главная / банк технологий / бурение / колтюбинговое бурение

Математическое моделирование колтюбингового бурения


МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛТЮБИНГОВОГО БУРЕНИЯ



В этой статье сделан обзор и приводится обсуждение компьютерного или математического моделирования, необходимого для планирования операций колтюбингового бурения (КТБ).

В целом операции, подобные колтюбинговому бурению, использовались и до проведения первых работ по КТБ. Эти операции включали расширение ствола и фрезерование, причем забойный двигатель использовался для поворота расширителя при бурении через участок смятой обсадной колонны или препятствия в скважине. Таким образом, колтюбинговое бурение требует обеспечения контроля поведения трубы для обеспечения требуемой траектории скважины. Колтюбинговое бурение имеет перспективы благодаря новым забойным инструментам и дальнейшим разработкам в области самих труб.

Колтюбинговое бурение начало серьезно проводиться в 1991 году, и к 1997 году оно применялось более чем на 225 скважинах, разбросанных по всему миру, но главным образом в Америке. Технология имеет большой потенциал для снижения стоимости по сравнению с традиционным бурением, она также позволяет проводить сопутствующие буровые операции и таким образом увеличивает скорость разработки коллектора. Эта возможность проведения сопутствующих операций облегчает безопасное проведение одновременных работ с помощью стандартной вышки и оборудования для буровых работ с помощью колтюбинга.

Еще одним фактором, который может быть засчитан в пользу колтюбинга в отношении любой скважины, является полный контроль над скважиной для безопасного бурения в условиях отрицательного перепада давления, или в то время, когда скважина находится в состоянии добычи, снижая возможность повреждения наружного продуктивного пласта.

Чтобы осуществить успешную операцию колтюбингового бурения, необходимо выполнить некоторые расчеты для оценки выполнимости проекта. Для математического моделирования было разработано несколько компьютерных моделей. Одни пакеты были разработаны своими силами несколькими из крупнейших подрядчиков рынка колтюбинговых услуг, и это программное обеспечение не предоставляется для использования третьим лицам. Существуют независимые модели, которые использовались в течение некоторого времени с достаточной степенью надежности в отношении колтюбингового бурения и прочих колтюбинговых операций. Одной такой моделью является "Система Анализа Трубы" - САТ (TubingAnalysis System - TAS), разработанная Medco в 1992 году, которая продолжала дорабатываться для соответствия развитию колтюбинговой промышленности и операциям, для которых она будет использоваться.

Компьютерное моделирование состоит из трех основных компонентов:
• анализ усилий и напряжения;
• циркуляция жидкости;
• анализ усталости.
АНАЛИЗ УСИЛИЙ И НАПРЯЖЕНИЯ
Традиционно используется для прогнозирования максимальной глубины использования колтюбинга при заданном весе на долоте (WOB) или максимальном весе на долоте на заданной глубине. Этот тип анализа учитывает вес, плавучесть, трение между колтюбингом и стволом скважины и устойчивость трубы. Когда труба теряет устойчивость, это приводит к ее изгибу. В случае с изгибом трубы максимальное внимание уделяется условиям зависания последней в обсадной колонне.

Зависание трубы - термин, используемый для определенных условий, при которых ни движение самой трубы, ни усилия с ее помощью не могут передаваться в скважину. Обычно это происходит, когда вес трубы, регистрируемый на поверхности, резко падает при небольшом перемещении ее при спуске. Физически труба проходит через последовательность синусоидальных и спиральных изгибов. Нижний участок трубы не будет подвергаться изгибу, но вверх по скважине части трубы будут находиться в состоянии синусоидального изгиба, чередующегося со спиральным изгибом. Спирально изогнутая труба может находиться в таком состоянии до самой поверхности. На участках спирально изогнутой трубы контактное усилие между трубой и стенкой скважины быстро возрастает, в конечном итоге достигая асимптоты. Это контактное усилие вызовет пропорциональное увеличение силы трения, за счет чего снижается вес инструмента, регистрируемый на поверхности.

Сдерживающим фактором в случае с изгибом является максимальное трехкоординатное напряжение. Оно включает три составляющие: осевую, радиальную и кольцевую (периферическую) нагрузки. Компонент осевой нагрузки возрастает, когда режим изгиба включает в себя воздействие изгибающего напряжения. Когда трехкоординатное напряжение достигает минимального предела текучести гибкой трубы, достигаются условия постоянного винтообразного изгиба. Такие условия являются критическими и создают трудности для безопасного извлечения трубы из скважины.

Существует много способов увеличения максимальной глубины гибкой трубы. Например, труба с большим диаметром, вероятно, будет более устойчивой. К дополнительным факторам относят характеристики материала гибкой трубы, траекторию скважины и заканчивания. (Комментарий редактора: Жёсткость трубы зависит от внешнего и внутреннего диаметра в четвертой степени, отвеса погонного метра трубы, от модуля упругости материала и обратно пропорциональна максимально возможно-му прогибу трубы в обсадной колонне или скважине.)

Ясно, что расчеты, используемые в данном сценарии, могут не соответствовать действительности! Поэтому компьютерное моделирование более пригодно для такого вида сложных работ. Некоторые сценарии могут быть смоделированы за несколько минут, и их результаты могут быть использованы для определения оптимальных условий.


ЦИРКУЛЯЦИЯ ЖИДКОСТИ
Главной целью анализа циркуляции жидкости является прогнозирование давления и скоростей жидкости. Показатели давления на устье скважины и давления закачки обычно получить несложно, и это можно сделать с помощью датчиков/сенсоров давления на поверхности. Но давление на забое является фактором первоочередной важности, так как этот параметр трудно определить в реальном времени, за исключением случаев, когда используются скважинные датчики давления с кабелем. В случае с бурением при отрицательном перепаде давления желательно держать забойное давление в диапазоне между поровым давлением и разрушающим давлением пласта.

Скорость жидкости должна удерживаться на достаточно высоком уровне, особенно в затрубном пространстве, для обеспечения более эффективной очистки ствола. Кроме того, в большинстве операций колтюбингового бурения забойный двигатель используется для вращения долота, таким образом, требуя дополнительного количества жидкости, протекающего в единицу времени.

Дальнейшие аспекты анализа циркуляции жидкости включают расчет выноса выбуренной породы, вскрытия коллектора, использования многофазного потока, пены и неньютоновских жидкостей.
При проектировании программы бурения необходимо:
• определить ограничения по забойному давлению. Должны быть учтены поровое давление/давление коллектора и разрушающее давление пласта;
• выбрать жидкость, которая будет использоваться, в зависимости от способа ее реагирования с пластом;
• определить вынос выбуренной породы. Зная, с какими пластами придется столкнуться, будет возможно произвести оценку выбуренной породы и плотность. Как только будут известны эти параметры выбуренной породы, может быть определена скорость осаждения выбуренной породы;
• определить минимальные требуемые скорости жидкости в затрубном пространстве. И экспериментальный, и теоретический анализы показали, что самые худшие условия для выноса выбуренной породы наблюдаются при угле наклона оси скважины к вертикали в 55-60 градусов.
Минимальные требуемые скорости потока в затрубном пространстве определят минимальную интенсивность расхода промывочной жидкости;
• убедиться, что расход жидкости является достаточным для вращения забойного инструмента;
• использовать вышеприведенную информацию для определения возможности выноса породы на поверхность. В противном случае необходимо рассмотреть возможность использования загущенных жидкостей для увеличения способности выноса жидкости, затем снизить скорость многофазного потока для снижения забойного или циркуляционного давления. И снова мы видим, что анализ циркуляции жидкости является необходимым инструментом для учета различных условий до тех пор, пока не будет получена удовлетворительная программа бурения.


АНАЛИЗ УСТАЛОСТИ
Анализ усталости используется для минимизации риска поломки трубы из-за усталости металла. Усталость металла является результатом циклов пластической деформации трубы при ее намотке на барабан. Таким образом, анализ усталости позволяет контролировать цикличную работу трубы, учитывая давление жидкости и другие относящиеся к делу параметры. Из-за геометрии оборудования, используемого в колтюбинговых операциях, труба претерпевает несколько циклов пластической деформации. Циклическая пластическая деформация вызывает усталость метала гораздо раньше, чем упругое нагружение. Использование трубы, таким образом, ограничено количеством циклов, определяемых размером оборудования, внутренним давлением, сваркой и контактом с корродирующими материалами. Воздействие циклов пластической деформации накапливается. Таким образом, компьютерная программа для контроля усталости отслеживает историю усталости гибкой трубы.



СБОР ИНФОРМАЦИИ
Как мы уже ранее заметили, программы моделирования и контроля требуют большого количества информации. Большое количество информации можно получить, заранее зная характеристики месторождения. Однако часть данных может значительно варьироваться, как только начнут проводиться работы с колтюбингом. Таким образом, необходимо обновлять моделирование по ходу работ.

"Ручной" сбор информации - нелегкая задача для оператора колтюбинга. А электронные системы сбора информации позволяют оператору концентрироваться на выполнении работ, а не на сборе информации. Используемая совместно с соответствующим программным обеспечением система сбора информации позволяет выполнять некоторые расчеты в реальном времени, показывая тенденции выполнения работы. Для большинства операций с трубой важнейшими параметрами являются:
• глубина;
• скорость;
• вес колонны;
• циркуляционное давление;
• устьевое давление;
• расход жидкости / расход азота;
• общий объем жидкости / азота.

Все эти параметры могут отслеживаться с использованием электронных сенсоров, расположенных на колтюбинговом оборудовании на поверхности.

Другими параметрами, которые могут отслеживаться, являются овальность гибкой трубы и толщина стенок. В настоящий момент существует несколько датчиков овальности трубы, которые используются сервисными компаниями, но измерения толщины стенки не так-то просто осуществить.

Скважинные показания требуют использования скважинных датчиков, равно как и канала для передачи информации. Это делает их применение более сложным, но не невозможным (на самом деле они применялись в нескольких операциях колтюбингового бурения). Более того, скважинные датчики увеличат длину и вес КНКБ, делая операцию с колтюбингом более сложной. Перечень параметров, которые могут отслеживаться, может быть бесконечным. Ниже приведены наиболее желательные, в частности для КТБ (обратите внимание, что все параметры являются внутрискважинными):
• вибрация - чтобы удостовериться, что долото еще вращается;
• гамма-излучение - для корреляции глубины;
• траектория скважины (с помощью акселерометра/магнетометра) - чтобы убедиться, что она выдерживается;
• давление - чтобы удостовериться, что давление на забое находится в требуемых пределах;
• температура - для подстройки расчета циркуляции жидкости.

Геологи и инженеры-разработчики нефтяных и газовых месторождений, исходя из своего опыта, могут продолжить этот перечень параметров для наблюдения.


КОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛТЮБИНГОВОГО БУРЕНИЯ

Вступить в Ассоциацию! Члены Ассоциации
Все права защищены
© АсБур 2005-2015