Бурением скважин с горизонтальными стволами эффективно решаются вопросы как разработки маломощных пластов низкопроницаемых коллекторов, подстилаемых напорными водами, так и освоения нефтеносных залежей в акваториях морей, а также интенсификации добычи и довыработки остаточных запасов нефти. Наклонные участки ствола скважины требуют особой осторожности при креплении, так как здесь возрастает возможность прихвата при спуске обсадных колонн (ОК), вызывая ряд сложностей, связанных с обеспечением их центрирования, где вес трубы полностью или частично передается на центратор, при этом по своему определению центратор должен оставаться соосным поперечному сечению ствола скважины [1].
Центраторам, установленным в месте перехода из условно вертикальной в горизонтальную плоскость, приходится принимать на себя весь вес элемента обсадной колонны. В связи с этим, в случаях спуска обсадной колонны в интервалы с большой интенсивностью искривления устройство при исполнении своей опорной функции может потерять функцию полноценного центрирования, что в результате приведет к риску прижатия элемента колонны к стенке ствола скважины [2].
Вследствие недостаточного центрирования нарушается процесс крепления скважины цементным раствором, так как наличие эксцентриситета приводит к защемлению бурового раствора по узкой стороне затрубного пространства и, как следствие, к невозможности равномерного заполнения цементом затрубного пространства, в результате чего образуются проводящие каналы, делающие крепь скважины уязвимой в процессе дальнейшей эксплуатации [3].
Существуют различные модели опорно-центрирующих устройств, изготовленных из металла или полимерных композиционных материалов, однако все они подразделяются на два типа: жесткие и упругие.
Для центрирования скважин с наклонно-направленными и горизонтальными участками широко применяются жесткие центраторы, которые на сегодняшний день представлены разнообразными разработками и модификациями. Достоинствами жесткого центратора являются независимость от прилагаемых нагрузок, а также возможность его модификации для достижения существенного снижения коэффициентов трения при спуске обсадной колонны. Главным недостатком жестких центраторов является фиксированный наружный диаметр, который, согласно условиям исключения рисков заклинивания в местах сужения скважины и, как следствие, посадок обсадной колонны, должен быть меньше диаметра долота. Данное условие ограничивает максимально достигаемую степень центрирования, особенно если фактический размер ствола больше номинального из-за кавернозности или других проблем, связанных с устойчивостью ствола [4].
В связи с вышеизложенным возникает необходимость в разработке методики и широком анализе работоспособности основных элементов оснастки обсадной колонны для эффективного крепления горизонтальных скважин с большими отходами от вертикали.
Известно, что в горной академии г. Фрайберга (Германия) имеется уникальное технологическое оборудование «Трозика», разработанное для проведения стендовых экспериментов, с целью имитации скважинных условий и точного воспроизведения рабочих процессов, происходящих при креплении скважины обсадными колоннами [5].
Технологическое оборудование «Трозика» представляет собой закрытую кабину, оснащенную вентиляционной системой, обеспечивающей сотрудникам безопасный доступ к испытательному стенду. Внутри кабины имеется установка, оснащенная замкнутой циркуляционной системой, состоящая из вала и рельса. На вал насаживается обсадная колонна меньшего диаметра, а также закрепляется центратор. На рельс устанавливается обсадная колонна большего диаметра, которая при запуске двигателя перемещается при помощи рельса в осевом направлении (рис. 1) [6].
«Трозика» позволяет задать исходные данные в виде конструкции скважины, геологических и технических условий ее проводки, после чего возможно моделировать скорости, режимы, способы спуска обсадных колонн, степень их заполнения буровой промывочной жидкостью, осевые и прижимающие усилия при влиянии различных технологических факторов. Так, особый интерес представляет возможность моделирования факторов, влияющих на силы сопротивления движению колонны при взаимодействии трех пар: элемента оснастки ОК – металла, элемента оснастки ОК – шероховатой стенки скважины (имитация осаждения шлама в латеральных участках), элемента оснастки ОК – глинистой корки. Подробно конструктивные особенности и принцип работы оборудования описаны в работе [6].
Заключено, что наиболее привлекательны для исследования характера взаимодействия трущихся поверхностей две рабочие области: место контакта между наружной поверхностью центратора и внутренней поверхностью внешней обсадной колонны при осевой подаче последней; место контакта между внутренней поверхностью центратора и наружной поверхностью обсадной колонны на валу машины.
В качестве внутренней ОК была взята 114 мм обсадная труба, в качестве внешней ОК — 178 мм обсадная труба, а также 7 различных моделей жестких центраторов и 7 видов смазывающих добавок для буровой промывочной жидкости на углеводородной основе (БПЖ). Задав тактические геологические и технические условия проводки скважины, а также снабдив пуск выверенными оптимальными (относительно прилагаемой нагрузки – заклинивания устройства) технологическими факторами, приложенными к рассматриваемому участку работ, проведены эксперименты, имитирующие спуск ОК, оснащенной опорно-центрирующим устройством [7].
При подсчете коэффициентов трения для ситуаций с различными технико-геологическими условиями и с использованием различных модификаций центраторов и буровой промывочной жидкости применялось уравнение Амонтона-Кулона (формула 1), описывающее силы трения скольжения одного тела по поверхности другого, учитывая коэффициенты трения (µ) для данных поверхностей, нормальную составляющую силы прижатия (N) и силы адгезии (A).
Fтр = A + µN (1)
Боковое усилие было замерено на пневмоцилиндре при помощи датчика силы. Измерение осевых усилий и крутящего момента на непрерывно вращающемся вале осуществлялось при помощи тензометрических датчиков. Далее строились графики зависимости скоростей осевой подачи центраторов от коэффициентов трения в среде БПЖ, данные обрабатывались при помощи прикладной программы MATLAB Scripts [6].
Проведенные серии экспериментов позволили распределить модели центраторов в группы по эффективности их применения относительно способа подачи обсадной колонны в горизонтальную скважину [7].
Однако последующий анализ результатов поставил под сомнение установленную точность измерений. Так, при попадании колонны в среду с «шламовой постелью» происходило нелогичное уменьшение коэффициентов трения, что связывается с некорректным местом установки датчиков на валу, наличием «слепой зоны». Для детального изучения процессов, происходящих в «слепой зоне», а также характера контакта в момент прижатия элемента обсадной колонны к стенке обсаженной скважины, производилось оснащение вала и пневмоцилиндра датчиками эхосаундера, который позволил «прослушать» момент контакта наружной поверхности центратора и внутренней поверхности внешней обсадной колонны при ее осевой подаче; а также момент контакта внутренней поверхности центратора и наружной поверхности обсадной колонны на валу. На графиках рис. 2а продемонстрированы спуски 4 моделей жестких центраторов, по оси Y следуют обозначения коэффициентов трения, по оси X – скорости спусков в м/с. При этом выяснилось, что обилие металла и шумов все же создают помехи, искажающие прием сигналов (рис. 2б) [8].
В качестве альтернативного подхода к позиционированию центратора на валу во время выполнения элементов прецессии, нутации и ротации в работе [8] предложено применение энкодера и отопары, при этом замерять углы поворота возможно при помощи Ардуино. Также была испытана цветовая метка и фотоэлемент. Датчик положения ротора, основанный на эффекте Холла, в том числе, продемонстрировал свою применимость.
Однако вопрос допустимого уровня точности измерений требует применения более деликатного инструментария, и в данном случае стандартные решения неприменимы. Необходимо отметить, что объектом исследования является динамическая система, изучение которой осложнено ее работой при одновременном вращении и линейном перемещении, помимо того, подвергающейся хаотичным ударным нагрузкам и находящейся в частичном погружении в непроницаемую среду.
Автор Р.Р. Юсупов отмечает, что некоторые методы исследования, к примеру, основанные на электрических измерениях, невозможны при таком обилии металла, также как невозможно проведение оптических или ультразвуковых исследований в непроницаемых жидких средах, таких как углеводородные или высоковязкие глинистые растворы. Однако, если в целях принципиального изучения поведения рабочих пар в системе рассмотреть диэлектрик – маловязкий раствор на водной основе, – то вполне возможно получить информацию, которая будет в дальнейшем полезна для определения точности измерений и корреляций.
Авторами предложены несколько перспективных вариантов, которые уже запущены в разработку.
1) Замерить линейное и угловое смещение при помощи цифрового инклинометра, прикрепив инструмент к валу, записать базу данных его вращения, затем прикрепить инклинометр к центратору и записать вращение последнего, затем произвести сравнительный анализ данных вращений.
2) Применить IMU (Инерциальный измерительный блок), прикрепив его к центратору. IMU представляет собой блок акселерометров и гироскопов, позволяющих измерить удельную силу тела, угловую скорость и ориентацию тела в пространстве. Возможно скомбинировать измеряющее электронное устройство, снабдив его датчиком по типу AHRS и регистратором с автономным питанием. Однако существует вероятность того, что в процессе такого эксперимента данные будут иметь дрейф, так как очень маленькие перемещения за длительное время невозможно промерить.
3) Учитывая нахождение центратора в металлической трубе, наличие трех слоев металла, при которых необходимо промерить линейное и угловое перемещение, предлагается оборудовать систему индуктивными датчиками, предназначенными для контроля положения объектов из металла. Его принцип действия основан на изменении параметров магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности внутри датчика. Говоря концептуально, авторами предлагается нанести рифление и установить несколько взаимоперпендикулярных индуктивных датчиков, погруженных в диэлектрическую среду, а также произвести моделирование с учетом всех протекающих процессов и явлений, связанных с электродинамикой, оптикой, гидродинамикой, механикой и акустикой в специализированном программном обеспечении Comsol Multiphysics.
Таким образом, заключено, что экспериментально выверить опорно-центрирующий элемент и место его установки с целью наиболее эффективной эксплуатации возможно только при физическом моделировании его работы в скважинных условиях, приближенных к реальным. При этом необходимо совершенствовать методики тестирования основных элементов оснастки обсадной колонны, прибегая порой к неординарным решениям. Важно исследовать рынок специализированных программных продуктов для унифицирования рабочих процессов решения инженерных и научных задач, а также уметь применять их модули, содержащие широкий инструментарий для моделирования сопряженных и отдельных физических процессов.
ВЫВОДЫ
На установке, сконструированной в Горной академии Фрайберга, проведены серии экспериментов, позволившие распределить модели центраторов в группы по эффективности их применения относительно способа подачи обсадной колонны в горизонтальную скважину. Разработана методика по тестированию основных элементов оснастки обсадной колонны при моделировании скважинных условий, приближенных к реальным. Обсуждены результаты применения стандартных инженерных решений и предложены новые способы для исследования поведения обсадной колонны, оснащенной центратором, при ее спуске в протяженный латеральный участок горизонтальной скважины.
