервала бурения (режимной пачки) должно удовлетворять следующим условиям:
соответствовать твердости горных пород;
обеспечивать наиболее высокую область разрушения пород по сравнению с альтернативными долотами;
вооружение шарошечного долота первого класса должно обеспечивать использование ресурса опоры, т.е. стойкость его вооружения при абразивном изнашивании должна быть не менее стойкости опоры.
При абразивном изнашивании эта оценка проводится только для долот первого класса. Долговечность вооружения долот второго класса много больше долговечности опор, так как износостойкость твердого сплава при трении об осадочные горные породы в 60—100 раз выше, чем закаленной стали.
Рис. Зависимости интенсивности (1), энергоемкости (2) и коэффициента динамичности (3) разрушения мрамора от безразмерной нагрузки при бурении на стенде долотом 215,9С-ГВ 