Івіно-Франківський державний технічний університет нафти і газу

ГОШОВСЬКИЙ СЕРГІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 622.248

ЗАСТОСУВАННЯ ЕНЕРГІЇ ВИБУХУ В ТЕХНОЛОГІЯХ

СПОРУДЖЕННЯ СВЕРДЛОВИН

Спеціальність 05.15.10 - Буріння свердловин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступені

доктора технічних наук

Івано-Франківськ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти України

Науковий консультант - доктор технічних наук, старший науковий співробітник МОЙСИШИН Василь Михайлович, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, професор кафедри буріння нафтових і газових свердловин;

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ЯСОВ Віталій Георгійович, Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу, професор кафедри буріння нафтових і газових свердловин;

доктор технічних наук, професор, ВОЙТЕНКО Володимир Сергійович, Бєларуська гірнича академія, м.Мінськ, віце-президент;

доктор технічних наук, доцент ХАРЧЕНКО Євген Валентинович, Державний університет «Львівська політехніка», професор кафедри деталей машин

Провідна установа - Український науково-дослідний інститут природних газів НАК «Нафтогаз України», м.Харків

Захист відбудеться 17 липня 1999р о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д20.052.02 в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу за адресою: 284019, Україна,м.Івано-Франківськ, в.Карпатська,15.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу.

Автореферат розісланий 16 червня 1999р.

В.о.вченого секретаря спецради

д.т.н., професор Навроцький Б.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Україна володіє значними ресурсами, здатними забезпечити планомірне нарощування промислових запасів нафти та газу і на цій основі збільшити видобуток вуглеводнів та підняти рівень покриття своїх потреб власними енергоносіями.

В сучасних умовах буріння та освоєння свердловин, що характеризуються значними глибинами, високими тисками і температурами, складними конструкціями компоновок і гірничих виробок, питанням попередження і ліквідації аварій та ускладнень при спорудженні свердловин слід відвести одне з чільних місць. Вивчення природи ускладнень, розробка більш ефективних техніки і методики їх усунення — вагомий резерв підвищення продуктивності праці розглядуваних робіт.

Одним з найбільш ефективних методів ліквідації аварій та ускладнень є застосування енергії вибуху. Завдяки використанню торпед і перфораторів вдається ліквідовувати різні аварії, пов’язані з прилипанням труб під дією перепаду тиску, заклинюванням в жолобах і місцях звуження ствола свердловини, утворенням сальника на бурильній колоні, втратою циркуляції промивальної рідини, залишенням сторонніх предметів на вибої і т.п. Торпедування в свердловині ефективне для “струшування” бурильного інструменту, розгвинчування різьових з’єднань, зрізування колони з метою підняття на поверхню вільної ділянки труб. За допомогою перфораторів вирішують задачі підвищення віддачі пластів, проведення ізоляційних робіт, відновлення циркуляції в свердловині, тощо.

Слід зазначити, що цілий ряд питань, пов’язаних із прострільно-вибуховими роботами у свердловині залишаються маловивченими, недостатньо розробленими. Відсутній обгрунтований методичний підхід до визначення відносної ефективності різних вибухових пристроїв, вибору величини заряду вибухової речовини для ліквідації жолобів у породах з різними механічними властивостями, не розроблено математичних моделей динаміки бурильної колони при торпедуваннях з метою ліквідації різного роду ускладнень в процесі спорудження свердловини. Недостатньо повно вивчені деякі важливі особливості проведення вибухових робіт на великих глибинах, в умовах підвищених тисків і температур, малого діаметра труб і т.ін.

Таким чином, актуальність даної роботи обумовлена необхідністю розвитку існуючих та створення нових високоефективних методів, технічних засобів і технологій, пов’язаних з використанням енергії вибуху в процесі спорудження свердловин.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з планами науково-дослідних робіт в рамках госпдоговорів з промисловими підприємствами Держкомгеології України. Ряд розробок за темою дисертації, що стосуються методики визначення меж прихоплення бурильного інструменту, виділення ділянок з різним ступенем обчислення колони труб та контролю за проходженням прострільно-вибухових апаратів до інтервалу робіт, пов’язані з роботами Прикарпатської та Балаклійської експедицій з геофізичних досліджень в свердловинах об’єднання “Укргеофізика”.

Положення роботи, зв’язані з розробкою головних напрямів пошуково-розвідувальних робіт на нафту і газ в державі, ввійшли складовою частиною до затверджених урядом Національної програми “Нафта і газ України до 2010 року” та “Концепції розвитку мінерально-сировинної бази, як основи стабілізації провідних галузей народного господарства України на період до 2010 року”.

Мета роботи. Удосконалення технологій використання енергії вибуху при бурінні та освоєнні свердловин на основі розвитку теоретичних досліджень і узагальнення промислових даних.

Основні задачі роботи:

1. Узагальнення промислових даних про ускладнення при бурінні та освоєнні свердловин, аналіз успішності використання прострільно-вибухових апаратів (ПВА) та оцінка затрат на ліквідацію аварій.

2. Визначення радіальних сил та деформацій системи “ділянка труб — зона прихоплення” під час вибуху торпеди.

3. Дослідження впливу енергії вибуху на динаміку бурильної колони:

—

—

—

4. Підбір величини заряду вибухової величини для ліквідації жолобів у породах з різною енергоємністю руйнування.

5. Розробка математичних моделей кульової і кумулятивної перфорацій та оцінка впливу параметрів комбінованої перепони “промивальна рідина — обсадна труба — цементне кільце — гірська порода” на глибину проникнення в пласт.

6. Вибір типу перфоратора і режиму його роботи для ефективного розкриття продуктивних горизонтів.

7. Промислова перевірка і впровадження результатів роботи.

Для реалізації мети та вирішення поставлених задач був використаний комплексний метод, що включає аналітичні та експериментальні дослідження в поєднанні з розрахунками на ЕОМ і перевіркою основних положень і висновків у промислових умовах.

Теоретичне значення і наукова новизна одержаних результатів. Наведені в роботі методи побудови розв’язків дозволяють раціонально досліджувати вплив параметрів механічних систем на статичні і динамічні складові сил та напружень в поперечних перерізах обсадних та бурильних колон. Практичне значення роботи полягає в подальшому обгрунтуванні та розвитку технологій використання енергії вибуху при ліквідації прихоплень бурильного інструменту, усуненні жолобоутворень, кумулятивній та кульовій перфораціях труб. Наукова новизна дисертації в наступному:

1. Удосконалено методику визначення меж зон прихоплення бурильного інструменту та виділення ділянок з різним ступенем обтиснення колони труб за рахунок використання акустичного каротажу.

2. Удосконалено техніку (локатори) і методику контролю за проходженням ПВА всередині труб і точним їх встановленням навпроти об’єктів робіт. Запропоновано нові технічні рішення для прострільно-вибухових робіт (ПВР) та вивільнення вибійних двигунів від прихоплень, що містять спеціально намагнічені муфти, при проходженні крізь які в індуктивних котушках локаторів виникає електрорушійна сила достатня (після підсилення) для підривання зарядів вибухової речовини (ВР).

3. Сформульовано і розв’язано осесиметричну задачу теорії пружності радіальних коливань стінок прихопленої бурильної труби під дією ударної хвилі вибуху.

4. Розроблено математичні моделі динаміки бурильного інструменту при “струшуванні”, ліквідації защемлень долота, руйнуванні стороннього металу на вибої, перерізанні бурильних труб, що дають можливість знаходити динамічні складові зміщень, сил та напружень, як функцій координати поперечного перерізу бурильної колони. Дано аналітичну оцінку зміни крутного моменту в різьовому з’єднанні при його торпедуванні з метою розгвинчування.

5. Запропоновано нову формулу для визначення величини заряду ВР при торпедуванні жолобів в породах з різною енергоємністю руйнування.

6. На основі узагальнення аналітичних та експериментальних досліджень роботи стріляючих перфораторів удосконалено технологію встановлення гідродинамічного зв’язку пласта із свердловиною після спуску обсадної колони шляхом розробки рекомендацій щодо вибору типу перфоратора і оптимізації режиму його роботи.

7. Розроблено ряд пристроїв для вибухових робіт, розкриття та освоєння свердловин, локалізації дії вибуху у виробках, наукова новизна яких підтверджена 28 авторськими свідоцтвами на винаходи.

Практична цінність та реалізація роботи в промисловості. Одержані в дисертації результати стали базою для розробки комплексу технічних і технологічних рішень, спрямованих на підвищення ефективності ПВР у свердловинах:—

розроблено і впроваджено в практику ліквідації аварій методики і технічні засоби (локатори ЛМУ-36 та ЛЕМ-1-60) для контролю за спуском ПВА всередині бурильних труб і точною їх установкою в інтервалі робіт;—

розроблено на рівні винаходів і передано для дослідно-конструкторських робіт ВАТ СКТБ “Техніка” ряд пристроїв для ПВР та вивільнення вибійних двигунів від прихоплень, що дозволяють автоматично виключати деформації броньованого кабеля при встановленні ПВА навпроти об’єктів робіт;—

розроблено, випробувано і передано у дослідно-промислову експлуатацію селективні торпеди, торпеди збільшеної потужності, локалізатори дії вибуху у свердловині;—

створено і впроваджено у практику ПВР “Інструкцію застосування прострільно-вибухових апаратів у свердловинах”.

Розробки впроваджені у державних геологічних підприємствах “Полтавнафтогазгеологія”, “Чернігівнафтогазгеологія”, “Західукргеологія”, “Укргеофізика” з економічним ефектом 1 млн. 914 тис. гривень.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, які виносяться на захист, отримані автором особисто.

Апробація результатів дисертації

Результати роботи доповідались:—

на Всесоюзних школах передового досвіду “Передові методи і техніка ПВР у свердловинах” (м. Москва, 1983-1987 р.р.);—

на науково-практичній конференції “Нафта і газ України-96” (УНГА, м. Харків, травень 1996 р.);—

на 5-ій міжнародній конференції “Нафта і газ України - 98” (УНГА, м. Полтава, вересень 1998 р.).

В повному обсязі роботу заслухано в ІФДТУНГ на розширених наукових семінарах кафедри буріння нафтових і газових свердловин (березень 1999 р., квітень 1999 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 55 наукових робіт, серед них 1 огляд, 1 інструкція, 20 статей, 28 авторських свідоцтв на винаходи.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, основних висновків і рекомендацій, списку літератури з 196 назв та додатків. Вона викладена на 237 сторінках, містить 43 рисунки і 16 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертації, перечислено основні напрямки наукових досліджень і подано загальну характеристику дисертаційної роботи.

У першому розділі дисертації охарактеризовано сучасний стан ресурсів нафти і газу України та показані перспективи розвіданих запасів вуглеводнів. Розглядаються головні напрями геологорозвідувальних робіт на нафту і газ у Східному (Дніпровсько-Донецька западина), Західному та Південному регіонах України.

Східний регіон є головним за ресурсами вуглеводнів, їх видобутку та обсягах геологорозвідувальних робіт, спрямованих на пошуки нових ро-довищ. У його надрах зосереджено ще нерозвіданих майже 1,8 трлн. м3 газу і 326 млн. т рідких вуглеводнів. Незважаючи на високий коефіцієнт реалізації початкових ресурсів (56,6%), цей регіон відноситься до найперспективніших у нафтогазовому відношенні.

У Західному регіоні освоєно 34% початкових ресурсів, нерозвідані складають 545 млн. т рідких вуглеводнів і 614,4 млрд. м3 газу.

У Південному регіоні значні перспективи розвитку нафтогазового комплексу України пов'язані з акваторіями Чорного і Азовського морів, де нерозвідані ресурси становлять 1473 млн. т умовного палива, з яких 213 млн. т – нафта з конденсатом. Початкові ресурси шельфу реалізовані всього на 4%, а освоєння континентального схилу Чорного моря (з оцінкою ресурсів більше 0,3 млрд. т умовного палива) ще не починало-ся.

Наведені дані свідчать про те, що Україна володіє достатніми потенціальними ресурсами для розвитку сировинної бази нафтової і газової промисловості та відповідного зростання видобутку вуглеводнів.

Буріння та експлуатація свердловин в складних геологічних умовах супроводжується різного роду аваріями та ускладненнями, технологія ліквідації яких передбачає послідовне застосування ряду дій та засобів. До таких дій в першу чергу слід віднести: розходження і провертання колони ротором, встановлення ванн, застосування пристроїв імпульсної дії (ясів, вібраторів, гідроударників і т.п.), розгвинчування бурильної колони вліво і витягання її частинами, оббурювання прихопленого інструменту, відновлення циркуляції і промивання свердловини.

Чільне місце серед цих способів займають торпедування і перфорація, що грунтуються на використанні енергії вибуху. В розробку і впровадження різних типів торпед і перфораторів та методик проведення прострільно-вибухових робіт у свердловинах вагомий внесок зроблено Н.Г.Григоряном, В.Д.Крощенком, С.А.Ловлею, Л.Я.Фрідляндером, А.С.Державцем, Є.А.Левіним, Є.М.Віцені, Д.С.Пометуном, В.А.Клібанцем, І.П.Пустовойтенком, В.С.Замахаєвим та іншими.

Проведений нами аналіз аварійності на державних геологічних підприємствах “Полтавнафтогазгеологія”, “Чернігівнафтогазгеологія” і “Західукргеологія” за період з 1973 до 1997 p.p. засвідчив, що втрати часу і коштів від прихоплень бурильного інструменту досить значні і в сумі складають 411,1 тис. год. і понад 3,5 млн. крб. (в цінах до 1991 р.). Загальна кількість виробок, при спорудженні яких мали місце прихоплення бурильних колон, — 506 свердловин, в тому числі 311 свердловин на площах, розбурюваних ДГП ПНГГ, 153 свердловини — на площах ДГП ЧНГГ і 42 свердловини — на площах ДГП ЗУГ.

На основі вивчення фізичної суті ймовірних причин ускладнень та обставин їх виникнення існуючі види прихоплень поділено на три категорії: прихоплення під дією перепаду тиску (прилипання); заклинювання інструменту під час його руху в свердловині; прихоплення внаслідок звуження стовбура свердловини.

Прихоплення першої категорії зафіксовані на 164 свердловинах. На їх ліквідацію за 25 pоків затрачено 150,1 тис. год. і 1 млн. 125 тис. крб. Основною причиною прихоплень є перепади між гідростатичним тиском в отворі свердловини і пластовим тиском, що діють на залишену без руху бурильну колону в інтервалах залягання високопроникних порід. На виникнення розглядуваних аварій суттєво впливають структурно-механічні властивості промивальних рідин.

Найбільш чисельну групу складають прихоплення другої категорії — 38,7 % випадків (196 свердловин). Сумарні затрати часу і коштів на їх ліквідацію склали 158,9 тис. год. та 1 млн. 166 тис. крб. На кількість заклинювань впливає зростання глибин буріння і, як наслідок, застосу-вання КНБК, що включають ОБТ великої довжини і діаметра.

Найменшу кількість зафіксованих прихоплень віднесено до третьої категорії — 146 св. Абсолютні затрати часу і коштів склали 133,2 тис. год. і 1 млн. 226 тис. крб. Такий стан речей пояснюється широким спектром причин, що породжують ці ускладнення (осипання та обвали порід, жолоби, каверни, сальники, осідання шламу та обважнювачів), та досить приблизною інформацією про умови, в яких ведуться пошуково-розвідувальні роботи. Звуження поперечного перерізу свердловини, затяжки і посадки колони є найбільш характерними для інтервалів залягання краматорської свити, представленої кам'яною сіллю з прошарками магнієвих солей, висока розчинність яких веде до утворення об'ємних каверн.

Наявний обсяг статистичного матеріалу дав можливість визначити ймовірності категорій прихоплень для різних нафтогазових регіонів України, що буде корисним при складанні технічних і технологічних проектів, прогнозуванні витрат на будівництво свердловин, виборі раціональних способів ліквідації прихоплень бурильного інструменту.

При ліквідації аварій широко використовують прострільно-вибухову апаратуру. Із 506 розвідувальних свердловин, на яких у 1973-1997 р.р. мали місце прихоплення бурильного інструменту ПВА використовувались у 283 випадках. Торпедування було успішним у 248 з 277 випадків, а перфорація — у 7 з 8 випадків.

Випадки торпедування з метою ліквідації прихоплень бурильної колони розділено на чотири групи: торпедування з метою розгвинчування різьових з’єднань, з метою “струшування” бурильного інструменту, з метою обривання або перерізування бурильної колони, інші випадки. В окрему п’яту групу зберемо випадки використання перфораторів.

До першої найбільш чисельної групи віднесено виробки, в яких торпедування проводили для послаблення різьових з’єднань і відгвинчування вільної колони труб. Із 216 зафіксованих випадків 211 виявились успішними. До таких відносили ті свердловини, в яких удавалось розгвинтити бурильну колону хоча б один раз. Досить часто використання енергії вибуху дозволяє вивільнити весь або більшу частину прихопленого інструменту шляхом багаторазового відгвинчування в поєднанні з промиванням труб і свердловини через роз’єднану колону.

Другу групу склали випадки торпедування з метою повного вивільнення бурильної колони методом створення вибухової хвилі, яка “струшує” компоновку. Успішність 34 із 52 свердловин. На неї істотно впливає час від початку прихоплення. Застосування “струшувань” зі значним запізненням в часі врешті-решт веде до важких аварій, значно ускладнює роботи, спрямовані на їх ліквідацію. Торпедування з метою “струшування” доцільне при ліквідації прихоплень першої та другої категорій, коли довжину прихопленої зони можна перекрити загальною довжиною торпеди, а час від початку виникнення аварії – незначний.

Якщо попередні роботи з ліквідації аварії не мали успіху, вивільнити прихоплені труби неможливо або економічно невигідно, то єдиним способом ліквідації аварії є зарізання другого стовбура або припинення будь-яких аварійних робіт взагалі. Неприхоплені труби зрізають або обривають. Це мало місце на 16 свердловинах. Успішність торпедування - 100 %.

Усі інші випадки торпедування об’єднано у четверту групу. Їх кількість незначна – 14 свердловин, що складає 5 %. За метою торпедування ці випадки дуже різняться. Це і торпедування доліт (9 свердловин), це і робота шнуровими торпедами на розрядку ВУКа (1 св.) чи заклинення вала турбобура (2 св.) з метою його звільнення від прихоплення; це і торпедування з метою відновлення циркуляції промивальної рідини (2 св.).

П’яту групу склали випадки із застосуванням перфораторів для пробивання отворів в прихоплених бурильних трубах з метою відновлення циркуляції (6 св.) або наступного встановлення ванн (2 св.).

На основі вивчення літературних джерел, промислового матеріалу і досвіду буріння свердловин констатовано, що: —

при ліквідації прихоплень бурильних труб в умовах глибокого буріння, підвищених температур і тисків, складних конструкцій свердловин і компоновок низу бурильних колон ефективність вибухових методів в порівнянні з традиційними істотно вища;—

недостатньо досліджена дія даної хвилі вибуху вздовж стовбура свердловини на великих відстанях від місця торпедування, а саме це питання має велике значення для збе-реження цілісності бурильних труб, обсадної колони, правильного вибору величини заряду вибухової речовини; —

актуальною проблемою все ще залишається розробка техніки і методики визначення нижньої межі прихоплення бурильного інструменту, контролю за спуском вибухового апарата в свердловину, точного встановлення торпед в інтервалі робіт;—

немає наукового обгрунтування розрахунку величини заряду вибухової речовини для боротьби з жолобами;—

помітно відстають технологія, техніка і методика розкриття пластів, особливо на такому важливому етапі спорудження свердловини, як встановлення гідродинамічного зв’язку з пластом та одержання притоку флюїдів у складних геолого-технічних умовах;—

відсутні дослідження, що стосуються впливу кумулятивної перфорації на деформацію бури-льних труб в процесі відновлення циркуляції промивальної рідини.

Проведений аналіз теоретичних, експериментальних та промислових досліджень засвідчив необхідність розвитку існуючих і створення нових високоефективних методів, технічних засобів і технологій, пов’язаних з використанням енергії вибуху при будівництві свердловин, дозволив сформулювати мету та основні задачі роботи.

Другий розділ роботи присвячений удосконаленню методів і технічних засобів визначення меж прихоплення бурильної колони і місця встановлення прострільно-вибухових апаратів. Існуючі техніка і методика робіт щодо визначення місця прихоплення бурильного інструменту, контролю за спуском ПВА у свердловину і точного встановлення торпед навпроти об’єкта робіт ще не достатньо ефективні, оскільки вони в своїй більшості розраховані на малі та середні глибини, а з ростом глибин виробок значно збільшується тривалість ліквідації аварій, змінюються компоновки бурильного інструменту і термобаричні умови у свердловині. Крім цього, нижню межу прихопленої колони найбільш вживаним визначником прихоплень конструкції тресту “Азнафтогеофізика” визначити неможливо, однак знання меж прихоплення є обов’язковою умовою всіх сучасних методик ліквідації аварій.

За результатами промислових досліджень рекомендовано з цією метою застосовувати акустичний метод, що дозволяє визначити не тільки межі однієї чи кількох зон прихоплення, але й виділяти ділянки колони з різним ступенем обтиснення труб.

Одним з основних питань, від вирішення якого залежить ефективність проведення ПВР, є забезпечення надійного контролю за проходженням ПВА інтервал робіт. Застосовувані на виробництві техніка і технологія не забезпечують надійного контролю за проходженням ПВА в свердловині, мають ті чи інші недоліки.

Для постійного контролю за спуском апаратів у свердловину нами запропоновано простий і надійний у користуванні пристрій ЛЕМ-1-60, у якому в ролі чутливої системи використовуються електродинамічні датчики. Електромагнітними перетворювачами виступають сейсмоприймачі встановлені у кабельному наконечнику або спеціальному контейнері. Запропоновані пристрої ЛЕМ-1-60 дозволяють надійно контролювати спуск ПВА в бурильних трубах, виготовлених з різних матеріалів і сплавів, в термобаричних умовах глибоких і надглибоких свердловин при мінімальних швидкостях руху торпеди.

Зі збільшенням глибин свердловин виникають труднощі з установкою прострільно-вибухових апаратів в інтервалі робіт. Вносяться значні похибки (від кількох до десятки метрів), в тому числі і суб’єктивного характеру, не виключені випадкові помилки.

В роботі проаналізовано різні способи встановлення вибухових апаратів в інтервалі робіт (з прив’язкою до діаграм електричного і радіоактивного каротажу, за реперною муфтою, радіоактивним репером, за укороченою трубою, яка чітко виділяється на фоні муфтових з’єднань, та за магнітною позначкою). Останній спосіб найбільш надійний, але точно встановити торпеду на муфті без спеціальних інструментальних вимірювань, які вимагають багато часу, не легко. Розроблені нами локатор муфт уніфікований ЛМУ-36 та локатор електромагнітний ЛЕМ-1-60 дозволяють надійно визначити місцезнаходження муфтових з’єднань; здійснювати спільний спуск разом з зарядом ВР, причому на глибини з тиском до 150 МПа і температурою 250 С; точно встановлювати заряд і підривати його без додаткових витрат засобів і часу. Промислові випробування локаторів на свердловинах ДГП “Західукргеологія” дали позитивні результати.

В процесі випробувань ЛЕМ-1-60 було встановлено, що при проходженні муфтових з’єднань в індуктивних котушках наводиться струм до 0,3 мА, біля магнітних позначок величина струму подвоюється, а під час проходження спеціально намагнічених муфтових з’єднань збільшується в 10 і більше разів. Підчас проходження цих муфт в індуктивних котушках приладу виникає електрорушійна сила, яка після підсилення є достатньою для підривання вибухових патронів типу ТЕД і ПВПД. Результати цих робіт послужили основою для розробки ряду пристроїв для ПВР (а.с. 1034443, 1113509) та для вивільнення вибійних двигунів від прихоплень (а.с. 1238437, 1138476), які дозволяють автоматично виключати деформації броньованого кабелю в процесі установки ПВА навпроти об’єктів робіт.

Третій розділ роботи містить результати теоретичних і експериментальних досліджень дії енергії вибуху в свердловинах. Особливий інтерес викликає вивчення напруженого стану бурильних труб і визначення їх радіальних зміщень при торпедуваннях з метою ліквідації прихоплень бурильної колони без руйнування елементів останньої, що має місце при “струшуванні” бурильного інструменту. Перед початком операції визначають межі прихоплення, прикладають до колони цілком визначені силу натягу і крутний момент, перекривають всю прихоплену ділянку труб циліндричним зарядом. В результаті дії ударної хвилі на внутрішню стінку колони затрубна порода відкидається і ущільнюється.

Для з’ясування особливостей напружено-деформованого стану труби в умовах, що розглядаються, використано як модельну осесиметричну задачу теорії пружності для порожнистого кругового циліндра при динамічній дії тиску на його внутрішню поверхню радіуса (рис. 1). Затрубний матеріал, що взаємодіє з зовнішньою стінкою колони радіуса r2, подано пружними елементами з коефіцієнтом жорсткості .

Рівняння динамічної рівноваги в циліндричній системі координат записано у вигляді

(1)

де ur – радіальне зміщення; – густина матеріалу труби, – коефіцієнт Ламе, – коефіцієнт Пуассона, – коефіцієнт теплового розширення, Т – температура.

Граничні умови (в напруженнях) наступні:

(2)

де – тиск ударної хвилі вибуху на внутрішню стінку труби; t1 – час досягнення радіальним зміщенням максимального значення. Дотичні напруження, що діють в напрямі осі Оz, прийнято рівними нулю.

Розв’язок задачі подано сумою

, (3)

в якій доданок вибрано таким чином, щоб одержати для нульові граничні умови. При цьому

(4)

де , – функції Бесселя першого порядку першого та другого родів відповідно; – функція, що визначається з рівняння

(5)

де

(6)

Формула (3) разом із співвідношеннями (4) – (6) визначає повний розв’язок задачі про радіальні зміщення стінок прихопленої бурильної труби під дією ударної хвилі вибуху. Цей розв’язок дає можливість обгрунтовано підбирати питому масу q (кг/м) циліндричного заряду, щоб уникнути залишкових деформацій труб при ліквідації прихоплень вказаним способом або не дозволити їм перевищити допустимий рівень.

Моделюючи динаміку бурильної колони при проведенні ПВР необхідно знати характер розподілу тиску вздовж отвору прихоплених труб та стінок стовбура свердловини. Автором проводились вимірювання тиску ударної хвилі на різних відстанях від місця підривання торпеди у свердловині. Дослідження показали, що характер поширення тиску значною мірою залежить від здатності стінки виробки або колони відбивати ударну хвилю.

Наявність в бурильних трубах дефектів, тріщин, перфорованих ділянок помітно змінює характер поширення ударної хвилі. При за-мірах тисків в колоні бурильних труб діаметром 140 мм, що має 20-метрову перфоровану ділянку на від-стані 10 м від місця вибуху заряду, відзначено значний спад тиску на фронті ударної хвилі. Дана обставина вказує на те, що ударна хвиля може наносити пошкодження бурильним трубам далеко від місця вибуху і в першу чергу ослабленим її ділянкам.

Вибір коефіцієнтів запасу міцності бурильних колон, які торпедують з метою розгвинчування різьових з’єднань, вивільнення защемлених доліт чи руйнування стороннього металу на вибої слід проводити з урахуванням динамічних сил та напружень в поперечних перерізах труб. В роботі для їх визначення складено математичні моделі, в диференціальні рівняння яких входять сили тиску ударної хвилі на внутрішню стінку труби. На основі розв’язку сформульованих задач математичної фізики дається оцінка впливу параметрів розглядуваних систем на динамічні складові сил та напружень в поперечних перерізах труб.

Наступною задачею, розглянутою в роботі, стало визначення зміни крутного моменту в різьовому з’єднанні при його торпедуванні з метою розгвинчування.

Метод розгвинчування в заданому місці передбачає, що на труби діє крутний момент , прикладений за допомогою ротора, і різьове з’єднання розвантажене від ваги розміщених вище труб. Якщо ця умова не виконується, то ударна хвиля, яка виникла в результаті вибуху, поширюючись промивальною рідиною, може викликати розгвинчування в першому ж різьовому з’єднанні, до якого дійшло напруження скручування, іноді на значній віддалі від торпеди. Неправильно вибрана величина натягу і, як наслідок, неповне розвантаження різьового з’єднання утруднюють розгвинчування труб.

Крутні моменти та в упорному різьовому з’єднанні до і після торпедування відповідно подані залежностями

, , (7)

де dc – середній діаметр різі; f – коефіцієнт тертя спокою; – кут грані витка до осі з’єднання; – еквівалентні зусилля затягнення на тугій різі з’єднання до і після торпедування; – коефіцієнт тертя після торпедування, що обчислюється через ефективну амплітуду коливань компоновки.

Еквівалентне зусилля знаходимо через натяг . При визначенні замість величини беремо суму , в якій радіальне переміщення ніпеля враховує вплив внутрішнього тиску на взаємодію деталей у з’єднанні.

Додатковий крутний момент визначимо як . Таким чином, якщо сума перевищить зрушувальний момент в різьовому з’єднанні, то почнеться її розгвинчування і операцію з роз’єднання бурильної колони можна вважати успішною.

При розбурюванні м’яких порід роторним способом за рахунок обертання труб та спуско-підіймальних операцій у свердловині протираються жолоби. Прихоплення труб внаслідок жолобоутворень характеризуються появою миттєвих затяжок і посадок під час руху бурильного інструмента. З метою визначення інтервалів утворення жолобів та місць звуження отвору свердловини в необсадженому стовбурі проводять профілеметрію.

Як показує виконаний нами аналіз результатів вимірювання профілів свердловин на Прикарпатті, ширина утворених жолобів, як правило, рівна зовнішньому діаметру ОБТ. Найбільш часто жолоби утворюються у глинах і алевролітах, рідше – у пісковиках різної твердості. Свердловини при цьому похилі, значно викривлені, а жолоби спостерігаються як на нижній, так і на бокових і верхній стінках стовбура.

Схему поперечного перерізу стовбура свердловини, побудованого за даними профілеметрії, зображено на рис. 2, де D – діаметр долота (основний діаметр виробки), a та b – мінімальна та максимальна різниця в показах вимірювальних важелів, . Для нейтралізації жолоба у свердловині потрібно зруйнувати породу, розміщену між двома колами та їх обвідною (затушовані зони).

Якщо жолоби не вдається усунути розширювачами, то їх нейтралізують вибухом гнучких торпед. В роботі на основі аналітичних та експериментальних досліджень запропоновано формулу для вибору питомої величини заряду ВР

, (8)

де – площа поперечного перерізу області руйнування породи; – питома об’ємна робота руйнування породи; – теплотворність ВР; – коефіцієнт корисної дії вибуху; – механічний еквівалент теплоти в термобаричних умовах свердловини.

Перший множник у (8) відповідає за місце установки торпеди у глибині жолоба. Оскільки надійних способів контролю цього параметра нема, то слід рекомендувати більше із значень діапазону для цього множника.

Вибір заряду за формулою (8) дає можливість зменшити витрату вибухової речовини, зекономити час і кошти на усунення жолобоутворень. Критерієм оцінки проведення заходів щодо нейтралізації жолоба слід вважати відсутність в зоні торпедування затяжок і посадок при спуско-підіймальних операціях.

Четвертий розділ присвячено дослідженням перфорації обсадних і бурильних колон. Перші перфорують для встановлення гідродинамічного зв’язку пласта із свердловиною, а другі – з метою відновлення циркуляції промивальної рідини та встановлення місцевих ванн при ліквідації прихоплень бурильного інструменту.

В роботі узагальнено математичні моделі роботи кульових і кумулятивних перфораторів, що дають змогу оцінити вплив балістичних характеристик і параметрів комбінованої перешкоди “промивальна рідина – обсадна колона – цементне кільце – гірська порода” на пробивну здатність апаратів.

Для кумулятивного струменя та кулі найбільш міцною перешкодою є 6-12-мм стінка колони обсадних труб виготовлених із легованих сталей. Чим міцніша стінка колони, тим менший діаметр отвору в ній і глибина перфораційного каналу в породі. За наявності дво- або триколонної перешкоди утворення перфораційних каналів у породі ускладнюється. При цьому досить суттєвим фактором є присутність в міжколонному і затрубному просторі цементного каменю, товщина якого визначається особливостями конструкції свердловини.

На сьогодні основними апаратами, що застосовуються для розкриття пластів-колекторів, є кумулятивні перфоратори, як найбільш економічні, ефективні та продуктивні. Для оцінки їх пробивної здатності вивчено більше 300 відстріляних мішеней, що відповідають певним конструкціям свердловин в реальних умовах.

Аналіз отриманих результатів показав, що зі збільшенням гідростатичного тиску стовпа бурового розчину, зменшуються (табл. 1) діаметри перфораційного каналу в обсадній колоні та пісковику, а також загальна довжина каналу. В процесі прострілювання мішеней у свердловині виявлено збільшення довжини сигароподібного стержня, що рухається за кумулятивним струменем, зі зростанням гідростатичного тиску.

Вивчення мішеней показало, що в аналогічних умовах кращі результати – чисті перфораційні канали – отримані при проведенні перфорації в нафті, а трохи гірші – в пластовій воді. При розкритті пласта-колектора шляхом перфорації в середовищі технічної води та бурового розчину спостерігалась часткове закупорювання перфораційних каналів. При заповненні свердловини обважненим буровим розчином перфораційні канали повністю закупорювались частками його твердої фази.

Автором вивчались деформація незацементованих відрізків обсадних колон, підданих залповій перфорації апаратами різних типів в реальних умовах свердловини. Порівнян-ня відрізка 127-мм колони зі сталі марки К, проперфорованої на глибині 1700 м (гус-тина бурового розчину - 1300 кг/м3) безкорпусними та корпусними перфораторами показало, що деформація колони найбільша при її перфорації апаратами ПКС-105 та КПРУ-65, а найменша — апаратами ПК-85, ПК-105ДУ і ПК-108.

Пізніше для вивчення впливу щільності перфорації (числа отворів на 1 пог.м) на стан обсадної колони застосовували безкорпусні перфоратори КПРУ-65.

При перфорації зі щільністю 10 отв/пог.м двох інтервалів однієї й тієї ж ко-лони вияснилось, що деформація колони залежить не від щільності перфорації, а від числа залпів, виконаних для досягання заданої щільності. Тріщини в колоні утворюються, як правило, при першому залпі; при кожному наступному залпі тріщини збільшуються, а нові — практично не утворюються. Характерно, що розмір тріщин після першого залпу мало залежить від числа зарядів на один залп. При залпі із двох зарядів були отримані тріщини таких самих розмірів, як і при 10 та 20 зарядах. Необхідно відзначити, що навіть при залпах із двох зарядів при ко-жному наступному збільшувались тріщини, утворені при першому залпі.

З урахуванням викладеного вище необхідно прагнути до максимально мож-ливої щільності перфорації обсадної колони за один залп. Сказане відноситься до безкорпусних перфораторів.

При використанні корпусних перфораторів ПК-103 в аналогічних умовах утворення тріщин і деформація колони не спостерігалась при щільності 30 отв/пог.м і навіть 100 отв/пог.м. Із сказаного можна зробити наступні висновки:

Обсадна колона в процесі перфорації зазнає значної об'ємної деформації, яка при перфорації безкорпусними апаратами типу ПКС може досягати граничних значень, аж до руйнування колони; при цьому, як правило, утворюються поздов-жні тріщини.

Часто кінець однієї тріщини є початком іншої; поздовжні тріщини з'єдну-ються між собою поперечними або розгалуженими тріщинами, що призводить до випадання кусків колони.

При щільності перфорації 10 і навіть 20 отв/пог.м за один залп перфорація обсадної колони в 1,5-2 рази менше, ніж при такій же щільності за два - п'ять залпів; при повторних залпах переважно збільшуються існуючі тріщини, а нові майже не утворюються.

Встановлено, що на проміжках залягання низькопроникних пластів-колекторів прийнята щільність перфорації значно занижена, а її збільшення в цих умовах до 30-40 отв/пог. м сприяє зростанню дебіту свердловин інколи в декілька разів.

На основі експериментальних та промислових даних з метою збереження міцнісних характеристик обсадної колони в процесі її перфорації рекомендується обмежити, залежно від гідростатичного тиску, застосування перфораторів за масою зарядів ВР та щільністю перфорації у вказаних нижче межах. Для колон із сталі марок К, М, Е з товщиною стінок 11 мм:

при гідростатичному тиску до 10 МПа використовувати для розкриття пластів тільки корпусні перфоратори типу ПК зі щільністю — 10-40 отв/пог.м або ПВН зі щіль-ністю — 4-8 отв/пог.м; допускається застосування перфораторів типу ПКН зі щі-льністю — 6 отв/пог.м при достатньо великому (30-50 мм) зазорі між корпусом перфоратора та обсадною колоною в зв'язку зі значною деформацією корпусів вказаних перфораторів; з зарядами ВР до 30 г (ПКС-65, ПКС-80, КПРУ, ПР та ін.) при щільності — 2-5 отв/пог.м; повторні залпи з використанням безкорпусних перфораторів на тому ж проміжку не допускаються;

при гідростатичному тиску 10-20 МПа використовувати для розкриття безкорпусні перфоратори з зарядами ВР до 30 г (ПКС-80, КПРУ-65 та ін.) і щільніс-тю 6-8 отв/пог.м; використовувати перфоратори ПКС-105 можна тільки зі щільні-стю не більшою 3-6 отв/пог.м;

при гідростатичному тиску 20-30 МПа використовувати для розкриття безкорпусні перфоратори з зарядами ВР до 30 г (ПКС-80, КПРУ-65 та ін.) і щільніс-тю 10-12 отв/пог.м, а також ПКС-105 з зарядами ВР 50 г зі щільністю - 6 отв/пог.м;

при гідростатичному тиску 30-40 МПа використовувати для розкриття безкорпусні перфоратори ПКС-80, КПРУ-65 зі щільністю 12-20 отв/пог.м, а ПКС-105 зі щільністю – 6 – 12 отв/пог.м;

при гідростатичному тиску 40-60 МПа використовувати дій розкриття безкорпусні перфоратори ПКС-105, ПКС-105Т зі щільністю 12-18 отв/пог.м, а ПКС-80, ПКС-80Т І КПРУ-65 зі щільністю —18-24 отв/пог.м;

при гідростатичному тиску 60-80 МПа використовувати для розкриття безкорпусні перфоратори ПКС-105Т зі щільністю 18-24 отв/пог.м, а корпусні типу ПКОТ зі щільністю — 20-30 отв/пог.м;

при гідростатичному тиску 80-100 МПа використовувати для розкриття корпусні перфоратори типу ПКОТ і ПНКТ зі щільністю 30-40 отв/пог. м.

Отже, з метою збереження міцнісних властивостей обсадної колони необхідно прагнути до якомога меншого числа залпів з використанням безкорпусних кумулятивних перфораторів, а для повторного розкриття або збільшення щільності перфорації понад обумовлену застосовувати тільки корпусні перфоратори типів ПК, ПНК, ПКО або ПВН.

Автором також проводились дослідження деформації бурильних труб при кумулятивній перфорації. Встановлено, що на неї суттєво впливають місце установки ПВА в трубі, маса заряду ВР, конструкція перфоратора, гідростатичний тиск, щільність прострілювання, кількість залпів.

Для оцінки впливу щільності перфорації на величину деформації бурильних труб проводилось відстрілювання натурних мішеней зарядами перфоратора КПРУ-65-5, зібраними у дротяному каркасі. Результати досліджень наведені в табл. 2.

Як бачимо, деформація труб, відстріляних зі щільністю від 1 до 5 отворів на метр, залишається практично незмінною, тобто взаємовплив зарядів відсутній. При щільності перфорації 7-8 отв/м деформація дещо збільшується, але міцнісні властивості труб зберігаються. При щільності 16 отв/м деформація зростає більше, ніж у 3,5 рази порівняно зі щільністю 1 отв/м. Перформаційні отвори з’єднуються тріщинами. На основі сказаного можна зробити висновок про те, що при відстрілюванні колони перформаторами, спорядженими зарядами в кількості, яка не перевищує допустимі норми зарядки, деформація труб незначна.

Таблиця 2 — Вплив щільності перфорації на деформацію бурильної труби

Щільність перфорації, отв/м | Деформація, мм

номер досліду

1 | 2 | 3 | 4 | 5

1 | 2,41 | 2,19 | 2,73 | 3,22 | 3,05

2 | 3,06 | 3,29 | 2.78 | 2.32 | 2,51

3 | 2,56 | 3,52 | 3,20 | 2,95 | 2,47

4 | 4,24 | 3,56 | 4,60 | 3,28 | 3,16

5 | 3,48 | 3,81 | 4,15 | 3,12 | 2,87

6 | 4,73 | 4,54 | 4,08 | 3.40 | 3,36

7 | 3,90 | 4,00 | 4,94 | 4,54 | 5,23

8 | 4,42 | 5,71 | 5,24 | 4,18 | 4,97

9 | 5,44 | 5,92 | 6,32 | 5,00 | 4,60

10 | 6,86 | 5,40 | 5,05 | 5,91 | 6,31

11 | 5,45 | 6,37 | 5,87 | 7,12 | 7,42

12 | 7,96 | 6,20 | 5,83 | 6,81 | 7,53

13 | 6,43 |