Способ управления процессом движения колонны труб в скважине Советский патент 1986 года по МПК E21B21/08 

Изобретение относится к бурению скважин, преимущественно на полезные ископаемые, и может использоваться при регулировании режимов движения труб при спуско-подъемных операциях.

Цель изобретения - предотвращение возникновения осложнений при спуске- подъеме колонны труб в скважине за счет повьшения эффективности регулирования режима движения КОЛОННЬР.

По закону Гука изменение давления в скважине сопровождается упругим изменением объема раствора, стенок скважины и движущейся в скважине колонны труб. Закон Гука для системы скважина - буровой раствор записывают как

лр - Y, P-V

(1)

25

30

де дР - изменение давления в скваяшне|

uV упругое изменение объема в скважине при изменении давления на дР; |3 - коэффициент упругого изменения объема в скважине; V - объем раствора в .скважине

(объем скважины). Упругое изменение объема в скваине должно отражаться в конечной (интегральной) форме или величине. зменение объема раствора, на устье и изменение объема труб в скважине, 35 и дают в сумме интегральную величину упругого изменения объема, в скважине.

На фиг. 1 показано положение ко- лонны труб в скважине до начала спуска очередной трубы кпк бурильной 40 свечиJ на фиг. 2 - то же, при спуске трубы; на фиг. 3 - эпюра распределения гидродинамических давлений.

При положении колонны труб 1 в скважине 2 до начала спуска очеред- 45 ной трубы или бурильной свечи уровень раствора находится на уровне жалобной системы 3, а при спуске трубы уровень раствора находится ниже уровня желобной системы на вели- 50 чину о .

Упругое изменение объема в скважине равно упругого изменения объема в заколонном пространстве и в части скважинбГ ниже башмака 55 (низа) спускаемой колонны:

uV &V

uV,

(2)

278440 где

10

д V - упругое изменение объема, в заколонном пространстве скважины;

д - упругое изменение объемг|. в части скважины ниже башмака колонны.

Согласно закону Гука и эпюре распределения гидродинамических давлений в скважине (фиг.З) имеют:

P,-V, (3)

v

лУ,

PJ-V,P,

г

(4)

где /3 - коэффициент упругого изменения объема в кольцевом пространстве скважины; у., - объем кольцевого пространства скважины; 7 а гидродинамическое давление

ниже башмака колонны; р - коэффициент упругого изменения объема в части скважины ниже башмака колонны; Vj - объем части скважины ниже

башмака колонны.

Упругое изменение объема в скважине равно:

&V л V,

V,,

t + F.,

а; (5)

дУ, - изменение объема труб в

скважине; ДУ,| - изменение объема раствора

на устье скважины; F - площадь поперечного сечения труб;

f - длина спущенной трубы или бурильной свечи (несколько сое,циненньгх труб); F - площадь поперечного сечения измерительной емкости (затрубного пространства, фиг,1 и 2); а - изменение уровня раствора

на устье.

з совместного решения уравнений (5) получают следующее вьфажение гидродинамического давления:

0,5

дУ F, V,

,

0.5 /з; ,

UV-L +

V

(6)

Уравнение (6) получено для условия отсутствия перетока раствора в колонну труб.

Записывают уравнение для допусти- . мой величины гидродинамического дав-| ления:

f-I q

uVJ

0,5

где Pg а

AVJ V, -ь, V,

(7)

допустимая величина гидродинамического давления допустимая величина упругого изменения объема в скважине.

При движении колонны труб в скважине гидродинамическое давление не должно превьшать допустимой величи. ны.

т.е.

tPgl, Подставляя вместо Р их выражения (6) и (7), (8) принимает вид

(9)

ДУ 6 С AV 3 Управление процессом движения ко

лонны труб согласно условию (9) позволяет осуществлять контроль и регулировать режим спуска-подъема труб непосредственно при спуске-подъеме каждой трубы, своевременно уменьшить скорость спуска-подъема или прерыват процесс спуска-подъема. Способ прост для подключения его к системе автоматического управления процессом бурения.

При высоких значениях структурно- механических свойств раствора страгивающие давления превьшают давления при движении раствора, когда структура раствора разрушена. Поэтому возобновление спуска или подъема трубы до момента окончания движения раствора на устье после прерывания спуска (подъема) позволяет уменьшить страгивающее гидродинамическое давление и одновременно ускорить про- цесс спуска (подъема).

Способ осуществляют следзпощим образом.

При спуско-подъемных операциях контролируют уровень раствора на устье скважины в заколонном пространстве и длину спущенной (поднятой) трубы или бурильной свечи. Определяют величину изменения объема раствора на устье скважины и объем спущенной (поднятой) трубы или бурильной свечи. Определяют упругое изменение объема в скважине как

5

0

5

0

0

алгебраическую сумму изменения объ- . ема раствора на устье и изменения объема труб в скважине за время движения колонны. Полученное значение упругого изменения объема в скважине сравнивают с допустимой его величиной. Если текущая величина упру; гого изменения объема в скважине достигнет допустимого или близкого к нему значения, спуск (подъем) прерывают, выдерживают колонну без движения до восстановления давления в скважине, после чего спуск (подъем) продолжают. При применении высоко- струк-Гурированного раствора спуск (подъем) колонны возобновляют до момента окончания движения раствора на устье скважины.

Для контроля уровня раствора на устье скважины можно использовать поплавковые системы, например тарированную емкость с поплавковым устройством, сообщающуюся с заколонным пространством скважины и с желобной системой, или системы, основанные на измерении давления. Можно использовать другие устройства, например Микротрубки, спускаемые в скважину или образующие с ней U-образную систему.

Пример. Глубина скважины Н 1800 м, средний диаметр скважины D 0,296 м, длина спущенной обсадной колонны L 1500 м, наружный диаметр труб спускаемой колонны d 0,245 м. Колонна спускается с установленным в нижней части обратным клапаном, допустимое увеличение давления под башмаком колонны составляет 4 МПа и определено из условия предупрждения гидроразрьша в призабойной части скважины. Часть желобной системы, сообщающейся со скважиной, отделена перегородкой и оттарирована, причем перегородка установлена ниже верхнего уровня желоба. Оттарированная часть желоба используется для контроля изменения уровня и объема на устье скважины.

Предварительно определяют допустимое значение упругого изменения объема в скважине. При треугольной эпюре распределения гидродинамического давления в заколонном пространстве и прямоугольной эпюре в части скважины ниже башмака спущенной колонны, используя закон Гука, получается следующее выражение для определения доустимой величины упругого изменения бъема в

ЛУ} (0,5-,- V р,. V). Pgl,

де AVJ - допустимое значение упругого изменений объема в скважине;

- коэффициент упругого изменения объема в затруб- ном пространстве скважины, равный 13, 2«10 1/МПа} V - объем затрубного пространства;

- коэффициент упругого изменения объема в части скбажины ниже башмака колонны, равный 12v 10 1/MIIa; V - объем части скважины ниже

башмака колонны; допустимая величина гидродинамического давления, равная 4 МПа. Площадь поперечного сечения труб

FT

TI d2

0,047 м2

Площадь поперечного сечения скважины

Fj, 0,069 мЧ

Объем затрубного пространства

V (F - F )-L 0,022.L (11)

1 с т .

Объем скважины ниже башмака колонны

V , F (Н - L) 124,2 - - 0,069.L

Подставляя в выражение (10) значения равенств (11) и (12) входящих параметров, получают:

uVl (5961,6 - 2,472-L) Ю (мз).

(13)

Уравнение (13) можно использовать для определения любой длины спущен- ной колонны. При длине спущенной колонны 1500 м имеют LAV 0,225 м.

Через 5 с спуркают 2 м „трубы и объем раствора на устье уменьшается на 0,1 м и продолжает уменьшаться.

.

Объем 1 м трубы равен 0,047 м, и через 5 с объем труб в скважине увеличивается на 0,094 м. Упругое изменение объема в скважине через 5 с 5 после спуска составляет 0,194 м . Сравнивают упругое изменение объема в скважине с допустимой величиной: 0,194 0,225 ; Так как на контролируемый момент времени (5с) уровень раствора продолжает снижаться, а следовательно, гидродинамическое давление в скважине продолжает возрастать , то принимают решение прервать спуск, так как примерно через 5 1с при выбранном темпе спуска может произойти гидроразрыв. После того, как давление в скважине стравливается, о чем свидетельствует отсутствие движения раствора из сква- 20 жины, спуск трубы продолжают, контролируя описанным способом изменения упругого объема в скважине и,сравнивая его с допустимой величиной. Если в скважине находится раствор с высо- 25 кими структурно-механическими свой- ствами, спуск трубы после прерьшания возобновляют до окончания движения раствора на устье скважины.

Коэффициенты и р определяют 30 по результатам опрессовки скважины и обсадных колонн или расчетным путем с помощью известных методов при известных упругих свойствах раствора, стенок скважины и труб. 35 Способ мсгжно применять как при

спуске, так и при подъеме бурильных : и обсадных колонн.

В случае,, если при спуске труб уровень раствора за колонной не сни- 40 жается, а при подъеме труб уровень не повьш1ается, то текущее упругое изменение объема в скважине до момента страгивания раствора принимают равньм увеличению объема труб в сква- 45 жине при спуске и уменьшению при подъеме.

Изменение объема раствора в при- устьевой части скважины можно контролировать путем изменения объемной

50 скорости движения раствора за колонной, применяя для этой цели расходомеры.Можно применять комбинированный. метод контроля объема раствора в приустьевой части скважины путем конт55 роля за уровнем раствора за колонной и измерения расхода жидкости за колонной. Например, при спуске колонны до выхода раствора из скважины контролируют уровень раствора в скважине, а после выхода раствора в жалобную систему измеряют расход раствора из скважины.

Способ позволяет регулировать режим движения колонны от начала и до конца спуска (подъема) трубы или бурильной свечи.

Применение способа позволит уменьшить аварийность с элементами обсадных колонн, сократить случаи возникновения осложнений в скважине (по - глощенийу проявлений пластового флюида, нарушений УСТОЙЧИВОСТИ стенок скважины), имеющих место при спуско- подъемных операциях бурильных и обсадных колонн.

J4

V

/ / / / / / / /

/ / / / / X

/ /

/

f-2

777777 Фиг.1

Фиг. г

Фиг.З

Составитель Е.Столбцов Редактор И.Дербак Техред А,Кравчук Корректор С.Шекмар

Заказ 6812/27 Тираж 548Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4