Файл: Применение легкосплавных труб при бурении глубоких нефтяных и газовых скважин.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 34
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ПРИМЕНЕНИЕ ЛЕГКОСПЛАВНЫХ ТРУБ ПРИ БУРЕНИИ ГЛУБОКИХ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
Введение. В данной статье проведён анализ применения легкосплавных труб нового поколения в глубоком бурении нефтяных и газовых скважин. Рассмотрены возможности использования буровых установок с меньшей грузоподъемностью, чем при использовании традиционных (стальных) труб. Применение алюминиевых бурильных труб для бурения сверхглубоких скважин позволяет снизить себестоимость буровых работ при разведке небольших месторождений со сложными геолого-техническими условиями и глубоко залегающими пластами-коллекторами углеводородов. Также применение бурильных труб из легированных сплавов в коррозионно-активной среде позволяет повысить надёжность буровой колонны без применения дорогостоящих антикоррозийных покрытий.
Нефтегазовый сектор играет важную роль в экономическом развитии страны. Топливно-энергетические компании обеспечивают около половины налоговых поступлений, а доля их продукции является значимой частью экспорта. Ожидается, что одно из главных направлений развития нефтегазового комплекса России в ближайшие несколько лет будет направлено на разработку глубокозалегающих запасов углеводородов. Для разведки и разработки таких месторождений необходимо строительство глубоких и сверхглубоких скважин. Скважины глубиной от 3 до 7 км по вертикали относятся к глубоким, скважины глубиной свыше 7 км являются сверхглубокими.
Материалы и методы. Группа месторождений Волгоградского Заволжья в Прикаспийской нефтегазоносной провинции характеризуются значительной глубиной залегания запасов углеводородов. К данной группе относятся месторождения, приведённые в таблице 1 [1].
Таблица 1 – Месторождения Прикаспийской нефтегазоносной провинции
| Месторождение | Глубина залегания запасов углеводородов, м | Содержание сероводорода, % |
| Тенгиз | 3800-5400 | 28 |
| Кашаган | 4500-4800 | 19 |
| Астраханское | 4100-4200 | 26 |
Согласно данным приведённым в таблице, для разработки месторождений Прикаспийской нефтегазоносной провинции требуется строительство глубоких скважин. Также необходимо отметить высокое содержание сероводорода в газонасыщенных пластах месторождений, что осложняет процесс бурения вследствие повышенной коррозионной активности.
Таким образом, для разработки месторождений Прикаспийской нефтегазоносной провинции возникает две технологические проблемы:
- большая глубина бурения по вертикали;
- высокая коррозионная активность среды.
Применение традиционных технологий (использование буровых установок с большой грузоподъёмностью и импортных буровых труб с антикоррозийным покрытием) для решения вышеуказанных проблем увеличивает стоимость бурения. В связи с высокой стоимостью строительства глубоких скважин, актуальным вопросом является повышение рентабельности всего процесса.
Для снижения стоимости бурения и решения проблемы рентабельности разведки месторождений, расположенных на большой глубине, предлагается использовать при бурении легированные (алюминиевые) бурильные трубы. Это приводит к возможности использования буровой установки с меньшей номинальной грузоподъемностью.
Преимуществами труб из легированных сплавов являются:
- низкий удельный вес;
- высокая удельная прочность;
- низкое значение модуля продольной упругости и модуля сдвига;
- высокие характеристики гашения вибрации;
- коррозионная стойкость в агрессивной среде;
- немагнитные свойства [4].
Но, несмотря на преимущества и положительную практику использования легких сплавов в строительстве скважин, трубы из алюминия не получили широкого распространения из-за следующих недостатков, а именно высокой стоимости и интенсивного механического износа.
Проблема изнашивания в процессе бурения может быть решена за счет применения более качественных материалов труб с улучшенными характеристиками и применением смазывающих добавок в буровые технологические жидкости, стоимость которых может быть компенсирована использованием мобильной буровой установки с меньшей грузоподъёмностью, чем при бурении с использованием обычных стальных бурильных труб.
Особенностью месторождений Прикаспийской низменности является наличие в геологическом разрезе пластов насыщенных газами с высоким содержанием сероводорода (табл.1), что значительно повышает коррозионную активность среды [1].
Большая глубина и агрессивность жидкости не позволяют использовать обычные стальные трубы для бурения и обсадки ствола скважин. Использование специального антикоррозионного варианта импортных труб значительно увеличивает затраты на строительство скважины.
Оценка прочностных характеристик алюминиевых бурильных труб. В одной из работ [2] производился расчет бурильной колонны (БК) в программном обеспечении DrillNET фирмы Petris Technology. Для определения коэффициентов безопасности и эксплуатационных параметров алюминия и стали были выбраны осреднённые характеристики интервала бурения (таблица 2).
Таблица 2 – Характеристики интервала бурения
| Глубина залегания, м | 4000-4200 |
| Градиент пластового давления, кгс/см2/1м | 0,18 |
| Температура в скважине, °C | 120-130 |
Для бурения были предложены трубы:
- P 129x11 мм из сплава D16T длиной 2900 м;
- LBTPN-P 103x11 мм из сплава D16T длиной 1300 м [3].
По результатам расчёта использование алюминиевых бурильных труб в конструкции бурильной колонны оптимизирует эксплуатационные характеристики бурового оборудования по сравнению с использованием стальных труб:
- вес бурильной колонны в воздухе - в 1,87 раза меньше;
- осевая нагрузка при бурении с вращением - в 2,5 раза меньше;
- нагрузка на крюк бурильной колонны - в 2,1 раза меньше;
- сила трения при бурении с вращением - в 2 раза меньше.
Выбор буровой установки производится из условия, чтобы сумма статических и динамических нагрузок при опускании (подъеме) наиболее тяжелых буровых и обсадных колонн, а также при ликвидации аварий (прихватов) не превышала значений параметра допустимой нагрузки на крюк [5].
Для анализа были выбраны буровые установки ZJ 70, ZJ 50, ZJ 40. Начальные условия для выбора грузоподъемности буровой установки - максимальная рабочая масса (данные из месторождения-аналога):
- стальная буровая колонна в воздухе составляет 1905 кН (194,4 тонны);
- буровая колонна из сплава алюминия в воздухе составляет 1017 кН (103,8 тонны);
- максимальный вес обсадной колонны диаметром 244,5/250 мм составляет 3582 кН (365,6 тонны);
- вес верхнего силового привода на буровых установках “ZJ” составляет 196 кН (20 тонн).
Из условий выбора буровой установки можем сделать вывод, что использование бурильной трубы из алюминиевого сплава позволяет использовать буровую установку с небольшой грузоподъемностью. При дальнейших работах следует рассмотреть возможность опускания и цементирования алюминиевых обсадных труб.
Сравнение расчетных и измеренных характеристик компоновок бурильной колонны. Был сделан анализ данных, который представлен в таблице 3.
Таблица 3 – Сравнительные характеристики компоновок БК при бурении на отм. 3135м.
| Параметры напряженно-деформированного состояния БК | Стальная БК | Комбинированная БК | |||
| По расчетам | По измерениям | По расчетам | По измерениям | ||
| Вес БК в воздухе, кгс | 58,3 | - | 51,7 | - | |
| Вес БК в буровом растворе, тнс | 47,9 | - | 40,5 | - | |
| Крутящий момент на роторе, кН*м | 10,1 | 9,5-10,5 | 7,6 | 6,8-8,0 | |
| Усилие на крюке: -при бурении; -при подъеме БК; -при спуске БК. | 32,9 68,9 22,8 | 36,0 70,0 25,0 | 27,7 53,3 20,7 | 31,5 52,0 22,0 | |
| Запас прочности БК: -при бурении; -при подъеме БК. | 1,68 1,41 | - - | 2,07 1,82 | - - | |
| Затяжки БК при отрыве от забоя, тнс | - | До 110 | - | Не отмечались | |
Из приведенных выше данных (таблица 3) можно сделать вывод, что при бурении нижней части ствола скважины с использованием легкосплавных алюминиевых труб обеспечивается наибольший запас прочности, колонна характеризуется более низким напряженно-деформированным состоянием труб и позволяет расширить ствол скважины без риска образования прихватов и других негативных явлений, часто связанных с тяжелыми стальными трубами при бурении длинных скважин.
В дополнение к вышеприведённой информации, по сравнительным характеристикам компоновок расхождение между расчетными и фактическими данными не превышает 10%. За счет снижения общей массы оборудования применение составной компоновки БК позволило уменьшить сопротивление вращению БК, снизить вес оборудования на крюке при спускоподъемных операциях, крутящий момент и ряд других показателей.
Производилась экономическая оценка строительства скважины с использованием ZJ70 со стальной бурильной колонной труб G-105; ZJ-70 с бурильной трубой из сплава D16T; ZJ50 с бурильной трубой из сплава D16T; ZJ50 с бурильной трубой из сплава D16T. Экономическая оценка применения различных буровых установок и бурильных труб показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Сравнение затрат при различных вариантах оборудования
Оценка экономических показателей показывает, что использование бурильных труб из легкого сплава обеспечивает экономию в диапазоне 0,6-19% [6].
Обсуждение. Лучшие характеристики алюминиевых бурильных труб в процессе эксплуатации обусловлены облегчением бурильной колонны и уменьшением трения. Сравнение полученных расчетных параметров с силовыми параметрами предполагаемой буровой установки показывает, что для бурения стальной трубой буровая установка потребляла бы больше энергии как на грузоподъемность, так и на вращение верхнего приводного механизма [6].
Заключение. Полученные результаты показывают, что использование алюминиевых бурильных труб для бурения сверхглубоких скважин может обеспечить повышение инвестиционной привлекательности разведки небольших месторождений с запасами, залегающими на большой глубине и сложными геологическими и техническими условиями.
Следует отметить, что было открыто много месторождений углеводородов с глубокозалегающими запасами, разработка этих месторождений зависит от рентабельности строительства скважин.
Отсутствие массового опыта использования легированных бурильных труб для бурения сверхглубоких скважин и недостаточная база информации ограничивают исследование в данном направлении.