Технология очистки ствола наклонно направленной скважины от шлама при бурении в осложненных условиях

Актуальность проблемы. Важнейшим направлением повышения эффективности разработки месторождений и эксплуатации ПХГ стало строительство наклонно-направленных скважин, в том числе с горизонтальным окончанием ствола (НН и ГС). Результаты эксплуатации таких скважин однозначно доказали экономическую оправданность их бурения за счет кратного повышения их производительности. Горизонтальное вскрытие продуктивного пласта позволяет повысить коэффициент извлечения углеводородной продукции [50]. В настоящее время наклонно-направленное бурение получило широкое распространение, в том числе и на месторождениях со сложными инженерно-геологическими условиями проводки. В ряде случаев бурение скважин с горизонтальным окончанием ствола является единственно возможным способом разбуривания площадей, недоступных для размещения вертикальных скважин (вблизи и на территории населенных пунктов и т. п.). В последнее время такое бурение стало находить свое применение и в практике строительства ПХГ, в частности на территории Саратовской губернии. Одновременно с ростом объемов наклонно-направленного и горизонтального бурения стало расти и число научных публикаций по этой теме. Но эта литература пока не в состоянии дать ответ на некоторые вопросы, возникающие при проектировании и бурении НН и ГС. Значительное число публикаций носит чисто теоретический характер, затрудняющих возможность непосредственного применения исследований в практике бурения. Сложность решения ряда проблем, как, например, неполный вынос шлама при бурении и формы его скоплений на нижней стенке скважины, условия лавинного обрушения скоплений, поведение неустойчивых пластов в наклонном стволе и т. п., связана с принципиальным отличием процессов происходящих при бурении НН и ГС, в отличие от аналогичных, вертикальных. В значительной мере такие процессы зависят от конкретных условий геологического строения разбуриваемых месторождений. Научные работы, ставящие целью обоснование практических мероприятий по их регулированию, могут осуществляться только с учетом региональной привязки на основе стендовых испытаний, промысловых исследований с последующей апробацией в конкретных инженерно-геологических условиях. Представленная к защите работа является результатом именно такого исследования, проведенного соискателем для разработки новой технологии очистки от шлама ствола НН и ГС при бурении в осложненных условиях. Предпосылкой к постановке задачи поиска новых решений стала сложная научно-техническая проблема, возникшая при проводке первой экспериментальной горизонтальной скважины № 479 Елшано-Курдюмского ПХГ через пласт неустойчивых глинистых пород.

Отсутствие полного выноса выбуренной породы на дневную поверхность, непредсказуемость лавинообразных вывалов глин и шламовых скоплений, повторяющиеся прихваты бурильной колонны поставили под сомнение возможность бурения НН и ГС на Елшано-Курдюмской площади.

Проблема обеспечения совершенной очистки ствола НН и ГС от шлама потребовала поиска принципиально новых решений как теоретических, так и экспериментальных исследований в лабораторных и промысловых условиях.

Таким образом, актуальность диссертационной работы была обусловлена практической необходимостью решения вопросов, возникших при строительстве НН и ГС в осложненных условиях.

В свете изложенного разработка технологии очистки ствола НН и СГ от шлама, особенно в неустойчивых пластах, является весьма актуальной.

Актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, также подчеркивается ее соответствием отраслевому плану НИОКР РАО «Газпром» на 1998;1999 годы и договорам с СевКавНИПИгаз № 61Г/96.98, 64Г/98.99 «Разработать технические и технологические решения, направленные на повышение эффективности строительства скважин», в выполнении которых соискатель принимал непосредственное участие (задание 8 и 14).

Цель работы: Разработка технологии очистки ствола НН и ГС от шлама, предупреждающей возникновение осложнений при бурении в неустойчивых горных породах.

Поставленная цель достигалась в результате решения следующих задач исследования:

— обобщение и развитие представлений о процессе очистки ствола НН и ГС от шлама, в интервалах, сложенных неустойчивыми горными породами;

— создание стендовой установки и разработка методики проведения исследований процесса транспортирования шлама в наклонных и горизонтальных участках стволов скважин;

— исследование влияния угла наклона скважины на распределение транспортируемого шлама в кольцевом пространстве при различных режимах промывки;

— аналитическое исследование динамики движения частиц шлама в потоке бурового раствора в процессе очистки НН и ГС;

— исследование условий возникновения прихватов бурильной колонны и других осложнений при несовершенной очистке НН и ГС от шлама;

— разработка технологии очистки ствола НН иГС от шлама при бурении в осложненных условиях;

— определение эффективности применения разработанной технологии при бурении НН и ГС в осложненных условиях.

Научная новизна.

1. Выявлены закономерности накопления шлама на нижней стенке скважины в зависимости от зенитного угла наклона ее ствола.

2. Впервые определены оптимальные значения скорости восходящего потока бурового раствора, обеспечивающие качественную очистку наклонного ствола с зенитным углом более 40° в интервале залегания неустойчивых глинистых горных пород на Елшано-Курдюмской площади бурения.

3. Доказана необходимость использования специальных технологических приемов для обеспечения качественной очистки НН и ГС от шлама.

1. Впервые разработана технология и схема обвязки бурового оборудования, обеспечивающая качественную очистку ствола наклонной скважины от шлама с зенитным углом ее ствола более 40°.

Практическая значимость. Разработанная технология очистки стволов НН и ГС от шлама позволяет предупредить осложнения, возникающие при бурении в неустойчивых горных породах.

Основные защищаемые положения:

— методика проведения экспериментальных исследований;

— результаты аналитических и экспериментальных исследований по определению оптимальных скоростей восходящего потока бурового раствора, обеспечивающих качественную очистку от шлама стволов наклонных и горизонтальных скважин;

— результаты промысловых исследований и методика оперативного контроля выноса шлама при бурении НН и ГС и рекомендации по совершенствованию технологии очистки НН и ГС от шлама в осложненных условиях.

Реализация работы. Разработанная новая технология очистки ствола ННС от шлама внедрена при бурении горизонтальной скважины № 480 Елшано-Курдюмской площади, что позволило предупредить прихваты бурильной колонны, связанные с несовершенной очисткой. Экономический эффект составил 52 104 рублей (в ценах 1991 г). Результаты работы использованы при проектировании НН и ГС на Елшано-Курдюмской и Талов-ской площадях Саратовской области, что подтверждено соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-техническом семинаре в СевКавНИПИгазе (г. Ставрополь, июнь 1998 г.), на заседании секции «Техника и технология бурения скважин» научно-технического совета ОАО «Газпром» (г. Ставрополь, сентябрь 1998г) и на межотраслевой научно-практической конференции «Техника и технология вскрытия продуктивных пластов при депрессии на пласт» (г. Анапа, октябрь 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ. Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы содержащего 69 наименований и шести приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Научно обоснованы закономерности движения частицы шлама в потоке ньютоновской и бингамовской жидкости при ламинарном, структурном и турбулентном режимах течения в кольцевом пространстве НН и ГС.

2. Показано, что структурный режим движения бурового раствора с оптимальными параметрами до некоторого значения зенитного угла акр может обеспечить очистку ствола НН и ГС без форсирования режима промывки.

3. Разработана технология предотвращения осложнений, вызванных несовершенной промывкой стволов НН и ГС, обеспечивающая их эффективную очистку и исключающая разрушение неустойчивых горных пород.

4. Выявлен механизм возникновения осложнений, связанных с увеличением шламовых накоплений на нижней стенке НН и ГС и изменений их форм с ростом зенитного угла ствола скважины.

5. Доказана целесообразность разделения профилей при бурении НН и ГС по диапазонам зенитных углов на четыре участка:

1) условно вертикальный участок с углами наклона до 15°;

2) наклонный участок с углами наклона от 15° до 40°;

3) наклонный участок с углами от 40° до 60°;

4) условно горизонтальный участок с углами наклона от 60° до 90°.

6. Установлены значения относительных скоростей потока для каждого участка.

7. Разработаны рекомендации по предупреждению осложнений, связанных с несовершенной очисткой от шлама НН и ГС.

8. Применение разработанной технологии очистки от выбуренной породы НН и ГС в Приволжском УБР позволило получить, только по одной пробуренной скважине № 480, экономический эффект в размере 52 104 рублей (в ценах 1991 года).