ЛАТЫПОВА ЮЛИЯ АВИСОВНА

УДК 622.245.73(043)                                                       На правах  рукописи

 

 

 

 

 

Латыпова Юлия Ависовна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Совершенствование конструкции  обвязки устья скважины для предотвращения выбросов газожидкостных продуктов

 

 

 

05.05.06 – Горные машины

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2010

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете имени К.И.Сатпаева

 

 

 

Научный руководитель:                          доктор технических наук,

                                                                       Музапаров М.Ж.

 

 

 

 

Официальные оппоненты:                      доктор технических наук,

                                                                       Бексалов Е.Б.

                                                                      

                                                                       кандидат технических наук,

                                                                       Мусабаев М.О.

 

 

 

 

Ведущая организация:                             ДГП Институт горного дела

                                                                       имени Д.А. Кунаева                   

 

 

 

Защита состоится  12 марта   2010 г.   в 14.00   часов на заседании диссертационного совета Д 14.61.23 при Казахском национальном техническом университете имени К.И.Сатпаева по адресу: 050013, г.Алматы, ул. Сатпаева 22,  в аудитории 252 ГМК                     

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КазНТУ имени К.И.Сатпаева по адресу: 050013, г.Алматы, ул. Сатпаева 22, корпус ГМК, тел.2577130, на сайте www.kazntu.kz

 

 

Автореферат разослан 10 февраля  2010 г.

 

 

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета                                                      Ж.Д.Байгурин

 

Введение

 

Актуальность работы. Республика Казахстан является одной из ведущих стран в мире по  запасам твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых с развитой добывающей промышленностью.

Увеличение объемов добычи руд, нефти и газа неизбежно связано                     с эксплуатацией новых месторождений и продуктивных горизонтов, открытие которых зависит от степени совершенства применяемой технологии бурения скважин. В настоящее время имеется тенденция к значительному росту глубин вновь разрабатываемых залежей полезных ископаемых.

Как показывает практика бурения скважин, газопроявления представляют собой весьма опасный, характеризующийся различными неожиданностями вид осложнений, а в подземных условиях может сопровождаться взрывами.

Газопроявления могут переходить из одной формы в другую, превращаясь, при наличии соответствующего потенциала, в выбросы и открытые фонтаны,  при этом превращения происходят довольно быстро,  что характерно обычно для завершающих фаз развития выбросов. Последовательность в развитии каждого газопроявления, а также конкретная его форма на конечном этапе  являются результатом влияния множества самых разнообразных факторов. Все эти факторы могут быть разделены на три основные группы: природные; технико-технологические; организационные.

До настоящего времени недостаточно изучены все факторы, определяющие поступление газожидкостных смесей в ствол скважины как в процессе углубки скважины, так и во время сопутствующих операций, слабо изучена технология автоматического регулирования давления в затрубном пространстве для поддержания сбалансированного давления на забое скважины при наличии в ней очистного агента малой плотности, малой глубине скважины или горизонтальном направлении ее.

В связи с этим проблема совершенствования  устьевой обвязки манифольда буровой установки и элементов, включаемых в колонну бурильных труб, является актуальной.

Цель работы заключается в совершенствовании конструкции  элементов обвязки устья скважины и колонны бурильных труб буровой установки для предотвращения избыточного поступления флюида в ствол скважины и неконтролируемого выброса ее в смеси с очистным агентом в процессе бурения.

Идея работы заключается в поддержании сбалансированного давления очистного агента на забое скважины при углубке, спуско-подъеме и наращивании инструмента для предотвращения поступления флюида в ствол скважины.

Объект исследования: бурение скважин в условиях аномально высокого пластового давления.

Предмет исследования:  обвязка устья скважины буровой установки.

Методы исследования. При выполнении работы использован комплексный метод исследований: анализ научно-технической информации и патентных материалов; экспериментально-аналитические исследования на специально разработанном стенде работы клапан-отсекателя; математические методы; компьютерная обработка результатов исследований.

Задачи исследования:

-  исследование основных факторов, способствующих поступлению флюида в ствол скважины в процессе углубки ее и спуско-подъеме бурового инструмента;

- установление закономерностей изменения силового воздействия потока очистного агента с различными реологическими свойствами на установленный в вертикальном положении дисковый клапан;

- разработка экспериментальных и опытных специальных устройств (клапан-отсекателя, оппозитного обратного клапана), включаемых в состав буровой установки при углубке скважины и спуско-подъемных операциях для предотвращения поступления в ствол скважины флюида;

- разработка компоновки устьевого и скважинного оборудования буровой установки, предназначенной для бурения скважин как с поверхности, так и из подземных выработок.

Научные положения,  выносимые на защиту:

- автоматическое  регулирование давления очистного агента в затрубном пространстве  для предотвращения поступления флюида в ствол скважины, обеспечивается введением в конструкцию устьевой обвязки клапан-отсекателя, настраивающего устьевую обвязку в режим дросселирования  обратного потока очистного агента;

-  неконтролируемое поступление флюида из пласта за счет струйного эффекта в пространство над долотом ребристого типа, вызывающее снижение плотности бурового раствора и выброс газожидкостной смеси, ограничивается установкой оппозитного обратного клапана новой конструкции при спуско-подъеме инструмента или выбором параметров режима бурения и конструкции долота при бурении скважины;

- конструкция обвязки напорно-возвратной системы очистного агента буровой установки позволяет реализовать технологию наращивания и извлечения на нарощенную величину колонны бурильных труб без прекращения подачи очистного агента и обеспечения управляемого режима выпуска газожидкостной смеси.

Научная новизна  работы заключается в следующем:

- теоретически обоснована необходимость автоматического дросселирования обратного потока очистного агента для предотвращения поступления флюида в ствол скважины;

- получена теоретическая зависимость суммарной скорости потока очистного агента от геометрических параметров долота ребристого типа, параметров затрубного пространства скважины, при превышении которой более 1,5-2 м/с возможно возникновение струйного эффекта и поступление в затрубное пространство пластового флюида; 

- разработана новая  конструкция обвязки напорно-возвратной системы очистного агента буровой установки, включающая превентор-сальник и оппозитный обратный клапан, которая позволяет  реализовать технологию наращивания и извлечения на нарощенную величину колонны бурильных труб без прекращения подачи очистного агента и обеспечения управляемого режима выпуска газожидкостной смеси.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследований, согласованностью результатов,  полученных на основании расчета по аналитическим уравнениям и данных эксперимента, положительными результатами использования предложенного метода создания запорно-отсечного клапана трубопровода обратного потока бурового раствора.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- использование клапан-отсекателя, включаемого в устьевую обвязку буровой установки, позволяет автоматически создавать  сбалансированное давление в затрубном пространстве скважины, необходимое для поддержания управляемого режима выпуска газожидкостных смесей;

- разработанный при выполнении работы превентор-сальник (патент Республики Казахстан № 12221) может быть использован при бурении наклонных и восстающих скважин из горных выработок, а так же для наращивания бурового инструмента и извлечения его на нарощенную величину без прекращения подачи очистного агента в сложных горно-геологических условиях;

- оппозитный клапан, включаемый в колонну бурильных труб над утяжеленными бурильными трубами, позволит исключить поступление флюида при подъеме  и  спуске инструмента.

Апробация работы  была проведена на международном симпозиуме, посвященном 100-летию со дня рождения Каныша Сатпаева в 1999 г., на Международной конференции «Молодые ученые – 10-летию независимости Казахстана» в 2001 г,  на  2-й Международной практической конференции молодых ученых в 2002 г., на Международной практической конференции «Естественно-гуманитарные науки и их роль в подготовке научных кадров»  в  2002 г., на Международной научно-практической конференции «Проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии на рубеже веков» в 2002 г., на Международной практической конференции «Проблемы и перспективы развития нефтяной промышленности Казахстана» в 2005 г., на Второй Международной научно-практической конференции «Горное дело и металлургия в Казахстане. Состояние и перспективы» в 2006 г., на Второй Международной научно-практической конференции «Проблемы инновационного развития нефтегазовой индустрии» в 2009 г., на Международном форуме  «Наука и инженерное образование без границ» в  2009 г.

Публикации. По основному содержанию диссертационной работы опубликовано 19 работ, в том числе 13 статей, 2 патента  и  4  предварительных патента.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 104 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников, включающего 92 наименования, иллюстрирована 24 рисунками и 15 таблицами. 

 

Основное содержание работы

 

В первой части работы изложен обзор научно-технической литературы, посвященной  вопросам возникновения проявлений газожидкостных смесей, современного состояния технических средств, используемых для предотвращения выбросов газожидкостных продуктов при бурении скважин, имеющих аномально высокое пластовое давление (АВПД).

Изучением  проявлений газожидкостных смесей  во время осуществления того или иного процесса при сооружении скважин в условиях АВПД занимались такие ученые, как К.А.Аникиев, В.Д. Шевцов,, У.К. Гоинс, Р.Шеффилд, Б.Л.Александров, П.П.Иванчук, В.И.Кулявин,  F.S.Bell, J.Kelly, D.G.Williams, V.S.Pardy  и др.

В.И. Кулявин, В.Д. Малеванский  классифицировали фонтаны по интенсивности притока газовой струи и газонефтяной смеси. Исследователи   и   специалисты по  ликвидации   открытых   фонтанов О.К.Авдеев, К.С.Кубасов, В.И.Хоботько и Н.А.Щербань классифицировали открытые фонтаны в зависимости от степени сложности ликвидации и тяжести последствий.  

А.Л.Подио, М.Р.Фосдикк и А.К.Миллз проанализировали 409 случаев выбросов, происшедших за последние (до 1982 г.) годы в юго-восточных районах США и Мексиканском заливе и пришли к выводу, что наибольшее количество выбросов произошло во время спуско-подъемных операций.  

В результате изучения предшествующих работ нами установлено:

- используемые в настоящее время буровые установки не имеют в составе обвязки устья скважины устройств автоматической сигнализации поступления в ствол скважины в процессе бурения флюида и дросселирования обратного потока очистного агента для предотвращения поступления флюида более фонового объема;

- поступление флюида в ствол скважины свыше фонового объема предотвращается созданием в зоне продуктивного пласта давления, сбалансированного с пластовым давлением, путем увеличения плотности очистного агента при достаточной  глубине забоя скважины по вертикали или  дросселированием на устье обратного потока очистного агента при малой глубине;

- современные буровые установки не позволяют осуществлять наращивание бурового инструмента без прекращения подачи очистного агента для поддержания сбалансированного давления;

- отдельные элементы (уплотнения вертлюгов и буровые шланги) обвязки буровой установки таят опасность нарушения герметичности напорной части циркуляционной системы ее при необходимости создания высокого давления в затрубном пространстве для противодействия аномально высокому пластовому давлению.

Вторая часть работы посвящена  исследованию влияния основных операций процесса  бурения   на проникновение флюида в ствол скважины.

В ствол скважины поступает обязательный объем флюида, определяемый по равенству

                                                                                        

  ,                                                                          (2)

где  Qф – объем флюида, содержащийся в разрушаемой инструментом       породе м3;

          D -  диаметр долота, м;

           l  -  величина проходки ствола скважины по продуктивному пласту;

           α – коэффициент пористости коллектора.

Кроме этого, возможно поступление дополнительного количества флюида в процессе углубки скважины, наращивания инструмента и спуско-подъеме его (другие операции процесса сооружения скважины мы не охватываем).

Наиболее вероятная причина поступления дополнительного объема флюида в процессе бурения – возникновение струйного эффекта при обтекании буровым раствором  долот при бурении по продуктивному горизонту, так как площадь сечения наружных  пазов долот незначительна (особенно для бурения с отбором керна), вследствие чего значительно возрастает суммарная скорость очистного агента в пазах вращающегося долота относительно стенок скважины, определяемая равенством

                                                  

,                                   (3)

 

где    υаб – абсолютная скорость потока в пазах долота, м/с;

         Fз  – наибольшая площадь поперечного сечения  затрубного пространства на участке КБТ, состоящих из труб минимального диаметра, м2;

         υз – проектная скорость потока (из геолого-технического наряда) в зоне  Fз, м/с;

         mп – число пазов долота;

         f    – площадь сечения паза долота, м2;

        Dд  – средний диаметр долота по пазам, м;

         n   – частота вращения долота, с-1.

Абсолютная скорость υаб  потока при вылете  в расширенный участок выше долота может достигать 3,5-4 м/с, при которой начинается струйный эффект  за счет эжектирования флюида из пор и трещин продуктивного пласта. Следовательно, при возникновении струйного эффекта независимо от плотности бурового раствора в ствол скважины при углубке будет поступать флюид в количестве, равном

 

Q=(αFυб + k·QpT,                                             (4)                              

где  Q - суммарный объем флюида, поступающего в ствол скважины при вскрытии продуктивного пласта, м3;

        F – площадь сечения ствола скважины у забоя, м2 ;

        υб – скорость углубки скважины, м/с;

        k    - коэффициент эжекции (опытный коэффициент);

        Qp  - расход бурового раствора, м3

        T – время бурения по продуктивному пласту, с.

Дополнительный объем флюида будет поступать в ствол скважины и при подъеме инструмента без нагнетания раствора в поддолотное пространство.  Образующаяся при этом кавитационная полость при начале подъема заполнится пластовым флюидом благодаря наличию высокого пластового давления, обеспечивающего высокую начальную скорость флюиду, определяемую по равенству

 

  ,                                      (5)

 

где   υпл      – возможная скорость, достигаемая в конце пути  S, м/с;

        S   -  путь, проходимый поддолотной жидкостью, м;

         t   -   текущее значение времени, с;

        рпл -  пластовое давление , Н/м2;

        g  -   ускорение свободного падения, м/с2;    

        ρ    плотность жидкости, Н/м3;

        l   -   высота столба бурового раствора,  находящегося  в поддолотном

пространстве, м.

        Вследствие уменьшения проходных каналов вокруг долота в поддолотное пространство раствор практически поступает за счет ускорения свободного падения, вследствие чего 2-3 с скорость поступления флюида в поддолотное пространство под действием энергии пластового давления будет преобладать над возрастающей скоростью бурового раствора.

В результате теоретических исследований установлено:

- при углубке скважины обязательно поступление фонового количества флюида, зависящего от мощности продуктивного горизонта, величины пластового  давления и коллекторских свойств пород;

- при сбалансированном давлении объем флюида, превышающий фоновый объем, может поступать в скважину за счет эффекта эжектирования при углубке скважины, при наращивании и  подъеме инструмента из скважины за счет эффекта свабирования;

- причиной увеличенного числа выбросов при подъеме инструмента следует считать суммирование объемов флюида, поступивших в ствол скважины при углубке, наращивании и подъеме инструмента, что приводит к снижению плотности бурового раствора и, в конечном счете,  к газожидкостному выбросу.

В третьей части работы описаны результаты теоретических и экспериментальных исследований усилий, действующих на дисковый клапан-отсекатель, устанавливаемый в вертикальном участке выкидного трубопровода, конструкция которого представлена на рисунке 1. Принцип действия клапан-отсекателя основан на том, что дисковый клапан 1, закрепленный на штоке 5, концы которого выведены за пределы трубопровода, имеет возможность перемещения вверх вплоть до посадки на седло клапана 3, то есть осуществить автоматическое перекрытие седла при возрастании усилия потока, действующего снизу. Величину контргрузов 5 выбирают с учетом возможного увеличения обратного потока очистного агента за счет поступления флюида из пласта. Дисковый клапан 2 подвешен в вертикальном положении в расширенном участке трубопровода отвода обратного потока промывочной жидкости из затрубного пространства.

Для такой конструкции нами получена формула для определения силы тяжести клапана, соответствующей расходу жидкости

 

                                                   (6)

 

где  G – сила тяжести, Н;

        a - опытный корректив кинетической энергии, воспринимаемой клапаном;

        Q – расход, м3/с;

        rж – плотность рабочей жидкости, кг/м3;

       j  коэффициент расхода;

        F – площадь кольцевого сечения, м2.

 Из равенства (6) видно, что масса клапана в определенной мере зависит от значения опытных коэффициентов  a и j, величина которых зависит от реологических свойств жидкости, состояния стенок трубопровода и обтекаемых элементов. В реальных условиях процесса бурения получить истинные значения указанных параметров не представляется возможным. Буровой раствор, вышедший за пределы выкидного трубопровода, имеет отличия от раствора, находившегося в скважине, так как из него отделяется свободный газ, вследствие чего его плотность и вязкость становятся иными. Поэтому автору представляется, что достоверность аналитических формул для определения величины контргруза для реальных условий может быть недостаточной, вследствие чего возникает необходимость разработки средств, позволяющих определить необходимую величину контргруза экспериментально непосредственно в процессе бурения.

При выполнении работы проведены  экспериментальные исследования на лабораторной установке по определению необходимой массы контргруза, удерживающего дисковый клапан клапан-отсекателя для случая использования воды (плотность по показаниям ареометра АГ-1 равна 1 г/см3,  относительная вязкость – 15,2 с) и глинистого раствора (плотность по показаниям ареометра равна 1,08 г/см3, относительная вязкость – 32,2 с).

 

 

1 – патрубок с увеличенным проходным каналом; 2 – дисковый клапан; 3 – седло клапана; 4 – шток; 5 – контргруз (пружина); 6 – ограничитель хода клапана;  h - высота цилиндрического дросселя;   Dдр    - наружный диаметр кольцевого дросселя,  dш - диаметр штока;  dk  -  диаметр клапана;   dт  - диаметр  канала патрубка;    dп  - диаметр полости корпуса.

 

Рисунок 1 - Конструктивная схема автоматического клапан-отсекателя

 

Результаты наблюдений обработаны на ЭВМ с помощью программы Exel  и представлены в виде графиков, представляющих зависимость усилия, действующего на клапан, от расхода жидкости.

В результате обработки с помощью ЭВМ экспериментальных данных получены формулы, по которым происходит изменение величины усилия потока в соответствии с условиями проведения экспериментов, которые для удобства сведены в таблицу 1, а на рисунке 2 показан характер изменения усилия потока воды на дисковый клапан.

 

Таблица 1 - Формулы, по которым построены полиномы изменения усилия потока на клапан клапан-отсекателя

Ва-ри-анты k

Вид жидкости

Вода

Глинистый раствор

0,75

1,00

1,25

Р=91,401Q3 - 41,467 Q 2+ 8,7147Q

Р =-2,2396Q3+0,5281Q2 + 2,4564Q

Р =-7,2505Q3+0,5381Q 2 + 2,265 Q

Р =1209,7Q3-333,26Q 2 + 28,717 Q

Р =12,757Q 2 + 1,897Q

Р =-158,75Q3 +48,865Q2 – 0,5252 Q

Pусилие, Н; Q – расход жидкости, л/с; k – коэффициент изменения площади сечения кольцевого канала клапан-отсекателя к площади сечения канала трубопровода.

 

В четвертой части работы описаны технологические схемы устьевого оборудования, предназначенного для поддержания сбалансированного забойного давления, разработанные на основе использования автоматически действующего клапан-отсекателя в совокупности с устьевым сальником, названным превентор-сальником, который представлен на рисунке 3.

Использование превентор-сальника в системе обвязки устья скважин позволяет значительно упростить конструкцию обвязки, так как наличие автоматически действующего клапан-отсекателя позволяет осуществить дросселирование выкидной линии или полное глушение скважины в случае вскрытия продуктивного пласта с АВПД.  Возможность  дросселирования позволяет продолжить процесс углубки скважины до полной отработки опущенного в скважину долота. В работе показано, что при использовании разработанных средств обвязка устья скважин, опасных по выбросу газожидкостных продуктов, заметно упрощается,  так как из нее исключены гибкий шланг со стояком, вертлюгом и шаровым краном; кроме того могут быть исключены превенторы обычной конструкции и может быть оставлен всего один плашечный превентор, а    проходной квадрат заменен на  квадрат, изготовленный из цельного профильного проката.

Кроме упомянутых достоинств использования превентор-сальника с выносным   клапан-отсекателем   в  этой  части   работы   дано   описание оригинальных конструкций клапан-отсекателей, предназначенных для автоматического поддержания без использования сложных телеметрических систем давления в затрубном  пространстве буримой скважины.

 

Полиномные графики: 1 – для клапана диаметром 21 мм; 2 – для клапана диаметром 19 мм; 3 – для клапана диаметром 17 мм

Расчетный график по формуле (15): 4 – для клапана диаметром 19 мм

 

Рисунок 2 - Зависимость усилия, действующего

                      на клапан,  от расхода жидкости (вода)

 

Значительная часть рассматриваемого раздела работы посвящена вопросу использования превентор-сальника для проходки значительных интервалов скважины без прекращения подачи промывочной жидкости путем использования    уплотнителей    специальной      конструкции,    позволяющей автоматически разобщать внутреннюю полость колонны бурильных труб с затрубным пространством при выходе за пределы нижнего цилиндра превентор-сальника и восстанавливать сообщение при входе в нижний цилиндр при подъеме инструмента, так как система позволяет осуществлять и подъем  инструмента на величину пройденного интервала без прекращения подачи промывочной жидкости.

В результате теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что в значительной мере величина динамического воздействия

 

 

 

7 - клапан-отсекатель; 9 - колонна обсадная; 11 - первый кольцевой канал; 12 - оголовок; 13 - кожух; 14 - второй кольцевой канал; 15 - верхняя цилиндровая труба; 16 - нижняя цилиндровая труба; 17 - зазор; 18 - канал подачи прямого потока; 19 - канал обратного потока; 20 - труба рабочая; 21 - труба бурильная; 22 - труба; 23 -уплотнитель; 24 - третий кольцевой канал;       А - длина герметизирующей части уплотнителя; L - ход рабочей трубы;              l - полная длина уплотни­теля;  a - величина минимального зазора между торцами цилиндровых труб, необходимая для перепуска прямого потока бурового раствора

 

Рисунок 3 -  Превентор-сальник

потока на клапан-отсекатель зависит от реологических свойств текучей среды, поэтому при выполнении диссертационной работы был разработан в виде составного   узла   клапан-отсекателя   динамометр.

 Наличие динамометра позволяет на месте определить массу контргруза, необходимую для противостояния заданной величине увеличения скорости обратного потока очистного агента.

Показана в рассматриваемой главе так же возможность использования клапан-отсекателя с превентор-сальником при бурении скважин, опасных по выбросу газожидкостных продуктов из подземных выработок, так как

опасность выбросов из горизонтальных и восстающих скважин наиболее вероятна. При бурении таких скважин противодавление в стволе скважины можно создать только дросселированием обратного потока очистного агента и использованием погружных вращающихся превенторов.

В заключительной части четвертой главы описаны факторы, определяющие ожидаемую экономическую эффективность от реализации предлагаемых технических решений и организационных мероприятий. Прежде всего, следует иметь в виду, что  их использование в практике работ позволяет полностью исключить выброс газожидкостных смесей при бурении скважин, опасных по выбросу газожидкостных смесей, что трудно оценить в денежном выражении. Этому способствует то обстоятельство, что прямой и обратный потоки очистного агента заключены в трубопроводы. Кроме того, имеется возможность в больших объемах для очистки забоя скважин использовать растворы малой плотности, газ и аэрированные растворы, позволяющие заметно повысить показатели отработки долот. Имеются экономические преимущества, которые легко рассчитать (таблица 2), так как исключается часть превенторов, гибкий шланг, рабочая труба и стояк.

В случае использования предлагаемого превентор-сальника практически исключаются операции по замене уплотнительных элементов, так как они являются легко сменяемыми элементами колонны бурильных труб.

   

    Таблица 2 -  Сравнительная стоимость элементов устьевых обвязок

№№

п/п

Наименование элементов

Стоимость элемента,

млн тенге

Разность, млн тенге

стандартная

разрабаты-ваемая

1

2

3

4

Комплект превенторов

Гибкий шланг

Рабочая труба

Стояк

100,000

0,300

0,500

0,050

3,750

нет

0,100

нет

96,250

0,300

0,400

0,050

                                                                                    Итого:             97.000   

 

Выводы по четвертой главе сводятся к следующему:

- клапан-отсекатель позволяет произвести компоновку устьевой обвязки буровой установки, предназначенной автоматически сигнализировать вскрытие продуктивных горизонтов и переводить работу обвязки в заданный режим дросселирования обратного потока очистного агента для различных горно-технических условий;

- разработана методика расчета параметров дросселя для создания сбалансированного  забойного давления, предотвращающего поступление флюида в ствол скважины при углубке ее;

- разработана конструкция оппозитного обратного клапана для поддержания сбалансированного давления в поддолотном пространстве при спуско-подъеме и наращивании колонны бурильных труб (в дальнейшем КБТ);

- разработана конструкция превентор-сальника, позволяющая осуществлять наращивание КБТ и извлекать ее на нарощенную величину без прекращения подачи очистного агента;  осуществлять углубку  скважины без перехода на утяжеленный буровой раствор до завершения рейса.

 

Заключение

Диссертация  содержит новые научно-обоснованные результаты, использование которых обеспечивает решение важной задачи технического обеспечения проходки скважин в условиях  аномально высокого пластового давления и вносит существенный вклад в теорию и практику разработки конструкций устьевых и включаемых в состав погружного бурового инструмента устройств. Основные научные выводы и практические результаты   выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Установлены закономерности изменения силового воздействия потока очистного агента с различными реологическими свойствами на установленный в вертикальном положении дисковый клапан,  теоретически подтверждено опережающее поступление в поддолотное пространство при наличии АВПД пластового флюида при подъеме инструмента по сравнению с наддолотным буровым раствором, находящимся под действием только силы тяжести.

2. Подтверждено возникновение струйного эффекта вследствие возрастания скорости потока при обходе очистным агентом долота ребристого типа, способствующего поступлению флюида над долотом из пласта. Приведена формула для определения скорости очистного агента при обходе долот ребристого типа.  

3.  Разработаны компоновки устьевой обвязки с использованием  клапан-отсекателя для автоматически действующих систем, создающих  сбалансированное давление в затрубном пространстве скважины, необходимого для поддержания управляемого режима выпуска газожидкостной смеси.

4. Разработана новая конструкция превентор-сальника с определителем усилия воздействия потока, встроенного в клапан-отсекатель, установка которого на устье скважины позволяет исключить из состава обвязки устья скважины стояк, гибкий шланг, сальниковую часть вертлюга,  дает возможность закладывать скважины любого направления,  наращивать буровой инструмент и извлекать его на нарощенную величину без прекращения подачи очистного агента, заканчивать рейс без перехода на утяжеленный буровой раствор в случае вскрытия пласта с АВПД   (патенты Республики Казахстан   № 12221,   № 15328). Ожидаемый экономический эффект от внедрения этой конструкции составляет 97 миллионов тенге.

5. Разработана новая конструкция оппозитного клапана, включаемого в КБТ над утяжеленными бурильными трубами, для предотвращения поступления флюида при подъеме инструмента и гидроразрыва  пласта - при спуске КБТ. 

6. Разработана компоновка обвязки устья скважин, закладываемых из горных выработок, содержащая клапан-отсекатель и превентор-сальник, позволяющая предотвратить неконтролируемый выброс взрывоопасных газов.

 

Список опубликованных работ по теме диссертации

1.     Патент № 12221 Республики Казахстан. Устьевой превентор-сальник и система обвязки устья скважин, опасных по выбросу газожидкостных смесей /Латыпов А.С., Латыпова Ю.А.; опубл.15.11.2004, Бюл. № 11.- 6 с: 5 ил.

2.      Предварительный патент № 13260 Республики Казахстан. Система обвязки устья скважин, опасных по выбросу газожидкостных смесей /Латыпов А.С., Музапаров М.Ж., Латыпова Ю.А.;  опубл. 15.07.2003, Бюл. № 7.- 4 с: 4 ил.

3.      Патент № 15328 Республики Казахстан. Система обвязки устья скважины и способ бурения ее при высоком пластовом давлении / Шайхымежденов Ж.Г.,  Куатбеков М.К., Латыпов А.С.,  Латыпова Ю.А.; опубл.15.05.2008, Бюл. № 5. – 5 с: 3 ил.

4.      Предварительный патент № 12628 Республики Казахстан. Буровое устройство с двойной колонной бурильных труб/ Латыпов А.С.,  Музапаров М.Ж. ,  Латыпова Ю.А.;  опубл.15.01.2003, Бюл. № 1.- 3 с: ил.

5.      Предварительный патент № 12627 Республики Казахстан. Буровая установка/ Латыпов А.С.,  Латыпова Ю.А.; опубл.15.01.2003, Бюл. № 1. – 3 с: 2 ил.

6.     Латыпова Ю.А., Латыпов А.С., Музапаров М.Ж. Методика экспериментальных исследований силовых характеристик клапан-отсекателя превентор-сальника //Труды междунар.конфер.«Молодые ученые – 10-летию независимости Казахстана». Ч.2. -  Алматы,  КазНТУ, 2001. - С.495-497.

7.     Латыпова Ю.А. Исследование гидродинамических характеристик клапан-отсекателя превентор-сальника // Труды международной научно-практической конференции «Естественно-гуманитарные науки и их роль в подготовке научных кадров». Ч.2. -  Алматы,  КазНТУ, 2002.- С.279-281.

8.      Музапаров М.Ж., Латыпов А.С.,  Латыпова Ю.А. Совершенствование обвязки устья скважин, опасных по выбросу газожидкостных смесей // Труды международного симпозиума, посвященного 100-летию со дня рождения К.И.Сатпаева. Ч.1. – Алматы, ИИА «АЙКОС», 1999.- С. 111-112.

9.      Предварительный патент № 19864 Республики Казахстан. Винтовой привод запорно-регулирующих устройств пневмогидравлических систем/ Байгунчеков Ж.Ж., Латыпов А.С.,  Нурахметов Б.К. ,  Латыпова Ю.А.; опубл.15.08.2008, Бюл. № 8.- 3 с: 6 ил.

10.  Латыпова Ю.А., Музапаров М.Ж., Латыпов А.С. Технологические особенности использования превентор-сальников при бурении скважин        // Труды  2-й международной научно-практической конференции молодых ученых. Ч.2. - Алматы,  КазНТУ, 2002. - С.141-144.

11.  Латыпова Ю.А., Латыпов А.С., Музапаров М.Ж. Анализ долговечности трущихся поверхностей превентор-сальника буровой установки // Труды междунар.конфер.«Молодые ученые – 10-летию независимости Казахстана». Ч.2. -  Алматы,  КазНТУ, 2001. - С.498-501.

12.  Латыпова Ю,А., Латыпов А.С., Шайхымежденов Ж.Г. Совершенствование технологии бурения нефтегазовых скважин в условиях аномально высокого пластового давления. // Нефть и газ. № 3, 2009. – С.52-55.

13.  Латыпова Ю.А., Шайхымежденов Ж.Г., Латыпов А.С. Система автоматического перевода скважин, опасных по выбросу на режим заданного устьевого давления. // Геология и охрана недр. № 2, 2009.- С.40-43. 

14.  Латыпова Ю.А. К вопросу предотвращения проникновения газожидкостных смесей в ствол скважины при спуско-подъеме инструмента // Сборник трудов Второй Международной практической конференции «Проблемы инновационного развития нефтегазовой индустрии» -  Алматы,  Казахстанско-Британский технический университет, 2009. - С.122-124.

15.  Латыпова Ю.А. Теоретические исследования предпосылок внедрения в ствол скважины флюида при подъеме бурового инструмента // Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития нефтяной промышленности Казахстана». – Алматы, КазНТУ, 2005.- С.201-204.

16.  Латыпова Ю.А. К вопросу осуществления наращивания бурового инструмента без прекращения подачи промывочной жидкости при бурении гидрогеологических скважин // Труды международной практической конференции «Проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии на рубеже веков».  – Алматы, КазНТУ, 2002.- С.265-266.

17.  Латыпова Ю.А. Компоновка устьевого оборудования буровой установки для бурения скважин из горных выработок // Труды Второй международно-практической конференции «Горное дело и металлургия в Казахстане. Состояние и перспективы». – Алматы, Центрально-Азиатский горно-промышленный союз, 2006.- С.327-329.

18.  Байгунчеков Ж.Ж., Латыпова Ю.А. Компоновка устьевого оборудования буровой установки для бурения скважин из горных выработок // Вестник Казахстанско-Британского технического университета № 3.-  Алматы, Казахстанско-Британский технический университет, 2007. - С.22-24.  

19.  Латыпова Ю.А.  Автоматизация процесса предотвращения поступления флюида в ствол скважины // Труды Международного форума «Наука и инженерное образование без границ». Т.1 – Алматы, КазНТУ, 2009. – С.309-311.

 

 

Юлия Латыпова

 

 Газ сұйықтық өнімдерінің шығуын болдырмау үшін арналған ұңғыма аузын шанду жүиесін  зерттеу және жетілдіру

 

Техника ғылымдарының кандидаты дәрежесiне iзденушi диссертациясына

 

ТҮЙIН

 

Зерттеу нысаны. Бұрғылау процесі кезінде ұңғы оқпанына артық флюидтердің және олардың тазалау агенті қоспасына бақылаусыз   келуін болдырмау үшін бұрғылау қондырғысының ұңғы сағасы мен бұрғылау құбырлары тізбегін байланыстырушы элементтерін жетілдіру.

Жұмыс мақсаты. Ұңғыма өзегіне ГСҚ-ның қосымша көлемінің кірісін болдырмауына және оның бұрғылау процесінде бұрғылаусыз шығуын болдырмауына арналған технико-технологиялық тәсілін жетілдіру.

Зерттеу әдістері. Жұмысты орындау барысында келесі кешенді зерттеу әдістері қолданылды: ғылыми-техникалық ақпараттар мен патенттік мәліметтерге талдау, арнайы игерілген айыру-клапаны стенд жұмысын экспериментальді-талдаулық зерттеу; математикалық әдістер; зерттеу нәтижелерін компьютерде өңдеу.

Зерттеу міндеттері:

- флюидтің ұңғыма оқпанына және флюидтің өтуін болдырмау үшін пайдаланылатын бұрғылау қондырғысының элементтеріне өтуімен байланысты проблемаларды талдау;

- вертикальді орнатылған дискілі клапанға әртүрлі реологиялық қасиеттердегі тазалау агенттердің ағынының әсерінің өзгеру заңдылықтарын анықтау;

- ұңғыманы тереңдету процесінде және бұрғылау құралын түсіру-көтеруде ұңғыма оқпанына флюидтің өтуін болдырмау үшін (айыру-клапаны, оппозиттік кері клапан) экспериментальді және тәжірибелі арнайы құрылғыны игеру;

- бұрғыланатын жер асты жыныстарынан ұңғыма оқпанына газ-сұйық қоспаларының өтуін болдырмауға арналған ауыздық және ұңғымалық жабдықтардың компоновкасын жасау.

Қорғауға шығарылатын ғылыми қағидалар:

- ұңғы оқпанына флюидтің өтуін болдырмау үшін құбыр аралық кеңістікте тазалау агентінің қысымын реттеуді автоматтандыру, тазалау агентінің кері ағынын дросселдеу режімінде ұңғы сағасының конструкциясына  айыру-клапанын енгізумен қамтамасыз ету;

- өнім қабаты шегінде ұңғыманы тереңдету және бұрғылау құралын түсіру кезінде қашау үстіндегі ағындық әсер пайда болуы себебінен қашау үстілік кеңістікке флюидтің өту процесі;

- бұрғылау қондырғысының тазалау агентін беруді тоқтатпай бұрғылау құбыры тізбегін өсіруді іске асыруға және өсірілген шаманы шығаруға мүмкіндік беретін сағалық арынды-кері жүйесінің жаңа конструкциясы.

Жұмыстың ғылыми жаңалығы келесідей:

- флюидтің ұңғыма оқпанына өтуін болдырмау үшін тазалау агентінің кері ағынын автоматты дроссельдеу қажеттігі теориялық негізделген;

- қырлы қашау түрінің  геометриялық параметрлерінен тазалау агентін қарқынмен берудің суммардық жылдамдығының теориялық қатынасы,              1,5-2м/с көтергенде ағынды және құбыр аралық кеңістікке қабат флюидтерінің кіру тиімділіктің ұңғы құбыр аралық параметрлері алынды; 

- бұрғылау қондырғысының тазалау агентін беруді тоқтатпай бұрғылау құбыры тізбегін өсіруді іске асыруға және өсірілген шаманы шығаруға мүмкіндік беретін сағалық арынды-кері жүйесінің жаңа конструкциясымен қоса превентор-сальник және оппазиттік кері клапан игерілді.

Жұмыстың тәжірибелік бағалығы мынадай:

- бұрғылау қондырғысы ауыздық байлауы құрамына кіретін клапан-кескішті пайдалану, газ-сұйық қоспаларды шығару режимін ұстап тұру үшін қажетті, ұңғыманың құбыр сыртындағы кеңістігінде теңгермеленген қысымды автоматты реттеуге мүмкіндік береді;

- жұмысты орындау кезінде жасалған превентор-тығыздама (Қазақстан Республикасының патенті №12221) тау жыныстарында көлбеу  және тіке ұңғымаларды бұрғылау кезінде, сондай-ақ күрделі тау-геологиялық шарттарында тазалау агентін беруді тоқтатпай бұрғылау құралын өсіру және өсірілген шамаға оны шығару кезінде пайдаланылуы мүмкін;

- ауырлатылған бұрғылау құбыры  үстінде орналасқан, бұрғылау құбырлары тізбегіне кіретін оппозиттік клапан құралды көтеру және түсіру кезінде флюидтің өтуін болдырмауға мүмкіндік береді

Қолдану саласы: Зерттеудің нәтижелерімен жетілдірілген технико-технологиялық құралдарды мұнайгаз және тау-кен өндірісінде аномалия жоғарғы қабат қысымы бар жағдайда скважина бұрғылағанда қолдануға болады және де тазартқыш агенті ретінде газды (ауаны) пайдалануға болады.

Экономикалық тиімділік.

Бұрғылаудың бірнеше көрсеткіштерін өзгерткен себеп бойынша, және ықтимал экологиялық шиеленуін болдырмақ жұмыстың экономикалық тиімділігінің толық есебін жасауға қиындатады, бірақ қондырғының шандуынан бірнеше элементтірді алып тастап немесе оларды ауыстырсақ, ол бізге әр бұрғылау қондырғыдан 97млн.тенге жылғы экономикалық тиімділікті әкеледі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Julia   Latypova

 

Perfecting wellhead connections to prevent blowouts of

gas-liquid products

 

Thesis for application for scientific degree of technological science candidate

 

RESUME

 

           The objective of the work. Improvement of the wellhead connections and the drill string for the purpose of preventing the fluid’s superfluous influx to the wellbore and its uncontrolled blowout with mix of flushing agent in the course of drilling.

           The concept of the work. Maintaining at the bottomhole the flush fluid’s balanced pressure in the course of drilling, round trips, and drill string connections for the purpose of preventing the fluid’s influx to the wellbore.

           Methods of research. In making this work, used general methods of research: analysis of the technical-scientific information and patent materials; experimental research on the expressly worked out stand of the downhole safety valve; mathematical methods; computer analysis of the research’s results.

           Tasks of the research:

       examination of   the principal factors, conductive to the fluid’s influx to the wellbore in the course of drilling and round trips;

       researching laws of changing force influence of  flushing agent’s stream with different rheological properties to the vertically installed disc valve;   

       working out experimental and special devices (downhole safety valve, opposition valve), included in drilling equipment, round trips for preventing  the fluid’s influx to the wellbore;

       working out wellhead and downhole equipment intended for drilling from the earth’s surface and out of  mines.

Scientific aspects, presented for defense:

       automatic adjustment of the flushing agent’s pressure in the annular space for the purpose of preventing the formation  fluid’s influx to the wellbore, realized by means of introducing in wellhead connections a safety valve, switching the wellhead connections into flushing agent’s back stream throttling duty;

       uncontrolled process of  the formation fluid’s influx into above-the-bit  space within the interval of productive bed at the expense of jet effect, causes decreasing of  drilling mix’s density and blowout of gas-liquid mix, limited with installing opposition valve of new construction in process with round trips or choosing drilling parameters and construction of drilling bit;  

       construction of wellbore stream-back system of flushing agent of the drilling equipment realizes technology of increasing and upping for increased distance drill string without stopping of giving flushing agent and supporting control of out gas-liquid mix. 

Scientific novelty of the work consists in the following:

       theoretically based is necessity of the flushing agent’s back stream automatic throttling for the purpose of preventing the formation fluid’s influx to the wellbore;

         got theoretical dependence of summery velocity of flushing agent’s stream from geometrical parameters of drilling bits, parameters of out string  space of well, which increasing more than 1,5-2 m/s  give possibility of appearance stream effect and entering to the out string space of the fluid;    

         a new type of preventer-gland is developed enabling automatically to adjust the back stream of flushing agent or to switch it to assigned throttling duty, as well as to perform connection of drill string or to pull it at the necessary length  without ceasing delivery of the flushing agent.

Practical value of the work:

       including the safety valve into the wellhead connections, enables automatically to create in the well’s annular space a balanced pressure, necessary  for maintaining controlled duty of formation fluid’s output;

         the worked out in the course of the research preventer-gland (Patent of Kazakhstan Republic # 12221) can be used at drilling of slanting and uprising wells out of mines, as well  as to perform connection of drill string or pull it at the necessary length  without ceasing delivery of the flushing agent under challenging geological and technologic conditions;

         an opposition valve, included into the drill string above the drill collar, enables to rule out influx of formation fluid at the round trips.

Range of application: results of research and developed machinery and technological facilities can be used in drilling oil well with automatically high stratum pressure conditions not only in oil and gas, but in mining industry, also using gas (air) as clearing agent.

Economical effect. In case of changing some drilling indicators, also preventing possible ecological problems make difficult to do total calculation of economical effective work, but only replacing and excluding some wellhead connections elements allows taking annual economical effect on every drilling equipment near 97 millions tenge.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подписано в печать 09.02.2010 г.

 

 

Печать типографическая. Формат 60х84 1/16

Бумага офсетная № 1. Объем 1 п.л.

Тираж 100 экз. Заказ №

 

 

Типография Алматинского института

энергетики и связи

050013, г.Алматы, ул.Байтурсунова, 126

Вы 7196-й посетитель.
Powered by Drupal
Copyright © KazNRTU, 2007-2016