Повышение качества и скорости бурения регулированием дифференциального давления

Актуальность проблемы. Важнейшей задачей бурения всегда было сохранение коллекторских свойств призабойной зоны продуктивного пласта (ПЗП), обеспечение быстрого освоения скважин, достижение дебита, близкого к потенциально возможному, и высокой приемистости нагнетательных скважин, исключение осложнений и ускорение проводки ствола.

Однако решение этой задачи в последнее время все более усложняется в связи с введением в разработку новых многопластовых нефтегазовых, газокон-денсатных месторождений, месторождений с большой толщиной пластов с несовместимыми условиями бурения. Большие трудности встречаются при доразбу-ривании месторождений, находящихся на поздней стадии разработки и сильно дренированных и имеющих аномально пониженное пластовое давление (АНПД). Аналогичные сложности имеют место при реконструкции малодебитных и подлежащих ремонту скважин проводкой дополнительных стволов с горизонтальным окончанием, когда особенно важно обеспечить их рентабельность.

Сохранить коллекторские свойства продуктивного пласта лишь отдельными усовершенствованиями, например, уменьшением плотности бурового раствора, не удается, поскольку осложняются условия проходки неустойчивых пород с высоким поровым давлением, могут начать проявлять вышележащие водоносные и нефтегазоносные пласты с большим градиентом давления и др.

При традиционной технологии бурения давление в скважине всегда превышает давление во всех вскрытых ранее пластах и во вновь вскрываемом пласте как в процессе углубления ствола, при промывке скважин, так и при отсутствии циркуляции, с целью исключения осложнений, поступления пластовых флюидов в скважину и создания определенного противодавления на неустойчивые породы. Соответственно, по нормативам подбирается такое значение плотности бурового раствора, при котором гидростатическое давление превышает пластовое на 515% в зависимости от глубины скважины.

При промывке скважины к гидростатическому давлению на пласт прибавляется перепад давления в кольцевом пространстве, обусловленный потерей напора на трение по длине и преодоление местных гидравлических сопротивлений. При быстром спуске инструмента, особенно при наличии толстых глинистых корок, образовании сальников, малых зазорах между стенкой ствола и корпусом забойных двигателей, калибраторов, стесненной внутренней полости забойных двигателей, УБТ, долотных насадок, наличии обратного клапана в нижней части инструмента, давление на пласт со стороны скважины возрастает еще больше. Поэтому при традиционной технологии бурения давление на забой и на вскрытые ранее пласты может значительно (часто на 1.7 МПа) превышать пластовое и, кроме упомянутых выше положительных сторон, это имеет ряд существенных недостатков:

1) глубокое проникновение бурового раствора и его фильтрата, а часто и твердой фазы, в призабойную зону, и, как следствие, ее загрязнение и закупориваниеснижение прочности пород терригенного коллекторауменьшение проницаемости, увеличение необходимой депрессии при вызове притокаувеличение сроков освоения скважины и снижение дебита добывающих и приемистости нагнетательных скважин;

2) снижение скорости проходки;

3) образование проницаемой глинистой корки на стенках скважины, обусловливающей нередко прихваты инструмента, сальникообразование и поршне-вание, отсутствие связи цементного камня со стенками ствола и снижение качества разобщения пластов;

4) возможность поглощения бурового раствора;

5) затяжки, посадки и прихваты под действием перепада давления;

6) повышенный расход материалов и реагентов для приготовления бурового раствора, больший, чем для бурения на равновесии.

В тоже время новые технологии бурения с регулируемой кольматацией с рекомендуемым гидродинамическим и физико-химическим воздействием на пласты, на ПЗП, на породы, слагающие стенки ствола скважины, при их рациональном применении могут помочь не только сохранить коллекторские свойства ПЗП, но, в ряде случаев, и значительно улучшить их, одновременно облегчая реализацию бурения на равновесии и преодоление осложнений.

Поэтому в настоящей работе нами изучались возможности регулирования дифференциального давления по всему открытому стволу скважины таким образом, чтобы невысокими были репрессии, а в благоприятных условиях поддерживалось равновесие давлений или депрессии в скважине и против ранее вскрытых пластов, в вскрываемых пластах, и на забое. Рассмотрены способы снижения репрессии: рациональным подбором плотности бурового раствораэжектированием в призабойной зоне или выше интервалов поглощенийуменьшением потерь напора в кольцевом пространстве эксцентричным расположением бурильной колонны в стволеобеспечением успешного выноса шлама из горизонтального ствола повышением флотирующей способности пенных систем. Кроме аналитических и теоретических решений разработаны технологии и новые технические средства, конструкция устройства для эксцентричного расположения колонны бурильных труб, составы, способствующие флотации частиц шлама.

Цель работы. Повышение качества вскрытия продуктивных отложений, предупреждение осложнений и ускорение проходки подбором и поддерживанием рационального дифференциального давления.

Основные задачи исследований.

1. Обоснование целесообразности создания различных дифференциальных давлений по стволу скважины в интервалах с несовместимыми условиями бурения, против продуктивных пластов и на забое.

2. Разработка технологий и технических средств регулирования дифференциального давления на забое и в различных интервалах ствола скважины в процессе проходки ствола и при отсутствии циркуляции.

3. Качественная оценка возможности создания пенных систем с повышенной флотирующей способностью.

4. Оценка влияния механической скорости и расхода на угнетающее давление.

5. Улучшение выноса шлама из горизонтального и наклонного участков ствола совершенствованием профиля скоростей и увеличением скорости течения у нижней стенки за счет эксцентричного расположения бурильных труб.

Методика решения задач. Теоретическое обоснование значимости распределения полного и дифференциального давлений по стволу и по забою скважины при проходке ствола и при отсутствии промывки для качественного вскрытия и сохранения коллекторских свойств призабойной зоны продуктивных пластов, предупреждения осложнений и повышения механической скорости по литературным и промысловым данным.

Лабораторные качественные исследования возможности повышения флотирующей способности пенных систем, пригодных для промывки скважин. Перспективные составы буровых растворов. ч Аналитическое рассмотрение способов снижения потерь напора в кольцевом пространстве и уменьшение дифференциального давления на забое скважины, в частности, путем эжектирования.

Разработка технических устройств, обеспечивающих эксцентричное положение бурильной колонны в стволе скважины и снижение потерь напора в кольцевом пространстве, улучшение выноса шлама, включая горизонтальный участок ствола.

Промысловые испытания способов эжектирования и промывки буровыми растворами пониженной плотности при вскрытии продуктивных пластов.

Оценка эффективности разработок по результатам испытаний.

Научная новизна. 1. Показано, что эффективным и экономичным способом проходки ствола скважины является обеспечение рациональных значений дифференциальных давлений, различных по величине на отдельных участках забоя и различных интервалах ствола, для достижения которого целесообразно промывать забой при депрессии и эжектировании и при интенсивных гидродинамических колебаниях давления, а против продуктивных пластов с низким давлением, поглощающих пластов снижать давление при промывке эжектированием, флотированием шлама.

2. Показано, что одним из эффективных путей удаления шлама из скважины, предупреждения накопления шлама в горизонтальном стволе и прихвато-опасного лавинообразования на наклонном участке является флотирование шлама введением гидрофобизаторов. Разработан примерный состав пенной системы с повышенными флотирующими свойствами.

3. Исходя из условий обогащения раствора шламом аналитически оценены технически предельные значения механической скорости, превышение которых обусловливает чрезмерный рост угнетающего дифференциального давления, вызывающий большие удельные расходы энергии на метр проходки.

4. Разработано устройство, поддерживающее бурильную колонну в горизонтальном стволе в поднятом к верхней стенке ствола положении, что способствует лучшей очистке ствола и предупреждению затяжек и прихватов инструмента при одновременном снижении потерь напора.

5. Показано, что сочетание управляемой кольматации с регулированием дифференциального давления подбором плотности бурового раствора, расхода, механической скорости проходки и режима эжектирования позволяет вести бурение с минимальной репрессией и на равновесии, а в соответствующих геолого-технических условиях — и на депрессии.

Защищаемые положения. Обоснование условий бурения на равновесии, с минимальной депрессией и репрессией и целесообразности поддерживания разв личных регулируемых дифференциальных давлений в различных интервалах ствола скважины и на забое.

Предложенный состав и технология повышения флотирующей способности пенных систем.

Способ, технические средства и технология поддерживания бурильной колонны в горизонтальном стволе эксцентрично в приподнятом от нижней стенки положении, обеспечивающие улучшение очистки скважины от шлама.

Практическая полезность работы. Проведенные теоретические, аналитические, лабораторные исследования и промысловые испытания дают основание рекомендовать осуществлять промышленное бурение с использованием разработанных технологий бурения на минимальной репрессии, равновесии, а в благоприятных геолого-технических условиях — и на депрессии, применять устройство для эксцентричного, приподнятого над нижней стенкой горизонтального ствола инструмента.

Показана перспективность применения пенных систем с повышенной флотирующей способностью.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, г. Уфа 1995, 1999, на международном научно-техническом семинаре «Проблемы нефтегазовой отрасли», г. Уфа, 1998.

Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертации изложено в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций. Работа изложена на 118 страницах, включает список литературы из 78 наименований, 2 приложения, содержит 27 рисунков, 11 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Для достижения высокого качества вскрытия пластов, включая продуктивные, ускорения проходки необходимо согласовать распределение дифференциального давления по стволу скважины и в призабойной зоне с геологически и технически несовместимыми условиями бурения, осуществлять бурение близ равновесия давления в пласте (порах и в скважине, а при технической возможности — при депрессии при вскрытии продуктивного пласта.

2. В достаточно устойчивых породах для ускорения проходки ствола и повышения качества первичного вскрытия продуктивных пластов, рекомендуется создавать пониженное давление эжектированием восходящего потока с помощью гидравлических элеваторов, устанавливаемых в наддолотном переводнике.

3. В целях снижения полного и дифференциального давления, улучшения очистки горизонтального ствола от шлама и предупреждения затяжек и прихватов рекомендуется располагать бурильную колонну в стволе эксцентрично. Разработаны соответствующие устройства (положительное решение). Показано, что на участке эксцентричного положения бурильного инструмента в скважине потери напора снижаются на 20... 40%.

4. Резкое увеличение механической скорости бурения неизбежно повышает дифференциальное давление за счет поступления в раствор выбуренного шлама, что в свою очередь приводит к снижению показателей бурения. При недостаточной очистке забоя шлам измельчается долотом несколько раз, и долото быстрее изнашивается. Таким образом, при высоких скоростях бурения необходимо или ограничивать величину механической скорости или обеспечивать расход промывочной жидкости, достаточный для эффективной очистки от шлама и для обеспечения минимальной величины дифференциального давления.

5. Разработаны составы пенных систем с улучшенными флотационными свойствами с использованием в качестве базовых перспективных для применения в бурении. Аналитически показано, что пенные системы с повышенными флотационными свойствами способны снизить интенсивность дюнообразования и накопления лавиноопасных отложений шлама, улучшить взвешивание и вынос шлама с горизонтальных на наклонных участков ствола при меньших скоростях течения.

6. Практическое применение бурения с малым дифференциальным давлением на равновесии и депрессии позволило существенно сократить сроки.

Ю9 освоения добывающих скважин и повысить начальные дебиты на 1,4.3,5 т/с в сопоставимых условиях.

Ожидаемое улучшение выноса шлама при эксцентричном положении бурильного инструмента в скважине и применении пенных систем с повышенной флотирующей способностью может сократить вероятность прихватов инструмента в несколько раз.