Способ определения допустимой скорости спуско - подъема бурильной колонны по гидродинамическим условиям Советский патент 1991 года по МПК E21B19/00 E21B21/08 

Изобретение относится к области бурения глубоких нефтяных и газовых скважин, а именно к способам оптимизации скорости спускоподъема бурильной колонны.

Целью изобретения является повышение безопасности выполнения спускоподъ- емных операций (СПО) на скважинах, проводимых в сложных геолого-технических условиях, за счет более точного вычисления допустимых по гидродинамическим условиям скоростей спускоподъема бурильной колонны.

На фиг.1 показан фрагментарно ход процесса подъема бурильной колонны из скважины в координатах время - длина бурильной колонны; на фиг.2 - ход СПО в координатах время - длина бурильной колонны; на фиг.З - зависимость времени простоя промывочной жидкости по глубине скважины в ходе СПО; на фиг.4 - фрагментарно ход процесса спуска бурильной коО

о о о

Qs 00

лонны в скважину в координатах время - длина бурильной колонны.

Способ определения допустимой скорости спускоподьема бурильной колонны по гидродинамическим условиям может быть осуществлен в промысловых условиях на буровых установках, оснащенных устройствами оптимизации СПО следующим образом.

После завершения очередного рейса долота и принятия решения с перехода к СПО на скважине выполняются обычно один - три полных цикла промывки с целью вымыва с забоя частиц выбуренной породы, удаления из промывочной жидкости газообразных и жидких флюидов, поступивших из вскрытых пластов, выравнивания по глубине и стабилизации, свойств промывочной жидкости. В ходе предподъемной промывки осуществляют отбор пробы промывочной жидкости на выходе из скважины и в условиях промысловой лаборатории определяют ее параметры: с помощью вискозиметра полевого типа ВП-5 замеряют условную вязкость Т, с, на приборе типа СНС-2 или ВСН- 3 изменяют значения статического напряжения сдвига #1 и вю , Па По геолого-техническому наряду (ГТН) на скважину и вахтенному журналу бурильщика определяют геометрические параметры скважины, глубину скважины на момент начала подъема бурильной колонны LCKB, м, глубину расположения башмака последней обсадной колонны (например, технической колонны) Ц, м, внутренний диаметр труб последней обсадной колонны D0, мм, который находится по известному из ГТН наружному диаметру колонны DO, мм, и толщине стенки обсадных труб ho, мм, D0 D O - 2 h0, диаметр долота (диаметр необсаженного участка скважины) Од, мм, а также находят другие параметры: суммарную длину утяжеленного низа бурильной колонны (УБТ + турбо- бур)ух. м, наружный диаметр бурильных труб (БТ) йен, мм, толщину стенки БТ hs, м, наружный диаметр УБТ dy, мм.

На основе данных геофизических исследований скважины, прогнозов пластового давления в скважине, опыта проводки скважин на этой же площади или в сходных геологических условиях задаются величинами допустимого гидродинамического давления в скважине при подъеме бурильной колонны ДРП, МПа, и спуске ДРС, МПа.

В ходе подъема бурильной колонны из скважины в зависимости от общей длины бурильной колонны U, получаемой от устройства оптимизации СПО, которые вычисляет U путем вычитания импульсов,

поступающих с датчика перемещения талевого блока с учетом величины сигнала с дат- чика веса: из UKB определяют геометрические и другие параметры буриль- ной колонны в следующем порядке. Проверяют выполнение условия

U lyj(1)

т.е. выясняют, имеются ли в бурильной колонне в текущий момент времени кроме УБТ еще и БТ, Если это условие выполняется, то принимают ly lyj и определяют длину бурильной колонны без УБТ1

U -U-lyj(2)

если условие (1) не выполняется, то при- нимают

U1 0; 1У U(3)

Затем проверяют выполнение условия

L LQ

(4)

т.е. выясняют, находится ли низ подни- 20 маемой бурильной колонны в необсаженной части скважины. Если это условие выполняется, то принимают диаметр скважины D, равным диаметру долота:

D Од(5)

25если условие (4) не выполняется, то принимают

D Do(6) .

Определяют коэффициент перекрытия площади сечения скважины 30i/ (d5H2-dBB2)/D2,

где ds в - внутренний диаметр БТ мм Нетрудно показать, что наиболее удобным является вычисление 1/ в соответствии со следующим выражением. (dBHh5 -h52)/D2(7)

Определяют эквивалентную длину УБТ по выражению

0

5

уз

( D -dBH о 1 D -d2, }

D -d БН D -dy

ly М

rti

После этого вычисляется эквивалентная длина бурильной колонны:

U э U + ly э, м

О)

В ходе подъема по каждой 1-й поднимаемой свече определяют величины ,()

(О

У) в соответствии с алгоритмом, описанным в (1) - (9).

Для корректного определения величи0 ны СНС промывочной жидкости в ходе СПО при подъеме каждой свечи поступают следующим образом.

Момент завершения предподъемной промывки скважины принимают за начало

5 отсчета времени СПО (t 0) и процесса подъема бурильной колонны, в частности (tff 0). Этому моменту времени соответствует U UKB. С этого же момента времени начинается простой промывочной жидкости в скважине перед подъемом первой свечи: t0.nn 0 - начало простоя. Пока члены буровой вахты выполняют подготовительные операции, промывочная жидкость в скважине находится в состоянии покоя, в ней нарастает структура, а з.начит, возрастает СНС в соответствии с законом Oi f(tnp). Нарастание СНС во времени для буровых растворов на бентонитовой основе происходит по логарифмическому закону, описываемому выражением:

% C + Digtnp, Па,(10)

где С и D - константы, численные значения

которых находятся так: С $1 , D $10 - 6 ;

top - время нахождения промывочной жидкости в покое после предшествующего интенсивного механического перемешивания, мин.

В момент начала подъема первой свечи БТ из скважины промывочная жидкость в скважине выводится из состояния покоя и начинает перемешиваться вследствие перемещений масс промывочной жидкости в за- трубном пространстве и внутри бурильной колонны, обусловленных извлечением металла труб из скважины, при этом фиксируется момент времени ь.к.п конец простоя. Вычисляют время простоя промывочной жидкости перед подъемом первой свечи (время простоя в нулевом цикле подъема):

tnnp.o .K -tno.H tno.K , мин(11)

В первый момент времени начала подъема первой свечи ()определяют величину СНС промывочной жидкости в скважине в первом цикле подъема в соответствии с общей закономерностью (10):

00) C + D.lgtnP.on, Па,(12)

В начале первого цикла подъема рассчитывают численное значение допустимой по гидродинамическим условиям скорости подъема в соответствии с выражением:

„w

-1

enhп.Эоп 1,808V1 8

После извлечения первой свечи и постановки бурильной колонны на клинья фиксируют момент времени Т1н , с которого начинается простой промывочной жидкости в скважине в ходе первого цикла подъема, В момент завершения первого цикла подъема и .перехода ко второму циклу подъема (I 2), когда происходит подхват бурильной колонны с клиньев за верхний замок второй поднимаемой свечи, фиксируется момент времени tiKn: вычисляют время простоя

промывочной второй свечи:

жидкости перед подъемом

tnp.ln tiKn-tiHn, мин,(14)

находится СНС промывочной жидкости в момент начала второго цикла СПО:

0(2) С+ Dlgtnp.i, Па,(15)

определяется допустимая скорость

подъема во втором цикле:

лР„

/«

п.Зон

вов.(/«. L (il5-e0 00 55TJ:

06)

А члогично производятся вычисления допустимых скоростей подъема по следующим циклам. Допустимая скорость подъема в i-м цикле подъема определяется так:

iV

л.Эсп

- .с ГьрпI ;17)

|.вовУ1)-в L 32,)5.eao055 -TJ c2С

где - величина СНС промывочной жидкости в скважине к моменту начала подъема 1-й свечи, Па:

25#() C + Dlgtnp.Mn. Па;

(18)

tnp.i-1 - время простоя промывочной жидкости в предыдущем (1-1)-м цикле подъема:

tnp.i-in tMKn-ti-iHn. мин;(19)

1 tHHn - момент времени постановки бу- рильной колонны на клинья после завершения подъема (Ы)-й свечи:

ti-iKn - момент времени завершения (1-1)го цикла подъема и перехода к i-му циклу.

Процесс подъема бурильной колонны из скважины на диаграмме с осями tn, мин, и LK, м, отображается непрерывной ломаной линией tn f(LK), начальный участок (первые

извлекаемые свечи), средний участок (1-тая свеча) и заключительный участок (последние извлекаемые свечи) которой представлены на фиг.1. Для упрощения принято, что извлечение бурильной колонны на длину

свечи производится с постоянной скоростью, этой ситуации соответствуют отрезки прямых линий, расположенные под наклоном к оси абсцисс. По мере извлечения бурильной колонны из скважины возрастает

высота столба промывочной жидкости, находящейся между долотом и забоем скважины и не подвергающейся механическому перемешиванию. Покоящаяся в указанном столбе промывочная жидкость набирает со

временем структуру, причем с точки зрения интенсивности структурообразования столб жидкости неоднороден, он состоит из участков (страт), длины которых равны длинам соответствующих извлекаемых из сква- жины бурильных свечей. Процесс

структурообразования в жидкости на каждом участке начинается в различные моменты времени (фиг.1), а именно на участке LvT LK в момент времени tiHn, т.е. в момент постановки бурильной колонны на клинья после извлечения первой свечи, на участке IV3 , в момент времени тгн, т.е. в момент постановки бурильной колонны на клинья после извлечения второй свечи, и так далее на участке LK , - в момент временными , когда извлечена (М}-я свеча и колонна поставлена на клинья. В любой текущий момент времени t время простоя промывочной жидкости в покое на любом из указанных участков может быть легко определено, так, например, для определения воемени простоя жидкости на 1-м участке LK , достаточно найти следующую разность

tnp.ln t-ti-iHn, мин,(20)

Знание времени простоя в состоянии

покоя промывочной жидкости по глубине

скважины в любой момент времени имеет

определяющее значение для корректного

определения 6Д1/ в циклах спуска, а значит для определения точных значений Ус.доп i Поэтому в процессе подъема бурильной колонны из скважины важно, наряду с вычислением Уп.доп . сформировать массив данных, описывающих зависимость tn f i(U). Для этого в ходе подъема бурильной колонны каждый раз при постановке колонны на клинья после извлечения очередной (1-1)-й свечи запоминается пара значений: текущий момент времени ti-iHn и IV, т.е. зависимость tn fi(U) регистрируется по точкам

1,2, (фиг.1). Такое дискретное

представление зависимости tn f i(L«) позволяет восстановить ее в нужный момент с достаточной точностью,

Рассчитываемые по (17) допустимые скорости подъема по гидродинамическим условиям выводятся перед оператором-бурильщиком на устройство визуализации (отображения), ориентируясь на показания которых бурильщик воздействует на органы управления спускоподъемным агрегатом буровой установки с тем, чтобы вести подъем при равенстве фактической скорости /п.ф и допустимой /п.доп . При этом достигается максимально возможная производительность труда в ходе подъема и предотвращаются осложнения в скважине по гидродинамическим причинам.

Процесс подъема бурильной колонны из скважины завершается подъемом последней N-й свечи, в момент появления долота над роторным столом запоминается пара значений: 0 и тынп Тп где Тп

- время подъема бурильной колонны и/, скважины, мин. Точка с координатами Одмн - последняя на зависимости tn f i(U), она завершает график подъема (фиг.1 и 2).

После завершения подъема члены буровой вахты отвинчивают отработанное долото, навинчивают новое, осматривают оборудование, инструмент и выполняют другие подготовительные работы, на которыв затрачивается время Тсд,-мин (фиг.2).

В момент времени t начинается спуск в скважину N-й бурильной свечи (фиг.2 и 4), длина бурильной колонны в этом цикле возрастает от u N+1 0 до U , В начальный

момент спуска N-й свечи вычисляется время простоя промывочной жидкости в скважине на участке 0;Ц{Н, которое определяет ее СНС:

tnp.NC (Tn + TCA)-tNHn, МИН,(21)

затем определяется величина СНС про- мывочной жидкости на указанном участке в момент начала спуска N-й свечи.

0()

С+ D-lgtnpNc, Па,

(22)

25

наконец, вычисляется значение допустимой скорости спуска этой свечи в скважину по гидродинамическим условиям:

{

К «

2Јо.ьРс

ню

itio.fJiL+

fW . JiJ D-dJ

w/e,

(23)

0

0

с которой и должен осуществляться спуск N-й свечи в скважину.

После завершения спуска N-й свечи фиксируется момент времени tNHc - начало простоя промывочной жидкости в N-м цикле спуска. В момент времени N-й цикл спуска завершается и начинается цикл спуска (N-1)-n свечи в скважину, при этом выполняется съем колонны с клиньев и ее спуск нз длину (N-1)-u свечи (фиг.4). В момент начала (N-1)-ro цикла спуска, длина колонны в скважине равна LK , соответствующее этой длине значение функции tn fi(Lx), а время простоя промывочной

5

0

5

жидкости на участке U ,

tnp.N-1C - ТЫ-1нП. МИЧ.(24)

затем определяется величина СНС промывочной жидкости на указанном участке в момент начала спуска (М-1)-й свечи:

0(м-1) -c + D-lgtnpN-ic, Па, (25) вычисляется значение допустимой скорости спуска (N-1)-i/i свечи в скважину по

гидродинамическим условиям:

(N-ll j

ViW ц

en

250,Лрс

. / ,

Л1М U . Е

-V

м/с.

(26)

. JL + ..-- VD-dH 2-d3J

Как видно из фиг.4 цикл спуска (N-IJ-й свечи в скважину завершается в момент времени t,M-uc, когда длина бурильной колонны достигается LK Ч

В этот же момент времени tN-iKc начинается цикл спуска (N-2)-u свечи, в начальный момент этого цикла вычисляются:

tnp.N-2C tN-2KC - tN-2Hn, МИН ;(27)

0(N-2) с + D gtnp.N-2c, Па, (28) а спуск (М-2)-й свечи должен выполняться со скоростью

-А. Зол к

250-ЬРС

9

(м-41 111 4 1 е Г

t D-d D-d,

,ГО

Процесс спуска бурильной колонны в скважину продолжается, при этом время, затраченное на спуск, в зависимости от длины бурильной колонны U характеризуется функцией tc f(U) (фиг. 2),

В момент начала спуска i-й свечи 7с.доп вычисляется так:

tnp.i.c ti+iKc - tiHn, мин;(30)

00) С + D Igtnp/, Па,(31)

...л .1 „.

(32)

gl.l

(i+0

I itUO

Ьц

D-dH

,«/c.

Н

Спуск последней свечи в скважину должен осуществляться со скоростью

250-ЬРС

,(33)

vw .- en

Ve.3w K

(О

I ll«

где

о (2) 1

D-dHT JJ-cJu

Па

(34) (35)

0(0 c +D lgtcnP

tnp.t -1П1н,мик

По завершении спуска в скважину первой свечи (как правило, это ведущая труба) длина бурильной колоны достигает значения глубины скважины, ц Цкв. Фиксиру- емый при этом момент времени tiHc определяет как продолжительность спуска бурильной колонны Тс, так и общую продол-, жительность СПО - Тело (фиг.4 и 2).

Рассчитываемые по, (32) допустимые скорости спуска по гидродинамическим условиям по каждой 1-й свече Ус.догг и фактические скорости Vc.} выводятся для бурильщика на устройства отображения информации и спуск осуществляется при равенстве фактических скоростей допустимым. При этом предотвращаются осложнения в скважине и достигается наибольшая возможная производительность труда в ходе спуска.

Полученные в ходе СГ|0 значения Тп, ТСд, Тс, Тспо служат для анализа работы буровой вахты при выполнении спускоподъе- ма, а Тспо используют, кроме того, для оптимизации процесса бурения в следующем за СПО рейсе по критерию рейсовой скорости.

На фиг.2 показаны зависимости tn fi(L«) и tc f2(U), соответствующие им кривые представлены упрощенно плавными, лишенными ступенчатости. Это наглядно демонстриру5 ет процесс вычисления времени простоя промывочной жидкости в скважине по глубине скважины в ходе спуска бурильной колонны. Для любого фиксированного значения длины бурильной колонны U.i вре10 мя нахождения промывочной жидкости в состоянии покоя на участке, прилегающем к низу бурильной колонны (долоту), может быть определено так:

15 tnp.ic tt.i - tn.) tc(U.i) - tn(U.i) f2 (U.i) - f i(U.i). (36)

Естественно, время простоя tnp° зависит от глубины расположения участка (длины бурильной колонны в скважине): 20 tnpc fa(U) f2(U) - f2(U).(37)

Вид зависимости tnpc fa(LK) показан на фиг.З, из которой виден диапазон значений времени простоя:

Тсд tnpC f3(U) Тспо(38)

25 Из рассмотрения фиг.1 - 4, а также выражений (17) и (32) можно сделать вывод о том, что увеличение производительности труда в ходе СПО на скважинах, проводимых в сложных геолого-технических услови30 ях, возможно только за счет сокращения простоев в ходе спускоподьема: сокращения времени Тед, сокращения времени в ходе подъема на отвинчивание поднятой бурильной свечи, ее приподьем, вынос от

35 устья скважины, установку в магазин, спуск незагруженного элеватора, сокращения времени в ходе спуска на подъем незагруженного элеватора, вынос очередной свечи из магазина к устью скважины, свинчивание

40 свечи с бурильной колонной и пр.

Формула изобретения 1. Способ определения допустимой скорости спускоподъема бурильной колонны по гидродинамическим условиям, включаю45 щий определение в период предподъемной промывки скважины значений трех параметров промывочной жидкости - условной вязкости, статического напряжения сдвига (СНС) через 1 мин покоя, СНС через 10 мин

50 покоя, определение геометрических размеров скважины, определение допустимой величины гидродинамического давления в скважине при подъеме, определение в ходе спускоподъемных операций текущих гео55 метрических размеров бурильной колонны, находящейся в скважине, вычисление эквивалентной длины утяжеленного низа бурильной колонны, вычисление эквивалентной длины бурильной колонны, определение величины коэффициента перекрытия площади сечения скважины, определение в каждом (И)-м цикле подъема бурильной колонны на длину свечи времени простоя промывочной жидкости, начало отсчета которого ведут от момента постановки бурильной колонны на клинья после извлечения (1-1)-й бурильной свечи, а конец отсчета совпадает с моментом начала цикла подъема 1-й бурильной свечи-, вычисление величины СНС промывочной жидкости на момент начала подъема 1-й свечи, вычисление допустимой скорости подъема бурильной колонны в i-м цикле подъема по, выражению

гьРр1 м

e %Z2VL ; eao0555-T.h

Э0 1,808 V° 8 „

где е - основание натурального логарифма;

Т - условная вязкость промывочной жидкости, с;

ДРп - допустимая величина гидродинамического давления в скважине при подъеме, МПа;

1р( - коэффициент перекрытия площади сечения скважины бурильной колонной;

Цс.э. эквивалентная длина бурильной колонны,м;

rf

Па:

СНС промывочной жидкости,

«(

C + D-lgtnp.i-Л

где tnp.Mn - время простоя промывочной жидкости в скважине в (М)-м цикле подъема, мин;

С и D - константы, численные значения которых находятся из выражений С ft ; D в о - 01 ; #1 , #1 о з н а ч е н и я СНС промывочной жидкости через 1 и 10 мин покоя, Па, о тли чающийся тем, что, с целью повышения безопасности выполнения спускоподъем- ных операций на скважинах, проводимых в сложных геолого-технических условиях, за счет более точного вычисления допустимых по гидродинамическим условиям скоростей спускоподъема бурильной колонны, переЈ началом спускоподъемных операций onpej деляется допустимая величина гидродина мического давления в скважине при спуске, а в ходе спуска для каждой i-й свечи вычисляется допустимая скорость по гидродинамическим условиям по выражению

Эои

250

Т, .1 ql l ll с D-dH

ЬРС

idtil jli

+

D-dL

,/А/С.

где К - коэффициент, принимающий значения из диапазона от 0,24 от 0,73;

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Д Рс - допустимая величина п/дооди- намического давления в скважине при спуске, МПа;

D, и dy - диаметр скважины, наружный диаметр бурильных труб и наружный диаметр утяжеленного низа бурильной колонны, мм;

U 4 - длинз бурильной колонны без утяжеленного низа и длина утяжеленного низа колонны в момент завершения цикла спуска предыдущей (1+1)-й бурильной свечи, м;

в ) - значение СНС промывочной жидкости в скважине на участке под долотом в момент начала спуска 1-й бурильной свечи, Па.

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что входящая в выражение для определения допустимой скорости спуска бурильной колонны в скважину величина СНС промывочной жидкости на участке под долотом в момент начала спуска 1-й бурильной свечи определяется адаптивно по каждому циклу спуска в зависимости от времени простоя промывочной жидкости на указанном участке в состоянии покоя по выражению

ftO) С +D lgtcnp.i -Па,

где tnp i1 - время простоя промывочной жидкости на участке скважины, расположенном под долотом бурильной колонны на длину i-й свечи, к моменту начала спуска i-й свечи в скважину, мин.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что время простоя промывочной жидкости на участке скважины, расположенном под долотом бурильной колонны на длину i-й свечи, к моменту начала спуска i-й свечи в скважину вычисляется по выражению

tnp Iе т,н-1„с - ti, мин,

где ti+i c - момент времени окончания предыдущего (i+1)-ro цикла спуска бурильной колонны на длину свечи, мин;

tin момент времени начала простоя промывочной жидкости в скважине на рассматриваемом участке после подъема i-й свечи из скважины, мин.

4, Способ по п.1,отличающийся тем, что при отсчетах времени в ходе подъема бурильной колонны из скважины, работ по смене долота, в ходе спуска бурильной колонны в скважину за начало отсчета времени принят момент окончания предподъ- емной промывки и перехода к циклу подъема из скважины первой бурильной свечи.

. - 5. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в ходе подъема бурильной колонны из скважины после извлечения очередной (1-1}-й бурильной свечи при постановке бурильной колонны на клинья осуществляется запоминание момента времени начала простоя промывочной жидкости в скважине на участке под долотом ti-iп и длины бурильной колонны к началу 1-го цикла подъема Ц , при этом к концу подъема бурильной колонны по точкам с координатами LK , ti-1 и (,2,3N) формируется зависимость tn f l(U).

6. Способ по п.З, отличающийся тем, что в начале 1-го цикла спуска бурильной колонны в скважину значение момента времени начала простоя промывочной жидкости в скважине на участке под долотом после подъема 1-й свечи в ходе подъема бурильной колонны определяется по известному значению длины бурильной колонны

после завершения предыдущего (iM)-ro цикла спуска и |+1 из зависимости

tn fi(U), мин,

где L - длина бурильной колонны в скважине, определяющая глубину залегания участка промывочной жидкости под долотом, м;

tn - момент времени перехода промывочной жидкости на указанном участке в состояние покоя после извлечения из него бурильной колонны, мин..

7. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в ходе спускоподъемных операций запоминаются время подъема бурильной колонны из скважины, время смены долота, время спуска бурильной колонны в скважину и суммарное время, затраченное на спу- скоподъем.

Изобретение относится к бурению глубоких нефтяных и газовых скважин, а именно к способам оптимизации скорости спускоподъема бурильной колонны (БК). Целью изобретения является повышение безопасности проведения спускоподъем- ных операций. Для этого вычисляют величи-. ны допустимых скоростей подъема или спуска БК на длину одной свечи адаптивно в зависимости от истинного значения статического напряжения сдвига (СНС) промывочной жидкости (ПЖ), заполняющей скважину, на момент начала очередного цикла подъема или спуска. Значение СНС определяется в зависимости от времени простоя ПЖ в состоянии покоя на участке, в котором будет перемещаться низ БК при спускоподъеме в рассматриваемом цикле. Зависимость СНС от времени простоя учитывается в виде логарифмической функции. Время простоя ПЖ при спуске на каждом участке определяется как разность между текущим моментом времени в ходе спуска и моментом времени завершения извлечения БК с этого участка в ходе предыдущего подъема. Для этого в ходе подъема запоминается зависимость времени, затраченного с начала подъема БК до достижения последней определенной длины, от длины БК в скважине. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

№ 2

№,мин cno

Ј-«/w

lPcti.3