Совершенствование технологии эксплуатации скважин ориентированного профиля ствола установками погружных электроцентробежных насосов

Разработка нефтяных месторождений в последние годы преимущественно ведется кустовым разбуриванием скважин с ориентированным профилем. При этом большое число таких скважин имеют существенную кривизну ствола (до 2 и более градусов на 10 м). Несмотря на экономические, экологические, организационные преимущества кустового способа бурения, такие скважины по сравнению с вертикальными создают дополнительные трудности для работы подземного насосного оборудования.

При эксплуатации скважин установками электрических центробежных насосов (УЭЦН) ориентированный профиль ствола отрицательно влияет на рабочие характеристики установок и уменьшает межремонтный период скважин, повышая вероятность такого серьезного вида аварии как полет установки на забой вследствие поломки корпуса, расчленения в местах соединения секций насоса, погружного электродвигателя и других элементов. Одной из основных причин поломок является вибрация, возникающая из-за прогиба вала насосной установки, работающей в интервале повышенной кривизны ствола.

С середины 60-х годов был проведен ряд исследований по определению требований к допустимым пределам кривизны ствола скважин в интервале подвески установки ЭЦН. Во всех этих работах рассчитывались геометрические условия вписываемости отдельных типоразмеров УЭЦН для различных внутренних диаметров обсадной колонны. При этом кривизна считалась допустимой если: 1) УЭЦН свободно вписывается в ствол скважины;

2) УЭЦН находится в стесненном состоянии, но стрела прогиба вала не превышает 0,0002.0,0003 его длины.

Однако в данных работах не учитывалось влияние веса самой установки ЭЦН на ее прогиб. По этой причине полученные зависимости справедливы только в скважинах с небольшим углом наклона, где влиянием веса установки можно пренебречь. К тому же при расчете стрелы прогиба, необходимо учитывать, что жесткость и габаритные размеры узлов УЭЦН в разных сечениях различаются.

Ввиду этого, для определения прогиба установки в искривленном участке ствола скважины с учетом собственного веса УЭЦН, а так же различных габаритов и жесткости ее узлов необходимо использовать модель упругодеформированного состояния. С помощью данной модели возможно получить научно-обоснованные пределы допустимой кривизны ствола скважины и осуществлять таким образом выбор безопасных интервалов подвески установки.

Сложность экономической ситуации требует максимальной отдачи от имеющегося оборудования, увеличение межремонтного периода работы скважин. В этих условиях оптимизация режима работы насосного фонда является существенным резервом повышения технико-экономических показателей эксплуатации (увеличения МРП и снижения удельного расхода электроэнергии на подъем нефти) и дебита нефти добывающих скважин. Это фактически означает, что эффективность функционирования нефтегазодобывающего предприятия во многом определяется рациональным выбором способа эксплуатации и установлением оптимального режима работы каждой отдельно взятой скважины. Оптимизация режима работы скважин невозможна без учета ориентированного профиля ствола, а так же других факторов, присущих ряду месторождений, таких как большая глубина скважин, высокая температура в забое скважины, вынос механических примесей из пласта, высокий газовый фактор и пр. Эти факторы, осложняют эксплуатацию скважин, резко снижают коэффициент их использования и, в конечном счете, заметно повышают себестоимость извлекаемой нефти.

Таким образом, для повышения эффективности эксплуатации УЭЦН в скважинах с ориентированным профилем необходимо обосновать допустимые пределы кривизны профиля скважин в интервале подвески, а так же внести изменения в методику подбора УЭЦН и расчета технологических параметров, учитывающих особенности эксплуатации таких скважин.

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии эксплуатации погружных электроцентробежных установок в скважинах с направленным профилем ствола путем разработки научно-обоснованных требований к допустимым пределам изменения кривизны в интервале подвески, учитывающих вес установки, характер изменения угла наклона ствола и веса прилегающих к насосу на-сосно-компрессорных труб, а также внедрение этих требований в методику подбора УЭЦН.

Задачи исследований.

1. Анализ влияния кривизны ствола скважины с направленным профилем на работоспособность УЭЦН.

2. Анализ существующих методик оценки допустимой кривизны ствола скважин в интервале подвески УЭЦН. Обоснование направлений их совершенствования.

3. Разработка математической модели упруго-деформированного состояния УЭЦН, позволяющей обосновать допустимую кривизну ствола скважины в интервале подвески насоса.

4. Внедрение методики выбора интервала подвески насоса в составе программного комплекса для автоматизированного подбора УЭЦН в скважинах с направленным профилем и расчета технологического режима.

5. Опытно-промышленное опробование и внедрение методики выбора интервала подвески насоса в составе программного комплекса.

Методы решения поставленных задач. Поставленные задачи решались путем статистического анализа влияния геометрии профиля ствола на межремонтный период скважины с использованием линейной и нелинейной регрессийтеоретических расчетов изгибающего момента, поперечных сил и прогиба установки в упруго-деформированном состоянии посредством моделирования методом сечений и численного решения уравнения упругой линии.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель упруго-деформированного состояния УЭЦН в искривленном участке ствола скважин с учетом геометрии ствола, конструкции и веса установки, влияния колонны нкт.

2. На основе теоретических исследований с помощью математической модели выявлено, что на работу установки УЭЦН в искривленном интервале скважины с направленным профилем влияют следующие факторы:

— собственный вес УЭЦН, под действием которого установка прогибается, что является причиной вибрации и боковых биений об обсадную колоннуданный эффект проявляется при наклоне ствола более 5 градусов;

— вес колонны НКТ (с жидкостью), создающий дополнительный изгибающий момент на УЭЦН, который имеет максимальное значение при наклоне ствола от 5 до 30 градусов;

— характер профиля: в интервале спада зенитного угла изгибающий момент, создаваемый колонной НКТ, компенсируется силой реакции обсадной колонныв интервале набора зенитного угла этот изгибающий момент увеличивает прогиб установки, кроме того в последнем случае неравномерность подачи установки обусловливает неравномерность изгибающего момента, что в свою очередь приводит к дополнительным боковым биениям УЭЦН.

3. Получены значения допустимой кривизны ствола скважин с направленным профилем в интервале подвески УЭЦН. При этом выявлено, что:

— в условно-вертикальных скважинах с локальными искривлениями достаточно простой геометрической вписываемости УЭЦН в профиль ствола;

— при зенитных углах более 30 градусов установка полностью ложится на нижнюю образующую обсадной колонны, т. е. повторяет кривизну стволамаксимально допустимая интенсивность искривления ствола в этом случае приближается к 3' на 10 м (данная интенсивность искривления соответствует максимально допустимой стреле прогиба вращающего вала 0,0002.0,0003 его длины).

Основные защищаемые положения.

1. Модель упруго-деформированного состояния УЭЦН в искривленном участке ствола скважин с направленным профилем.

2. Методика расчета кривой прогиба УЭЦН в искривленном участке ствола скважин с направленным профилем с учетом геометрии ствола, конструкции и веса установки, влияния колонны НКТ.

3. Критерий вписываемости УЭЦН в искривленном участке ствола скважины с направленным профилем на основе геометрии ствола скважины и прогиба УЭЦН.

4. Зависимость предельной кривизны ствола скважины в интервале подвески УЭЦН от угла наклона.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. На основе обобщения результатов анализа промысловых данных и результатов математического моделирования упруго-деформированного состояния получены требования к допустимым пределам изменения кривизны ствола скважины в интервале подвески установки.

2. Усовершенствован программно-технологический комплекс для автоматизированного подбора УЭЦН в скважинах с направленным профилем и расчета технологического режима их работы.

3. Осуществлено опытно-промышленное опробование и внедрение программно-технологического комплекса для подбора УЭЦН в АНК «Башнефть», ОАО «Оренбургнефть», ОАО «Юганскнефтегаз» .

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось на 47-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1996 г.), 48-й научно.

10 технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1997 г.), научно-практической конференции «Решение проблем освоения нефтяных месторождений Башкортостана», посвященной добыче 1,5 млрд. тонны нефти в республике Башкортостан (Уфа, Башнипинефть 1998 г.), III конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 100-летию Б. Г. Логинова (Уфа, Башнипинефть, 1999 г.), XVIII творческой конференции молодых ученых и специалистов АНК «Башнефть» (Уфа, 1999 г.).

Публикации. На основе выполненных исследований по теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 9 научных статей, 3 доклада и 4 тезиса докладов на научно-технических конференциях.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Анализом опыта эксплуатации скважин с ориентированным профилем ствола установками ЭЦН подтверждено:

— работоспособность УЭЦН ухудшается по мере роста кривизны ствола скважины в интервале спуска насоса;

— характер аварий свидетельствует о достаточно сложной природе влияния кривизны на работоспособность насосной установки.

2. Анализом существующих методики обоснования допустимой кривизны ствола скважин в интервале подвески УЭЦН показано:

— при расчетах учитывается только упрощенная геометрия вписы-ваемости без учета собственного веса установки;

— превышение пределов допустимой кривизны является одной из причин полетов установок на забой из-за поперечных колебаний вызванных изогнутым валом.

3. Теоретическими исследованиями диссертации установлено:

— при работе в искривленном участке скважины с наклоном более 5 градусов УЭЦН прогибается под действием собственный веса, что является может быть причиной вибрации и боковых биений об обсадную колонну;

— вес колонны НКТ (с жидкостью) создает дополнительный изгибающий момент на УЭЦН, который имеет максимальное значение при наклоне ствола от 5 до 30 градусов;

— в интервале набора зенитного угла этот изгибающий момент увеличивает прогиб установкикроме того при неравномерной подаче установки этот изгибающий момент тоже меняется, что в свою очередь приводит к дополнительным боковым биениям УЭЦН.

— в интервале спада зенитного угла изгибающий момент, создаваемый колонной НКТ, компенсируется силой реакции обсадной колонны.

4. Обоснованы значения допустимой кривизны ствола в интервале подвески УЭЦН. При этом выявлено, что кроме габаритных размеров насосной установки и внутреннего диаметра обсадной колонны эти значения зависят от зенитного угла и от характера профиля (роста или спада зенитного угла):

— при наклоне скважины более 30 градусов значение допустимой кривизны можно принять равным 3' на Юм независимо от типоразмера УЭЦН и диаметра обсадной колонны;

— в условно-вертикальных скважинах с локальными искривлениями для нормальной работы УЭЦН достаточно ее простой геометрической вписываемости в профиль ствола;

— в интервале набора зенитного угла значение допустимой кривизны меньше чем в интервале снижения зенитного угла из-за влияния веса НКТ;

5. В составе программно-технологического комплекса внедрена усовершенствованная методика автоматизированного подбора УЭЦН в скважинах с ориентированным профилем.