Автоматическое управление процессом бурения с целью повышения эффективности строительства нефтяных скважин

Об эффективности работы долот судят по нескольким показателям, основными из которых являются проходка на долото, механическая и рейсовая скорость бурения и эксплуатационные затраты на 1 метр проходки. Оптимальные условия бурения обычно соответствуют критерию минимальной стоимости метра пробуренной скважины, что характеризует процесс бурения минимальными затратами энергии на разрушение горных пород, высокими значениями механических скоростей и эффективным ресурсом бурового инструмента.

При этом влияние режимных параметров на показатели механического бурения носит комплексный характер и зависит от заданных значений других параметров бурения (геологических условий, механических свойств пород, конструктивных особенностей разрушающего инструмента и др.).

В таких условиях выражение показателей эффективности бурения в виде комплексных переменных позволяет установить дополнительные закономерности влияния режимных параметров на эффективность буровых работ.

Основными преимуществами применения информационных технологий к управлению техническими процессами является повышение качества исполнения процесса, его производительности, сокращение времени, стоимости, а также увеличение точности и стабильности выполняемых операций.

Процесс бурения скважин – разрушения горных пород сопровождается многочисленными и разнообразными физическими явлениями, эффективность которого оценивается по целому ряду количественных показателей, характеризующих скорость выполнения отдельных операций, например:

• скорость бурения (механическая, рейсовая, м/час; коммерческая, м/станко-мес;

• расход долот на 1000 м проходки, шт.;

• баланс времени на бурение скважины или на 1 м проходки, час.;

• стоимость бурения 1 м, руб. и др.

и качественных показателей, характеризующих степень выполнения поставленных задач при бурении скважин (выход керна, %; интенсивность
искривления скважины, градус/м и др.) [1, 19].

Значения данных показателей зависят от ряда неуправляемых (геологических условий бурения, механических свойств горных пород, условий их залегания, случайных событий и др.) [15, 16, 17, 18] и управляемых факторов, к числу которых относятся режимные параметры бурения.

Однако количественные показатели данных критериев не всегда позволяют достоверно оценить эффективность процесса бурения.

Согласно В.С. Федорова [2, 3, 4] влияние режимных параметров на показатели механического бурения носит комплексный характер и судить о влиянии того, или иного параметра по количественным показателям углубления скважины достаточно сложно.

Стремление оптимизировать процесс бурения привело к попыткам создания моделей этого процесса, основанных на теоретических расчетах и эмпирических закономерностях. Среди отечественных ученых известны работы: В.С. Войтенко [1], В.С. Федорова [4], Б.А. Жлобинского [5], Байдюка Б.В., Близнюкова В.Ю., Зарецкого В.С. [6], В.Д. Евсеева [7], В.В. Нескоромных [8] и др., где рассматриваются вопросы о влиянии различных факторов (геологических условий, параметров режима бурения, забойных условий и др.) на разрушение горных пород.

Так, по В.С. Федорову, на темп углубления скважины решающее влияние оказывают: механические свойства пород; условия их залегания; природа вещества, заполняющего поровые пространства; способ разрушения породы; конструктивные особенности и долговечность разрушающих инструментов; метод удаления из забоя скважины выбуренной породы; совершенство и мощность бурового оборудования и др.

Влияние режимных параметров работы породоразрушающего инструмента на показатели эффективности роторного и турбинного бурения, рассмотренные в работах вышеуказанных авторов отражают общие тенденции изменения механической скорости   и времени работы долота   (долговечности) при разрушении горных пород, рис. 1.

Изменение каждого из параметров G₀,n,Q на разрушение горных пород при бурении зависит от заданных значений других параметров. Увеличение одного из управляемых параметров, например, осевой нагрузки, способствует повышению эффективности бурения только при определенном сочетании других управляемых параметров: расхода промывочной жидкости, частоты вращения инструмента и др. [7].

При турбинном бурении изменение величины расхода бурового раствора Q влечет за собой изменение скорости вращения долота n и осевой нагрузки G₀. Здесь, основным параметром режима бурения является количество прокачиваемой промывочной жидкости Q. В этом случае осевая нагрузка на долото G₀ зависит от интенсивности промывки Q

G₀ = f(Q),    (1)

Число оборотов долота n в турбинном бурении переменно и зависит от количества прокачиваемой жидкости и величины осевой нагрузки на долото, т.е.

n = f,(Q,G₀)    (2))

Любое изменение осевой нагрузки на долото при турбинном бурении приводит к изменению показателей его работы, рис. 2.

Оптимальный режим с максимумом рейсовой скорости будет достигнут при средней величине нагрузки: между осевой нагрузкой G^min₀, соответствующей максимальной механической скорости V^max_mech, и осевой нагрузкой  G^min₀ , соответствующей максимальной проходке на долото, рис. 2, [1].

Сочетание регулируемых параметров, влияющих на показатели бурения, позволяющие получать их наиболее высокие количественные и качественные значения определяет оптимальный режим бурения.

В.В. Нескоромных, [8] указывает оптимальные параметры режима бурения, как параметры, которые соответствуют минимуму стоимости проходки и характеризуются минимальными затратами энергии на разрушение, высокими значениями механических скоростей бурения и эффективным ресурсом бурового инструмента.

Вопросами оптимального сочетания режимных параметров бурения занимались многие научно-исследовательские и учебные заведения: ВНИИБТ, ВНИИКР, ВНИИКАнефтегаз, Азнефтехим им. Азизбекова, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина и др. Итогом стали разработанные институтами модели работы бурового долота на забое скважины, где в качестве критерия оптимальности приняты механическая скорость бурения, время работы долота на забое и стоимость метра проходки.

Полученные эмпирическим путем с учетом достаточно обширного опыта бурения скважин в России (СССР), США, Канаде и др. странах уравнения описывают сложный характер влияния множества параметров, табл. 1.

В мировой практике присутствуют также зарубежные модели Галле-Вудса-Лубинского, М.Г. Бингхэма и др., представленные в [13].

Основанные на экспериментальных данных бурения скважин в различных регионах мира, математические модели устанавливают взаимосвязь управляющих параметров в соответствие с тем или иным требованием к процессу (минимальной стоимости проходки скважины, максимальной механической скорости и максимальным временем работы долота).

В представленных моделях оптимальное сочетание режимных параметров бурения определяется экстремальными значениями таких показателей эффективности, как: интенсивность проходки скважины , износ долота   , стоимость метра проходки  , что характеризуется высокими значениями механических скоростей бурения, минимальными затратами энергии на разрушение и максимальным ресурсом бурового инструмента.

При этом количественные значения оптимальных показателей не могут быть решающим фактором для оценки эффективности бурения скважин, т.к. улучшение одного параметра может сопровождаться ухудшением других параметров. Кроме того, при подстановке в выражения единиц измерения физических величин, размерности левой и правой части уравнения не совпадают, что требует введения коэффициентов, выравнивающих размерность единиц измерения.

Получить полную математическую модель, четко отражающую все физические аспекты бурения довольно затруднительно, и практически невозможно в силу ряда причин:

• отсутствием в настоящее время единой работоспособной теории прочности, объясняющей физические явления при разрушении горных пород;

• наличием большого количества случайных факторов, генеральная совокупность которых неизвестна;

• неопределенности горно-геологических условий бурения геологоразведочных скважин.

Таким образом при неизвестных и сложных теоретических закономерностях протекания процесса с большим количеством влияющих факторов, каким является процесс бурения, найти решение задачи в аналитической форме (в форме дифференциальных уравнений) крайне затруднительно.

Учитывая тот факт, что влияние отдельных факторов (геологические условия, режимные параметры бурения, конструктивные особенности инструмента и др.) на показатели бурения проявляется не отдельно, а совместно, и зависит от заданных значений других параметров, рассмотрим решение задачи повышения эффективности бурения в виде нахождения взаимосвязи между отдельными группами величин.

Переход от обычных физических величин к величинам комплексного типа имеет следующие преимущества при решении исследовательских задач:

• возможность установления комплексного влияния параметров на выбранные критерии эффективности производства работ;

• сокращение числа взаимозависимых переменных;

• при рассмотрении задачи в комплексных переменных исследуется не единичный частный случай влияния какого-либо из параметров на повышение эффективности бурения, а множество различных случаев, определяющих эффективность процесса [11].

С учетом выбранных критериев эффективности буровых работ (V_mech — механическая скорость бурения; C — стоимость бурения 1 м; t_b — время работы долота на забое), математически механический процесс углубления скважины может быть представлен в виде системы уравнений:

 (3)

Где: q — плотность бурового раствора; ? — предел прочности горной породы, G₀;n;Q — взаимозависимые параметры, оптимальное сочетание которых позволяет выбранным критериям  V_mech;C;t_b или Z_energy;h принимать экстремальные значения.

Для установления функциональной связи между параметрами режима бурения G₀; n; Q, на которые возможно оказывать воздействие в соответствие с тем или иным требованием к процессу
(V_mech; C; t_b) ⊥ MIN;MAX или (V_mech; Z_energy;h) ⊥ MIN;MAX воспользуемся положениями теории подобия [11].

Запись и решение уравнений (3) с использованием метода размерности входящих величин позволило установить функциональную связь между режимными параметрами бурения [12].

(4)

где F — площадь контакта бурового долота с горной породой, mm²; v_ls линейная скорость перемещения резца инструмента, m /s, ?,?,?  — показатели степени, определяемые эмпирическим путем.

Выделим из уравнения (4) комплексные переменные в виде:

1) ,  характеризует режим разрушения горной породы: от ударного внедрения инструмента, когда  , до

трения без разрушения породы, когда

.

2)                                                                   

определяет условие механического разрушения твердого тела (породы) на элементы под действием внешних сил, прилагаемых к внедряемому в породу инструмента, обладающим большей прочностью, чем сама порода.

Если ,  то напряжения, создаваемые в породе не превышают ее предела прочности и разрушения не происходит.

Если   напряжения, создаваемые в породе превышают предел прочности, соответственно происходит разрушение.

Рассмотрим значения комплексных переменных на примере бурения нефтяной скважины (из фонда пробуренных скважин на территории Волгоградской области, режимные параметры бурения которой назначены с позиции V_mech — MAX и h —MAX)), Табл. 2.

В таблице представлены: геологический разрез по всей глубине скважины; описание горных пород и данные по их буримости (категория определена согласно шкалы единой классификации пород по буримости, согласно сборника сметных норм на геологоразведочные работы); [14]; режимные параметры бурения (использованы медианные значения данных станции геолого-технологических исследований; расчетные значения комплексных параметров бурения.

Вывод по расчету комплексов:

1) В представленных интервалах бурения скважины (50 – 340 м; 1240-1290 м; 3760-4395 м) значения комплекса   изменяется на порядок,

что свидетельствует о нестабильности процесса с резкими переходами от ударного внедрения инструмента до вращения без разрушения породы.

Ударные динамические нагрузки могут привести к поломке и преждевременному износу поликристаллических резцов PDC долот, значительно сокращая их срок эксплуатации.

2) Значения комплекса  изменяется в еще больших пределах. Напряжения, создаваемые в породе инструментом (отношение  )

превышают предел прочности породы ? от 3 до 87 раз, что свидетельствует о чрезмерном (неэффективном) затрате энергии при вращательном способе бурения.

3) Функциональная связь между параметрами бурения, представленная в виде комплексов ?₁ и ?₂ определяющими процесс механического разрушения горных пород при вращательном способе бурения может быть использована для разработки системы автоматического управления процессом бурения.

На основании заданного значения механической скорости в интервалах бурения скважины и с учетом конструктивного исполнения бурового долота система управляет параметрами бурения (частотой вращения долота и осевой нагрузкой) с целью поддержания комплексных значений ?₁ и ?₂ в диапазоне min и max, что характеризует процесс как оптимальный.

Литература

1) Технология и техника бурения : в 2 ч. / В. С. Войтенко, А. Д. Смычник, А. А. Тухто, С. Ф. Шемет. – М. : Инфра-М, 2013. – Ч. 2 : Технология бурения скважин. — 613 с.

2) Федоров В. С. Установление режимов бурения на основе исследования главнейших факторов, влияющих на скорость бурения : автореф. дис. … д-ра техн. наук / Федоров Василий Сергеевич. — Грозный, 1949. — 32 с.

3) Практические расчеты в бурении : учеб. пособие / В. С. Федоров, В. Г. Беликов, Ф. Д. Зенков и др. – М. : Недра, 1966. — 600 с.

4) Федоров В. С. Проектирование режимов бурения : учеб. пособие / В. С. Федоров. — М. : Гостоптехиздат, 1958. — 215 с.

5) Жлобинский Б. А. Динамическое разрушение горных пород при вдавливании / Б. А. Жлобинский. — М. : Недра, 1970. – 151 с.

6) Байдюк Б.В., Близнюков В.Ю., Зарецкий В.С. Методический подход к решению задач выбора бурового долота, его привода и режима работы на базе учета свойств породы. Международная конференция «Механика горных пород при бурении». Тезисы докладов. Грозный, 1991. с.58. Грозненский Ордена трудового Красного Знамени нефтяной Институт им. академика М.Д. Миллионщикова.Отпечатано  ГНИ ОВПП.

7) Евсеев В. Д. Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин : учеб. пособие / В. Д. Евсеев. – Томск : ТПУ, 2004. – 151 с.

8) Нескоромных В. В. Разрушение горных пород при бурении скважин : учеб. пособие / В. В. Нескоромных. — Красноярск : СФУ, 2014. — 335 с.

9) Ребиндер П. А. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика: избранные труды / П. А. Ребиндер. – М. : Наука, 1979. – 384 с.

10) Сборник сметных норм на геологоразведочные работы. – М. : ВИЭМС, 1992. – Вып. 4 : Горно-разведочные работы, прил. 2 : Единая классификация пород по буримости. – 42 с.

11) Гухман А. А. Введение в теорию подобия : учеб. пособие / А. А. Гухман. — Изд. 2-е, доп. и перераб. — М. : Высшая школа, 1973. — 296 с. : ил.

12) Шмелев В. А. Повышение эффективности бурения скважин. Часть II. Исследование процесса бурения с помощью методов теории подобия / В. А. Шмелев, Ю. П. Сердобинцев // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2020. — № 9. – С. 5-10.

13) Цуприков А. А. Интеллектуальная система адаптивного управления технологическим процессом бурения нефтегазовых скважин : дис. … д-ра техн. наук : 05.13.06 / Цуприков Александр Александрович. – Краснодар, 2017. – 193 с.

14) Сборник сметных норм на геологоразведочные работы. – М. : ВИЭМС, 1992. – Вып. 4 : Горно-разведочные работы, прил. 2 : Единая классификация пород по буримости. – 42 с.

15) Методическое руководство по определению и использованию показателей свойств горных пород в бурении / РД 39-3-679-82, ВНИИБТ, М., 1983. — 93с.

16) Справочник по механическим и абразивным свойствам горных пород нефтяных и газовых месторождений /Абрамсон М.Г., Байдюк Б.В., Зарецкий В.С., Кирсанова А.Т., Матвеева А.М., Пьянков Н.Я., Урманцев М.М., Шевалдин И.Е. — М., Недра, 1984, 207с.

17) Инструкция о составе, порядке разработки, согласования и утверждения проектно-сметной документации на строительство скважин на нефть и газ. (ВСН 39-86), утвержденной приказом Министерства нефтяной промышленности 09.08.86, N 443.  — М., ВНИИОЭНГ, 1987.

18) РД 39-0148052-537-87 «Макет рабочего проекта на строительство скважин на нефть и газ». — М., ВНИИБТ, 1987.

19) Близнюков В.Ю., Близнюков Вит.Ю. Оценка и классификация горно-геологических и технико-технологических условий бурения скважин и спуска обсадных колонн [Текст] / Близнюков Вит.Ю. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — 2008. — № 7. – с. 26-31.

Авторы

Шмелев Валерий Александрович, Старший научный сотрудник, к.т.н., Филиал ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «ПермНИПИнефть» в г. Перми

Сердобинцев Юрий Павлович, Профессор кафедры «Автоматизации производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета, д.т.н.

Макаров Алексей Михайлович, Заведующий кафедрой автоматизации производственных процессов, к.т.н., доцент, руководитель центра прототипирования Волгоградского государственного технического университета