Технология бурения с управлением забойным давлением в системе «скважина - пласт»
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Бабаян Эдуард Вартанович
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 308
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Специалитет
ISBN: 978-5-9729-0609-3
Артикул: 766654.01.99
Представлена технология бурения скважин с управлением дифференциальным давлением разной направленности в системе «скважина - пласт». Предложены способы поддержания минимального, положительного и отрицательного значения дифференциального давления для влияния на механическую скорость проходки, проходку на долото, снижение вероятности осложнений и аварий. Подробно изложена технология производства, включающая циркуляционные системы, газогенераторное оборудование, устьевое оборудование и измерительную аппаратуру для управления скважиной при наличии постоянного притока пластового флюида. Для составителей проектов на строительство скважин и непосредственных их исполнителей. Может быть полезно студентам и аспирантам, изучающим нефтегазовое дело.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 21.03.01: Нефтегазовое дело
- ВО - Специалитет
- 21.05.02: Прикладная геология
- 21.05.03: Технология геологической разведки
- 21.05.04: Горное дело
- 21.05.05: Физические процессы горного или нефтегазового производства
- 21.05.06: Нефтегазовые техника и технологии
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Э. В. БАБАЯН ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ С УПРАВЛЕНИЕМ ЗАБОЙНЫМ ДАВЛЕНИЕМ В СИСТЕМЕ «СКВАЖИНА – ПЛАСТ» Учебное пособие Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021 1
УДК 622.24
ББК 33.131
Б12
Рецензенты:
профессор, директор Института нефти, газа и энергетики КубГТУ,
заведующий кафедрой нефтегазового дела,
горный инженер Д. Г. Антониади;
кандидат технических наук, доцент кафедры
нефтегазового дела КубГТУ С. В. Усов
Б12
Бабаян, Э. В.
Технология бурения с управлением забойным давлением в системе
«скважина – пласт» : учебное пособие / Э. В. Бабаян. – Москва ; Вологда :
Инфра-Инженерия, 2021. – 308 с. : ил., табл.
ISBN 978-5-9729-0609-3
Представлена технология бурения скважин с управлением дифференциальным давлением разной направленности в системе «скважина – пласт». Предложены способы поддержания минимального, положительного и отрицательного значения дифференциального давления для влияния на механическую скорость проходки, проходку на долото, снижение вероятности осложнений и аварий. Подробно изложена технология производства, включающая циркуляционные системы, газогенераторное оборудование, устьевое оборудование и измерительную аппаратуру для управления скважиной при наличии постоянного
притока пластового флюида.
Для составителей проектов на строительство скважин и непосредственных их исполнителей. Может быть полезно студентам и аспирантам, изучающим нефтегазовое дело.
УДК 622.24
ББК 33.131
ISBN 978-5-9729-0609-3
Бабаян Э. В., 2021
Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ................................................................................................................... 6 Глава 1. Репрессия ...................................................................................................... 11 1.1. Зависимость механической скорости бурения от перепада давления и свойств бурового раствора ....................................................................... 11 1.2. Плотность бурового раствора ............................................................................... 20 1.3. Показатели свойств буровых растворов .............................................................. 34 1.4. Структурная вязкость и динамическое напряжения сдвига .............................. 39 Глава 2. Контроль забойного давления .................................................................. 41 2.1. Прогнозирование импульсного давления ............................................................ 41 2.2. Первые решения ..................................................................................................... 43 2.3. Определение давления под долотом при равномерном движении колонны труб ............................................................................................... 46 2.4. Инерционная составляющая ................................................................................. 50 2.5. Экспериментальные исследования по изучению гидродинамических давлений ...................................................................................... 51 2.6. Влияния сжимаемости и релаксации напряжений .............................................. 57 2.7. Промысловые исследования забойного давления при движении труб ........................................................................................................ 63 Глава 3. Повреждения продуктивных пластов ..................................................... 75 3.1. Факторы и механизмы, изменяющие проницаемость призабойную зону пласта (ПЗП) .................................................................................. 75 3.2. Схематизация поражения пласта .......................................................................... 81 3.3. Аналитические методы оценки продуктивности коллекторов ......................... 92 Глава 4. Бурение скважин с притоком пластового флюида ............................... 96 4.1. Особенности технологии бурения скважин при депрессии .............................. 96 4.2. Цели бурения .......................................................................................................... 98 4.2.1. Максимизация нефтеотдачи .......................................................................... 99 4.2.2. Минимизация осложнений при бурении, связанных с давлением .............................................................................................................. 100 4.3. Критерии выбора технологии углубления скважины с управляемым забойным давлением ........................................................................ 102 4.4. Система квалификации для бурения на депрессии .......................................... 110 4.5. Выбор коллектора для бурения на депрессии ................................................... 111 4.5.1. Устойчивость коллектора при бурении на депрессии .............................. 113 4.5.2. Выбор конструкции забоя скважины .......................................................... 116 4.5.3. Исследование пластов-коллекторов ........................................................... 117 4.6. Буровые растворы ................................................................................................ 118 4.6.1. Газообразные смеси ...................................................................................... 119 4.6.2. Аэрозольные системы .................................................................................. 120 4.6.3. Пенные системы ............................................................................................ 120 4.6.4. Газожидкостные системы ............................................................................ 122 4.6.5. Однофазные растворы .................................................................................. 123 3
4.6.6. Газированные системы ................................................................................. 123 4.6.7. Однофазные растворы .................................................................................. 128 4.7. Системы газлифтной эксплуатации ................................................................... 130 4.7.1. Соотношение газа и жидкости ..................................................................... 130 4.7.2. Впрыск в бурильную колонну ..................................................................... 131 4.7.3. Впрыск в затрубное пространство .............................................................. 133 4.7.4. Впрыск вспомогательную боковую колонну ............................................. 135 4.8. Экономические ограничесния ............................................................................. 137 Глава 5. Забойное давление при бурении на депрессии .................................... 140 5.1. Факторы, которые нужно учитывать при бурении на депрессии ................... 140 5.2. Забойное давление при бурении на депрессии с использованием однородной жидкости ................................................................. 142 5.3. Управление скважиной при бурении на депрессии однофазным потоком и постоянным притоком пластового флюида ........................................... 144 5.4. Многофазное течение .......................................................................................... 150 5.4.1. Забойное давление в затрубном пространстве и расход нагнетаемого газа .................................................................................... 150 5.5. Расчет газификации жидкости для статических условий ................................ 160 5.6. Скважинное оборудование для бурения на депрессии .................................... 169 5.6.1. Датчики измерения давления во время бурения ....................................... 169 5.6.2. Другие инструменты во время бурения на депрессии .............................. 170 5.6.3. Обратные клапана ......................................................................................... 171 5.6.4. Раскрываемые клапана ................................................................................. 172 Глава 6. Проектирование с отрицательным дифференциальным давлением в системе «скважина – пласт» ............................................................ 174 6.1. Расчет системы циркуляции ................................................................................ 174 6.2. Моделирование данных по скважине ................................................................ 177 6.3. Начало работ по бурению при отрицательном дифференциальном давлении .................................................................................... 181 6.4. Компоновка бурильной колонны ........................................................................ 183 6.5. Расчеты для воздуха и газа .................................................................................. 186 6.5.1. Статический столб газа ................................................................................ 186 6.5.2. Прямая циркуляция – течение вверх по кольцевому пространству (от забоя до выхода из скважины) ................................................ 187 6.5.3. Прямая циркуляция – течение вниз внутри колонны бурильных труб ....................................................................................................... 189 6.5.4. Обратная циркуляция – течение вверх по колонне НКТ .......................... 191 6.5.5. Обратная циркуляция – течение вниз по кольцевому пространству....... 194 6.5.6. Обратная циркуляция – внесение поправок и пластовое давление .............................................................................................. 196 6.6. Вынос шлама различными типами газов и буровых растворов ...................... 197 6.6.1. Бурение с продувкой увлажненным воздухом (туманом) ........................ 198 6.6.2. Бурение с промывкой пенообразным материалом .................................... 201 6.6.3. Газированные системы ................................................................................. 204 6.6.3.1. О скорости проходки ............................................................................. 204 6.6.3.2. Вынос шлама газированными жидкостями ........................................ 207 4
6.7. Поток на выходе. Газосепаратор ........................................................................ 210 6.8. Система факельного сжигания............................................................................ 216 6.9. Прогнозирование и мониторинг эрозии ............................................................ 218 6.10. Порядок работ при наращивании бурильного инструмента .......................... 220 6.11. Стационарный клапан – отсекатель ................................................................. 221 Глава 7. Наземное оборудование для бурения на депрессии ............................ 224 7.1. Буровая система .................................................................................................... 224 7.2. Газогенерирующее оборудование ...................................................................... 225 7.3. Оборудование для управления скважиной ........................................................ 227 7.4. Системы спуска и подъема под давлением ....................................................... 233 7.5. Принудительный спуск труб в скважину (нагрузка на трубы) ....................... 235 7.6. Система вращающихся диверторов .................................................................... 246 7.7. Блок дросселирования ......................................................................................... 248 7.8. Система САУД ..................................................................................................... 250 7.9. Верхний привод .................................................................................................... 251 7.10. Выбор бурового насоса ...................................................................................... 253 7.11. Выбор сепараторов для фазового разделения газожидкостной смеси ......... 254 7.12. Циркуляционная система закрытого типа для бурения в депрессионных условиях ......................................................................................... 759 Глава 8. Заканчивание пробуренных на депрессии скважин ......................... 272 Глава 9. Управление скважиной при бурении на депрессии (UBD) ............... 279 9.1. Стратегия управления скважиной ...................................................................... 279 9.2. Глушение скважины с использованием наземных блоков в противовыбросовых превенторов (обычная циркуляция) ................................... 281 9.3. Глушение скважины с вытеснением пластового флюида в пласт из кольцевого пространства .......................................................................... 283 9.4. Управление скважиной при неконтролируемом притоке пластового флюида ..................................................................................................... 284 Глава 10. Аспекты безопасности ............................................................................ 288 10.1. Основные положения в случае UBD ................................................................ 288 10.2. Вопросы безопасности требующие внимание ................................................ 289 10.2.1. Вопросы, относящиеся к внутрискважинным условиям и характеристикам пласт ........................................................................................ 289 10.2.2. Вопросы, относящиеся к поверхностному оборудованию и контрольно-измерительной аппаратуре ............................................................ 290 10.2.3. Вопросы, относящиеся к методам управления скважиной .................... 292 10.2.4. О многофазном потоке в кольцевом пространстве ................................. 294 10.2.5. Соображения, связанные с окружающей средой ..................................... 296 10.3. Обучение буровой бригады ............................................................................... 297 10.4. Ограничения ....................................................................................................... 298 Литература ................................................................................................................... 302 5
ПРЕДИСЛОВИЕ Ни одна новая технология при бурении, освоении и капитальном ремонте скважин не осуществляется без предварительного расчета величины дифференциального давления в системе «скважина – пласт». В начале, когда началось массовое бурение скважин глубиной свыше 1500 м, было замечено, что со снижением плотности бурового раствора, а значит дифференциального давления, существенно увеличивается механическая скорость проходки и замедляется износ породоразрушающего инструмента. А в последствии, влияния этой величины на возникновение осложнений, трудностей вызова притока и его несоответствию ожидаемым дебитам. По установлению, что основной причины прихвата бурового инструмента является дифференциального давления, то его уменьшение до минимально возможной величины, позволило снизить аварийность в бурении. Соответствие качества бурового раствора разрушаемой породе, и что очень важно, своевременный и контролируемый ввод смазывающей добавки, проблема прихватов бурильного инструмента была решена, а ликвидация единичных случаев прихвата не столь затруднительной. Но отказаться от необходимости иметь регламентированную величину превышения гидростатического давления столба бурового раствора над пластовым давлением остается невозможным. Как правило, скважины бурят на репрессии (overbalanced drilling). При подъеме бурильной колонны забойное давление также должно быть выше пластового, чтобы не допускать притока пластового флюида Рпл < Pзаб = Ргидрост – – Рдин. Поскольку это первое и самое важное ограничение, что удерживает неуправляемое поступление пластового флюида, и возможным открытым фонта6
нированием. Правила безопасности регламентируют 5% превышение гидростатическое давление столба бурового раствора над пластовым давлением, т. е. Рпл < Pзаб = Ргидрост. Но бурение осуществляется при наличие гидравлических потерь по затрубному пространству Рпл < Pзаб = Ргидрост +Ртрение . При таком достаточно высоком дифференциальном давлении иметь эффект увеличения скорости проходки, можно только, если понизить плотность бурового раствора. На момент остановки циркуляция Pзаб = 1,05 Рпл. Но в дальнейшем при подъеме долота забойное давление будет снижаться за счет гидродинамических потерь Pдин, и когда Pдин > 0,05 Рпл, то, если вскрыт коллектор, возможно поступление пластового флюида. Ситуация в практике бурения скважин достаточно частая, и при не принятии своевременных мер, приводит к катастрофическим последствиям. Но все же снижение репрессии – это прямой путь к снижению затрат на строительство скважин. Надежность противовыбросового оборудования и использование вращающегося превентора, установок по спуску и подъему труб при избыточном давлении на устье скважины, проверенная технология управления скважиной при газонефтеводопроявлениях в различных горногеологических условиях позволило создать технологию с пониженным забойным давлением против пластового давления. Эффективное давление в скважине при циркуляции бурового раствора при бурении на депрессии (UBD – underbalanced drilling) складывается из трех величин: гидростатического давления столба жидкости, потерям давления на трение в кольцевом пространстве и избыточному давлению, действующему на поверхности, таким образом Рпл > Pзаб = Ргидрост +Ртрение + Рштуцер . Повреждение продуктивных пластов в ходе бурения – твердые частицы бурового раствора и не своевременно удаленной выбуренной породы, могут перекрывать поры, пустоты, а также трещины естественного или искусственного происхождения. Фильтрат бурового раствора может также вторгаться в зоны, содержащие углеводородное сырье, тем самым изменяя смачиваемость пласта 7
или вызывая эмульсионное или водное закупоривание пути движения флюидов в скважину. Глубина и величина повреждения призабойной зоны продуктивного пласта зависит от величины дифференциального давления. Снижение репрессии при вскрытии продуктивного пласта – прямой путь сохранения естественной продуктивности пласта. Многочисленные геофизические измерения показали, что глубина проникновения фильтрата бурового раствора в низкопроницаемом коллекторе больше, чем в высокопроницаемом пласте. Эта зависимость объясняется временем формирования глинистой корки и ее проницаемостью. На коллекторе с низкой проницаемостью формирование корки идет медленнее, она менее прочна, легко разрушается в результате механического воздействия бурового инструмента и потока жидкости. Случаи вымыва пластового флюида в небольших объемах в виде газированного бурового раствора с пленками нефти после спускоподъемных операций при вскрытых низкопроницаемых коллекторах свидетельствуют о длительности фильтрационных потоков из скважины в пласт и из пласта в скважину. Совсем другое наблюдается при вскрытие высокопроницаемых коллекторов, когда при небольших депрессиях (до 0,5–1,0 МПа) во время подъема инструмента, притока пластового флюида (нефти или воды) в небольших объемах не наблюдалось. По причине созданной плотной и низкопроницаемой глинистой корки. Но избежать выброса бурового раствора при вскрытом газовом пласте, и не догляде за изменением (уменьшением) расчетного объема долива затрубного пространства, даже при незначительной образовавшейся депрессии при подъеме инструмента и небольших объемах притока пластового флюида, не всегда удавалось. Буровая практика показала, что вскрытие коллекторов с низкой проницаемостью на безглинистом буровом растворе из-за отсутствия глинистой корки сопровождалось увеличением интенсивности притока из пласта во время спускоподъемных операций, в результате снижения забойного давления ниже пластового за счет снятия гидравлических потерь после остановки промывки и отрицательных гидродинамических давлений обусловленных движением труб. 8
Отсутствие малопроницаемой корки при вскрытии низкопроницаемых коллекторов верхнего олигоцена на месторождении Белый Тигр в СРВ приводило к необходимости иметь более высокую плотность безглинистого бурового раствора на 0,03–0,05 г/см3 для предотвращения притока по сравнению с обычным буровым раствором на глинистой основе. Нетрудно сделать вывод, что фильтрация из скважины в пласт и из пласта в скважину при вскрытом низкопроницаемом коллекторе происходит при отсутствии преграды, а именно полупроницаемой глинистой корки, а объем отфильтровывающийся жидкости зависит от длительности процесса и величины перепада давления в системе «скважина-пласт». Для снижения объема фильтрации из скважины в низкопроницаемый пласт необходимо снизить до минимума репрессию, а чтобы полностью предупредить загрязнение пласта необходимо иметь депрессию. Благодаря отрицательному дифференциальному напору удается избегать накопления фильтрационного осадка в пласте, а также вторжения в пласт бурового раствора и выбуренных твердых материалов, что способствует повышению производительности пласта и сокращению проблем возникающих при бурении. Экономические аспекты бурения при отрицательном дифференциальном давлении в системе «скважина – пласт» находятся в тесной связи со стоимостью такого бурения и его задачами. Несмотря на рост эксплуатационных расходов, связанных с необходимостью обеспечения дополнительного оборудования и квалифицированного персонала, используемых на скважине, требуется учесть возможность повышения производительности и сокращения числа проблем, возникающих при бурении на репрессии. Из имеющегося опыта можно отметить, что на сегодняшний день бурение скважин при отрицательном давлении обходится на 20–30% дороже, нежели бурение при повышенном гидростатическом давлении. Вместе с тем, расходы не являются достаточным мерилом преимуществ, которые сулит UBD. Увеличение продуктивности скважины в 2–3 раза в течение года, пробуренной на 9
депрессии позволит иметь чистую прибыль с учетом дополнительных вложений. Случаев проблем с бурением и с заканчиванием скважин без применения UBD множество, а в истощенных пластах повреждение стенок скважины исключает возможность заканчивания скважин без UBD. При проектировании скважины предлагается задаваться величиной забойного давления. Забойное давление не должно значительно отличаться от порового давления вскрываемых пластов. Известно, что слишком большое превышение скважинного давление над пластовым давлением становится причиной гидроразрыва пласта, с последующим поглощением бурового раствора, прихвата бурильной колонны, повреждением призабойной зоны продуктивного пласта. Снижение положительного значения дифференциального давления при бурении на репрессии является главной причиной увеличения механической скорости проходки, но при этом гораздо проще сохранить устойчивость стенок скважины. Вероятность прихвата бурового инструмента снижается, так же как и поглощения буровой жидкости. Снижение положительной величины дифференциального давления и перехода в область отрицательного значения становится технологической необходимостью для условий, которые чаще всего встречаются на глубинах более 3500 м, когда диапазон допустимых колебаний забойного давления (по отношению к пластовому) находится в пределах 1,04–1,14. Поскольку при репрессии на пласт менее 4% возможно поступление пластового флюида в скважину (проявление), а репрессия на пласт более 10% приводит к поглощению бурового раствора. Обязательным мероприятием перед началом буровых работ – персонал буровой бригады должен пройти обучение по технике и технологии бурения с регулируемым (заданным) положительном и отрицательным дифференциальным давлением). 10