Способ определения зашламованности ствола скважины
METHOD FOR DETERMINING THE SLUDGING OF THE WELLBORE

Изобретение относится к области исследования ствола скважины с целью определения зашламованности. Изобретение может быть использовано для максимального снижения неопределенности при инженерной оценке применяемых технологических мероприятий, для очистки ствола скважины и оценки рисков перед спуском обсадных колонн и хвостовиков при бурении скважин, для оценки режимов бурения и спуско-подъемных операций, для оценки влияния гидродинамического воздействия на ствол при бурении скважин, а также при реконструкции скважин методом зарезки боковых стволов.
Известен патентный документ CN 203239322 (дата приоритета: 09.05.2013, дата публикации: 16.10.2013, МПК: Е21В 47/00) «Измеритель количества бурового шлама». Измеритель количества бурового шлама содержит верхний контейнер и нижний контейнер, при этом верхний контейнер снабжен нижним отверстием, нижний контейнер снабжен верхним отверстием, нижнее отверстие верхнего контейнера находится прямо напротив верхнего отверстия, при этом верхний контейнер соединен с нижним контейнером посредством пружины. В результате определяется количество угольного шлама в приборе, измеряя его вес при бурении. При использовании данного устройства возможно оценить объем полученного шлама при бурении, но без использования телеметрии отсутствует возможность установить степень зашломованности скважины и выявить зашламованные участки.
Из уровня техники известен сервис по анализу очистки и стабильности ствола скважины (https://www.slb.ru/services/drilling/surface_logging/wellbore_quality/clear/, дата обращения: 10.09.2019 г.). Сервис по анализу очистки и стабильности ствола скважины Clear (Клиа) разработан компанией Geoservices (ООО «ГеоСервис») для автоматизированного подсчета объема шлама на выходе из скважины с целью оценки и мониторинга очистки и стабильности ствола скважины. Применение оборудования Clear и системы сбора и анализа информации, разработанных Geoservices, позволяют в реальном времени получать и анализировать фактические данные о количестве шлама, поступающего из скважины на вибросита. Сервис осуществляет непрерывный мониторинг объема выбуренного и обвального шлама, оценку качества очистки и стабильности ствола скважины в реальном времени, оптимизацию буровых параметров и коррекцию параметров бурового раствора, минимизацию риска осложнений связанных с плохой очисткой ствола скважины, минимизацию износа буровой колонны, минимизацию циркуляционного времени при проработках. Оборудование Clear устанавливается перед каждым виброситом, 4х точечное измерение веса на каждой шламовзвешивающей лопасти. Принцип работы сервиса заключается в следующем. Шламовзвешивающие лопасти оборудования шламовзвешивающей машины устанавливаются непосредственно перед каждым виброситом. Шлам попадает на шламовзвешивающие лопасти, на которых шлам накапливается. Пневмоуправляемое устройство приводится в действие от системы сжатого воздуха на буровой, которое работает согласно одного цикла в 30 секунд. По истечению заданного интервала времени лоток переворачивается, очищается от взвешенного шлама и возвращается в исходное положение. Время очистки лопасти составляет 5 секунд. Во время очистки система считает вес шлама исходя из среднего измеряемого веса. В режиме реального времени доступны следующие параметры:
- измеренный суммарный вес мокрого шлама;
- измеренный суммарный вес сухого шлама;
- измеренный суммарный объем сухого шлама;
- теоретический суммарный объем сухого шлама;
- измеренная скорость выхода сухого шлама;
- теоретическая скорость выхода сухого шлама на основе скорости проходки;
- недостаточное или избыточное количество объема шлама;
- процент выноса шлама.
По соотношению фактического и расчетного объема выбуренной породы определяется зашламованность скважины непосредственно в процессе бурения скважины.
Недостатком таких устройств (способа и системы, материального носителя) является низкая точность определения зашламованности ствола скважины, т.к. высока неопределенность выявления зашламованных участков в скважине и места их расположения. При реализации известных способов ведется учет полученного шлама только на устье скважины. Также системы характеризуются технической сложностью реализации и высоким риском организационной и инженерной ошибки. Т.к. выбуренная порода на поверхности представлена буровым шламом (смесь из породы, бурового раствора, технологической жидкости, такой как техническая вода или морская вода, в случае с шельфовыми проектами), анализ всех вводных данных, выявление истинного количества объема выбуренной породы - это энергозатратная задача, требующая дополнительные ресурсы и затратной организации. Также недостатком известного сервиса является невозможность расчета планового количества шлама с учетом истинной геометрии ствола. Следовательно, не представляется возможным с приемлемой точностью получать сведения о кавернах, боковых вывалах, и локальных изменениях геометрии ствола скважины иного характера. Таким образом, сервис типа Clear позволяет приблизительно оценить зашламованность скважины в процессе бурения, но перед спуском обсадных колонн требуется повторная более точная (более «тонкая») диагностика зашламованности необсаженного ствола скважины.
В качестве подготовки ствола скважины к спуску колонны необходимо дополнительно оценивать степень зашламованности ствола скважины с целью предотвращения смятия обсадных колонн при их спуске и возникновении сопротивления при продвижении колонн по стволу скважины из-за невыявленных зашламованных участков при бурении.
Технический результат заявленного изобретения заключается в упрощении способа (системы) определения зашламованности ствола скважины и машиночитаемого носителя, реализующего способ, при повышении точности степени зашламованности, а также выявления зашламованных участков в скважине, т.е. определение их местонахождения в скважине.
Технический результат достигается за счет того, что способ определения зашламованности ствола скважины включает:
- регистрацию данных изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на необсаженном участке ствола скважины, зенитный угол которого составляет менее 30° (эталонный участок)
или получение исторических данных регистрации изменения веса на крюке на эталонном участке;
- регистрацию данных изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на участке ствола скважины, на котором зенитный угол составляет 30° и более (исследуемый участок);
- сравнение данных изменения веса на крюке, полученных на эталонном участке и исследуемом участке, и определение зашламованности на исследуемом участке по превышению амплитуды изменения веса на крюке на исследуемом участке относительно данных изменения веса на крюке на эталонном участке.
Заявленный способ рекомендован при бурении скважин с горизонтальным окончанием и скважин с большим отходом.
Оценка производится путем интерпретации точечной посекундной диаграммы показаний веса бурильной колонны на крюке при подъеме бурильной колонны без циркуляции промывочной жидкости (с выключенными насосами) и без вращения бурильной колонны.
Способ основан на визуализации и анализе амплитуды колебания веса на крюке при подъеме КНБК в интервале, где зенитный угол составляет менее 30°. Наличие и количество шлама на нижней стенке ствола скважины определяется путем сопоставления амплитуды колебания веса на крюке исследуемого интервала (участка) с интервалом, где шлама на нижней стенке ствола скважины не может быть априори (зенитный угол менее 30°) - эталонный участок скважины.
Данная зависимость представлена формулой закона Амонтона - Кулона, но с суммированием еще одной неизвестной, которая не является постоянной и выражена амплитудой, характеризующей величину шламовой постели при прохождении долота.
При подъеме КНБК формула, которая описывает процесс взаимодействия КНБК с нижней стенкой ствола скважины, при наличии рыхлого и нестабильного слоя шлама на нем или без него выглядит следующим образом:
F=μN+А+Хшл, где
F - сила трения;
μ - коэффициент трения (в технологических расчетах в бурении скважин величина коэффициента трения лежит в пределах 0,2≤μ≤0,45), μ=const при неизменности взаимодействующих материалов;
N - сила нормальной реакции опоры (зависит от площади пятна контакта и давления);
А - сила адгезии (не играет существенной роли в процессе формирования силы трения при движении);
Хшл - коэффициент влияния шлама, выраженный амплитудой, характеризующей величину шламовой постели при прохождении долота через него. Хшл=const при неизменной толщине шлама.
Ввиду того, что шлам ведет себя по-разному в зависимости от зенитного угла скважины, при анализе посекундной диаграммы показаний веса бурильной колонны на крюке интервала подъема бурильной колонны без вращения и циркуляции, скважину условно можно разделить на три этапа по зенитному углу:
- от 0° до ±30° в момент остановки циркуляции шлам под действием силы тяжести опускается вниз, пока не встретит «дно»;
- от ±30° до ±65° в момент остановки циркуляции шлам под действием силы тяжести также опускается вниз, но для оседания на «дно» преодолевает значительно меньшее расстояние. Поведение шлама при оседании на нижнюю стенку ствола скважины с зенитным углом от ±30° до ±65° является лавинообразным в соответствии эффектом Бойкотта - эффектом ускоренного осаждения примеси в сосуде с наклонными стенками открытого Артуром Бойкоттом при изучении осаждения эритроцитов крови (Митчелл, Дж. Безаварийное бурение [Текст]: учебник / Митчелл Дж. Безаварийное бурение. - М. - Ижевск: институт компьютерных исследований, 2017. - 364 с.);
- больше ±65° в момент остановки циркуляции шлам под действием силы тяжести опускается вниз, преодолевая минимальное расстояние. Таким образом, шлам оседает на нижней стенке скважины равномерным слоем.
Под эталонным участком скважины понимается участок, на котором зенитный угол скважины составляет от 0° до ±30° (практически вертикальный участок, приближенный к устью скважины).
Под исследуемым участком скважины понимается участок, на котором занитный угол скважины составляет от ±30° и более (т.е. от ±30° до ±65° и больше ±65°).
Также технический результат достигается за счет того, что система определения зашламованности ствола скважины включает:
- блок регистрации (БР), выполненный с возможностью регистрации данных изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны необсаженном участке ствола скважины, зенитный угол которого составляет менее 30° (эталонный участок), и на участке ствола скважины, на котором зенитный угол составляет 30° и более (исследуемый участок)
и/или базу данных (БД), выполненную с возможностью хранения исторических данных регистрации изменения веса на крюке на эталонном участке;
- блок сравнения и определения (БСиО), соединенный с БР и/или БД, при этом БСиО выполнен с возможностью сравнения данных изменения веса на крюке, полученных на эталонном участке и исследуемом участке, и определения зашламованности на исследуемом участке по превышению амплитуды изменения веса на крюке на исследуемом участке относительно данных изменения веса на крюке на эталонном участке.
Технический результат достигается за счет того, что машиночитаемый носитель содержит компьютерную программу, при исполнении которой на компьютере процессор выполняет следующие операции:
- регистрацию данных изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на необсаженном участке ствола скважины, зенитный угол которого составляет менее 30° (эталонный участок)
или получение исторических данных регистрации изменения веса на крюке на эталонном участке;
- регистрацию данных изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на участке ствола скважины, на котором зенитный угол составляет 30° и более (исследуемый участок);
- сравнение данных изменения веса на крюке, полученных на эталонном участке и исследуемом участке, и определение зашламованности на исследуемом участке по превышению амплитуды изменения веса на крюке на исследуемом участке относительно данных изменения веса на крюке на эталонном участке.
Возможен вариант реализации изобретения, при котором подъем компоновки низа бурильной колонны на эталонном участке ствола скважины осуществляют со скоростью в диапазоне от 0,1 до 1,5 м/сек с частотой замера не реже раза в секунду.
Возможен вариант реализации изобретения, при котором подъем компоновки низа бурильной колонны на исследуемом участке осуществляют со скоростью в диапазоне от 0,1 до 1,5 м/сек с частотой замера не реже раза в секунду.
Возможен вариант реализации изобретения, при котором получают исторические данные регистрации изменения веса на крюке на эталонном участке той же скважины, на котором определяют зашламованность на исследуемом участке.
Возможен вариант реализации изобретения, при котором получают исторические данные регистрации изменения веса на крюке на эталонном участке скважины-аналога скважине, на которой определяют зашламованность на исследуемом участке.
Возможен вариант реализации изобретения, при котором по данным регистрации изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на эталонном участке определяют максимальный уровень амплитуды изменения веса на крюке на эталонном участке, а зашламованность на исследуемом участке определяют по превышению максимального уровня амплитуды изменения веса на крюке на эталонном участке.
Возможен вариант реализации изобретения, при котором по данным регистрации изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на эталонном участке определяют средний уровень амплитуды изменения веса на крюке на эталонном участке, а зашламованность на исследуемом участке определяют по соответствию среднего уровня амплитуды изменения веса на крюке на эталонном участке среднему уровню амплитуды изменения веса на крюке на исследуемом участке.
Данные по степени зашламованности ствола скважины могут быть объединены на каротажной диаграмме с другими данными для анализа качества ствола скважины (крутящий момент, нагрузка, скорость инструмента). Также текущие параметры могут выводиться на внешние мониторы на буровой, данные могут быть переданы в офис через интернет или по протоколу WITS (протокол обмена данными с буровой Wellsite Information Transfer Specification).
Заявленное изобретение поясняется следующими фигурами.
Фиг. 1 - схематичное изображение скважины, на которой отмечено:
1 - скважина;
2 -шлам.
э
и
Фиг. 2 - результат регистрации данных изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на эталонном необсаженном участке (L) ствола скважины СК-1 и на исследуемом участке (L) скважины СК-1, имеющей зашламованный участок 4. В качестве исследуемого участка может быть выбрана любая протяженность ствола скважины, зенитный угол которого от ±30° (включительно) и более.
э
и
Фиг. 3 - результат регистрации данных изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на эталонном необсаженном участке (L) ствола скважины СК-2 и на исследуемом участке (L) скважины СК-2.
На фигурах 2 и 3 обозначено:
3 - средняя линия изменения (колебания) веса на крюке (линия тренда);
4 - зашламованный участок;
э
5 - максимальный уровень амплитуды изменения веса на крюке на эталонном участке (L) (относительно средней линии 3 колебания веса на крюке);
э
и
6 - средний уровень амплитуды изменения веса на крюке на эталонном участке (L), который соответствует среднему уровню амплитуды изменения веса на крюке на исследуемом участке (L) (относительно средней линии 3 колебания веса на крюке).
Фиг. 4 - блок-схема системы определения зашламованности ствола скважины, на которой:
7 - блок регистрации (БР);
8 - база данных (БД);
9 - блок сравнения и определения (БСиО);
10 - блок отображения (БО).
Заявленный способ реализуется следующим образом.
э
э
э
и
э
и
Первоначально осуществляют определение эталонного необсаженного участка L ствола скважины (фиг. 2, 3), зенитный угол которого составляет менее 30°, и регистрацию данных изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на эталонном участке (L) ствола скважины. Также данные сведения могут быть получены из базы данных (БД), в которой имеются исторические данные регистрации изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на эталонном участке (L) ствола скважины той же скважины или скважины-аналога. На исследуемом участке (L) ствола скважины, на котором зенитный угол составляет 30° и более также осуществляют регистрацию данных изменения веса на крюке без вращения КНБК и циркуляции промывочной жидкости (фиг. 2, 3). При отключенной КНБК точность полученных данных выше, чем при работающей КНБК. После чего выполняют сравнение данных изменения веса на крюке, полученных на эталонном участке (L) ствола скважины, с данными изменения веса на крюке на исследуемом участке (L).
э
и
и
и
и
э
Максимальное значение амплитуды веса на крюке на эталонном участке Lскважины, может быть принято, как минимально необходимое значение для данных на исследуемом участке (L), т.е. принят в качестве «шума показаний» 2 веса на крюке на исследуемом участке скважины СК-1 (фиг. 2). На фиг. 2 можно идентифицировать зашламованный участок 4 на исследуемом участке (L), т.е. это участок, на котором амплитуда колебаний изменения веса на крюке превышает показания «шума». В качестве «шима»в данном варианте реализации изобретения принимается максимальный уровень амплитуды изменения веса на крюке 5 на эталонном участке. На фиг. 2 видно, что на исследуемом участке превышается значение амплитуды изменения веса на крюке от 1 до 20 тонн (см. участок 4). Таким образом, осуществляют определение зашламованного участка 4 на исследуемом участке L ствола скважины по превышению амплитуды колебаний (изменений) веса на крюке на исследуемом участке (L) относительно данных изменения веса на крюке на эталонном участке (L), в частности по превышению максимального уровня 5.
Таким образом, первостепенным в заявленном способе является анализ величины амплитуды (изменения) колебания значений веса на крюке, т.е. это превышение, например среднего значения веса на крюке 3 (средней линии 3).
э
и
и
На фиг. 3 видно, что среднее значение (уровень) амплитуды изменения веса на крюке 6 на эталонном участке (L) соответствует среднему значению 6 амплитуды изменения веса на крюке на исследуемом участке (L) и равняется 4 тонны. Следовательно, исследуемый участок (L) скважины СК-2 на фиг. 3 не является зашламованным. В данном варианте реализации способа наличие/отсутствие зашламованности определили по соответствию среднему уровню 6 на эталонном и на исследуемом участках.
При реализации изобретения необходимо учитывать, что наличие в компоновке бурильной колонны увеличенных по диаметру элементов, таких как калибраторы, стабилизаторы, долото и т.п. повышает чувствительность изменения веса на крюке при подъеме, что повышает точность результата оценки наличия слоя шлама на нижней стенке ствола наклонной и горизонтальной скважины (где шлам оседает) и определить на какой длине скважины находится зашламованный участок. Например, зашламованный участок 4 находится в диапазоне длины скважины СК-1 с 2560 м по 3600 м.
Однако при спуске обсадной колонны с включением элементов многостадийного гидроразрыва пласта МГРП и заколонными разделительными пакерами можно увидеть ситуацию с постепенным ступенчатым увеличением амплитуды колебания показаний веса на крюке (F) по мере выхода элементов в зашламованный интервал ствола скважины. Это связано с наличием в составе КНБК элементов с увеличенным диаметром относительно обсадной колонны. Например, при спуске хвостовика МГРП диаметром ∅114 мм в ствол горизонтальной скважины диаметром ∅155,6 мм и по мере выхода заколонных пакеров в открытый ствол начинает увеличиваться амплитуда колебания показаний веса на крюке. Данное явление происходит по причине того, что при продвижении по стволу скважины (со слоем шлама на нижней стенке скважины определенной высоты) компоновки хвостовика с включением заколонного пакера (условно №1) с увеличенным диаметром относительно обсадных труб, формула силы трения (выражена показаниями веса на крюке) выглядит так:
пакера №1
F=μN+A+Хшл,
пакера №1
пакера №1
где Хшл - коэффициент влияния шлама, выраженный амплитудой, характеризующей величину шламовой постели при прохождении через нее заколонного пакера №1 увеличенного диаметра. Хшл=const при неизменной толщине шлама.
Но, как только в открытый ствол скважины в слой шлама выходит следующий заколонный пакер (условно №2), та же формула имеет следующий вид:
пакера №1
пакера №2
F=μN+А+Хшл+Хшл
В виду чего происходит ступенчатое увеличение амплитуды колебания веса на крюке. И так до тех пор, пока в открытый ствол в слой шлама не выйдут все элементы КНБК увеличенного диаметра.
пакера №1
пакера №2
пакера №n
F=μN+A+Хшл+Хшл+Хшл
Для оценки зашламованности ствола скважины важно производить анализ полученных данных именно при подъеме КНБК (как представлено в заявленном изобретении), а не спуска, ввиду того, что бурильная колонна при подъеме по всей длине от устья к низу КНБК испытывает только лишь растягивающую нагрузку, в то время, как при спуске, нагрузка в одной части бурильной колонны растягивающая, а в другой части сжимающая. Следовательно, при подъеме КНБК любые изменения веса на крюке напрямую связаны элементом, резко отличного по диаметру в большую сторону, таких как долото, калибратор, центратор, и т.п. дают точную оценку уровня и расположения участка, на котором наблюдается зашламованность.
э
и
э
и
э
и
и
При рассмотрении визуализации посекундной амплитуды колебания веса на крюке при подъеме КНБК (фиг. 2, 3) без циркуляции и вращения необходимо анализировать значения выше линии тренда (средней линии 3) посекундных показаний веса на крюке. Допустимое превышение качестве линии тренда 3 может приниматься, например по превышению максимального уровня амплитуды изменения веса на крюке 5 (или его соответствию) или по превышению среднего уровня амплитуды изменения веса 6 на крюке (или его соответствию) на эталонном участке (L) ствола скважины (фиг. 2, 3). При этом зашламованность на исследуемом участке (L) ствола скважины определяют по превышению (соответствию) амплитуды изменения (колебаний) веса на крюке на на эталонном участке (L) и на исследуемом участке (L), т.е. по сравнению данных изменения веса на крюке, полученных на эталонном участке (L) и исследуемом участке (L), и определению зашламованности на исследуемом участке (L) по превышению амплитуды изменения веса на крюке на исследуемом участке относительно данных изменения веса на крюке на эталонном участке.
Кроме того, определить зашламованные участки скважины можно по сопоставлению среднего уровня амплитуды изменения веса на крюке на эталонном участке среднему уровню амплитуды изменения веса на крюке на исследуемом участке. Таким образом, если среднее значение амплитуд на обоих участках не изменяется (или меняется в «коридорном» диапазоне значений), то можно считать, что такая скважина не содержит зашламованных участков (фиг. 3).
Система определения зашламованности ствола скважины (фиг. 4) может включать блок регистрации (БР) 7, базу данных (БД) 8 и блок сравнения и определения (БСиО) 9.
Блок регистрации (БР) 7 выполнен с возможностью регистрации данных изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны необсаженном участке ствола скважины, зенитный угол которого составляет менее 30° (эталонный участок), и на участке ствола скважины, на котором зенитный угол составляет 30° и более (исследуемый участок). База данных (БД) 8 выполнена с возможностью хранения исторических данных регистрации изменения веса на крюке на эталонном участке. Блок сравнения и определения (БСиО) 9 соединен с БР 7 и в данном варианте системы также с БД 8, при этом БСиО 9 выполнен с возможностью сравнения данных изменения веса на крюке, полученных на эталонном участке и исследуемом участке (из БР 7 и/или БД 8), и определения зашламованности на исследуемом участке по превышению амплитуды изменения веса на крюке на исследуемом участке относительно данных изменения веса на крюке на эталонном участке. При этом БСиО 9 (фиг. 4) соединен с блоком отображения (БО) 10.
Машиночитаемый носитель (на фиг не показан) содержит компьютерную программу, при исполнении которой на компьютере процессор выполняет следующие операции: регистрацию данных изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на необсаженном участке ствола скважины, зенитный угол которого составляет менее 30° (эталонный участок) или получение исторических данных регистрации изменения веса на крюке на эталонном участке; регистрацию данных изменения веса на крюке при подъеме компоновки низа бурильной колонны на участке ствола скважины, на котором зенитный угол составляет 30° и более (исследуемый участок); сравнение данных изменения веса на крюке, полученных на эталонном участке и исследуемом участке, и определение зашламованности на исследуемом участке по превышению амплитуды изменения веса на крюке на исследуемом участке относительно данных изменения веса на крюке на эталонном участке.
Таким образом, впервые появляется возможность сократить неопределенность представления состояния (зашламованности) ствола до того уровня (максимального, среднего или минимального), который позволяет производить оценку технологических мероприятий при бурении скважины, или подготовки скважины к спуску обсадных колонн и хвостовиков, в части эффективности очистки ствола скважины от шлама. Шлам в скважине может быть как в качестве выбуренной породы, так и результатом разного рода неустойчивости ствола, таких, как вывалы, обрушение, выклинивания, осмотического набухания и т.п. В отличие от известных способов и систем определения зашламованности заявленный способ позволяет определить местонахождения шлама (участок, на нижней стенке ствола скважины), не требуя при этом создание технологически сложных устройств, а используя стандартную компоновку низа бурильной колонны (КНБК).