Современная буровая отрасль — это фундамент всего энергетического комплекса. На фоне постоянного усложнения условий добычи и роста требований к экономической эффективности, роль инженера, способного не просто выполнять стандартные операции, а оптимизировать их, становится ключевой. Дипломная работа по бурению скважин — это не просто академическое упражнение, а полноценный инженерный проект, в рамках которого студент должен решить конкретную производственную задачу, продемонстрировав глубокое понимание технологии и экономики процесса.
Актуальность темы оптимизации режимов бурения сложно переоценить. В условиях, когда каждая сэкономленная минута и каждый метр проходки напрямую влияют на рентабельность проекта, способность находить лучшие технологические решения становится главным конкурентным преимуществом. В качестве практического примера, на который мы будем ориентироваться, рассмотрим условный проект для Касимовского ПХГ — одного из важнейших объектов газовой инфраструктуры, строительство которого началось еще в 1968 году.
Таким образом, цель нашей воображаемой дипломной работы можно сформулировать так: на основе анализа геолого-технических условий Касимовского ПХГ разработать и рассчитать проект строительства скважины, а также предложить комплекс мер по оптимизации технико-технологических параметров для повышения эффективности строительства. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- Проанализировать исходные данные и специфику объекта.
- Изучить геологические условия и их влияние на процесс бурения.
- Выполнить расчеты профиля, конструкции скважины и режимов бурения.
- Обосновать выбор оборудования и технологий.
- Разработать конкретные предложения по оптимизации и оценить их потенциальный эффект.
Глава 1. Проектируем аналитический фундамент дипломной работы
Первая глава любой дипломной работы закладывает основу для всех последующих расчетов и решений. Ее задача — дать исчерпывающее представление об объекте исследования и условиях, в которых предстоит работать. Это не просто сбор данных, а их системный анализ.
Описание объекта исследования
В этом разделе необходимо четко описать объект. Например, для Касимовского ПХГ следует указать его ключевое назначение — подземное хранилище газа, созданное для компенсации сезонных колебаний потребления. Важно привести основные характеристики: активная емкость хранилища (12 млрд. кубометров газа) и максимальная суточная производительность на отбор (до 100 млн кубометров). Эти параметры напрямую определяют требования к надежности и производительности скважин.
Оценка методов бурения
Далее следует проанализировать применяемые на объекте технологии и режимы бурения. Важно показать понимание разницы между ключевыми понятиями.
Режим бурения — это совокупность управляемых параметров: осевой нагрузки на долото, частоты его вращения и расхода промывочной жидкости.
В своем анализе стоит разграничить:
- Оптимальный режим бурения: Устанавливается для достижения максимальных показателей проходки при минимальной стоимости метра. Это целевой режим в стандартных условиях.
- Специальный режим бурения: Применяется в осложненных условиях — например, при вскрытии продуктивных пластов с аномальным давлением, при забуривании боковых стволов или в зонах с высоким риском аварий.
Этот анализ покажет, какие технологии уже освоены на объекте, а какие могут стать полем для оптимизации.
Специфика требований к скважинам
Завершить главу нужно формулировкой конкретных требований к скважинам, исходя из назначения объекта. Для ПХГ, в отличие от добывающих месторождений, на первый план выходят требования к долговечности и герметичности конструкции, так как скважины подвергаются циклическим нагрузкам в режимах закачки и отбора. Четкое понимание этих требований позволит в дальнейшем принимать обоснованные проектные решения.
Глава 2. Как описать геологические условия, чтобы они работали на вашу цель
Геологический раздел — это не формальное перечисление пластов и пород. Его главная задача — связать геологию с будущими технологическими решениями. Каждый описанный геологический фактор должен служить аргументом при выборе долота, бурового раствора или параметров режима бурения.
Орогидрографическая характеристика
Этот раздел обычно краток. В нем описываются рельеф местности, наличие рек, озер и болот. Эта информация важна для логистики, планирования площадки и решения экологических вопросов, но на сам процесс бурения влияет опосредованно.
Геологическое строение массива
Это ядро второй главы. Здесь необходимо описать геологический разрез, но не просто перечислить свиты и горизонты. Акцент следует сделать на тех свойствах горных пород, которые напрямую влияют на механику разрушения породы:
- Твердость и абразивность: Определяют выбор типа долота и его износостойкость.
- Трещиноватость и пористость: Влияют на риск поглощения бурового раствора и устойчивость стенок скважины.
- Склонность к пластической деформации (ползучесть): Характерна для солей и глин, требует особого подхода к выбору рецептуры раствора и конструкции скважины.
Именно такой анализ свойств пород, а не их возраста и происхождения, превращает геологический раздел из описательного в инструментальный, готовя почву для инженерных расчетов.
Глава 3. Выполняем ключевые расчеты — сердце вашей дипломной работы
Это самый объемный и сложный раздел, где абстрактные цели и данные превращаются в конкретные цифры и чертежи. Здесь студент должен продемонстрировать владение методиками инженерного расчета. Представлять его нужно как логическую последовательность решений, где каждый следующий шаг вытекает из предыдущего.
Расчет профиля и конструкции скважины
Первый шаг — проектирование траектории (профиля) и конструкции скважины. На основе геологических данных и поставленных задач (например, попасть в определенную точку пласта) определяется пространственная траектория ствола. Далее, исходя из геологического разреза и рисков неустойчивости пород, скважину «одевают» в обсадные колонны. Их количество, глубина спуска и диаметры — это и есть конструкция скважины. На этом же этапе предварительно выбирается компоновка низа бурильной колонны (КНБК), ведь именно она является инструментом для управления траекторией в процессе бурения.
Расчет параметров режима бурения
Это кульминационный подраздел, где рассчитываются ключевые параметры, определяющие эффективность проходки. Их три:
- Осевая нагрузка на долото (WOB): Сила, с которой долото давит на забой. Является одним из главных факторов, определяющих механическую скорость бурения.
- Частота вращения (RPM): Скорость вращения долота.
- Расход промывочной жидкости: Объем раствора, прокачиваемого через скважину в единицу времени для очистки забоя и охлаждения долота.
Важно не просто рассчитать эти параметры, а понимать их взаимосвязь. Механическая скорость напрямую зависит от осевой нагрузки и частоты вращения. Однако их нельзя увеличивать бесконечно. Чрезмерная нагрузка может разрушить долото, а слишком высокая частота вращения — вызвать вибрации. Здесь уместно дать практический совет, демонстрирующий глубину понимания:
При бурении в твердых породах, если существующее оборудование не позволяет создать достаточную осевую нагрузку для эффективного разрушения, следует снижать число оборотов долота. Это позволит каждому вооружению долота дольше контактировать с породой и разрушать ее более эффективно, вместо того чтобы просто истираться на поверхности.
Расчет процесса промывки
Этот расчет часто недооценивают, однако он критически важен. Неправильно подобранные параметры промывки (расход, вязкость и плотность раствора) приводят к плохой очистке забоя от выбуренной породы. Это не только снижает механическую скорость (долото бурит уже измельченную породу), но и многократно повышает риск осложнений, таких как прихваты инструмента, на ликвидацию которых уходит драгоценное время и ресурсы.
Глава 4. Обосновываем выбор оборудования и технологических решений
Эта глава — логический мост между расчетами и реальным производством. Здесь вы должны доказать, что рассчитанные в третьей главе параметры могут быть реализованы на практике с помощью существующего оборудования. Теория превращается в спецификацию.
Обоснование технологии бурения
На основе рассчитанных параметров, геологии и профиля скважины выбирается основная технология. Например, для вертикальных скважин в простых условиях может быть достаточно роторного бурения. Для наклонно-направленных и горизонтальных скважин почти безальтернативным является бурение с использованием забойных двигателей (гидравлических или винтовых), которые позволяют управлять траекторией.
Подбор оборудования
Это самый конкретный раздел. Здесь происходит подбор всех ключевых элементов бурильной колонны.
- Породоразрушающий инструмент: На основе твердости и абразивности пород подбираются конкретные модели долот (шарошечные или PDC).
- Забойные двигатели: Их тип и характеристики должны соответствовать выбранному долоту и требуемым параметрам (частоте вращения, крутящему моменту).
- Элементы КНБК: Подбираются утяжеленные бурильные трубы (УБТ), калибраторы и другие элементы. Их главная задача — создать необходимую жесткость и передать на долото расчетную осевую нагрузку, не допуская изгиба колонны.
Каждый выбранный элемент должен быть обоснован — почему именно этот двигатель, почему такое долото, почему такая компоновка. Ответ всегда лежит в предыдущей, расчетной главе.
Глава 5. Формулируем предложения по оптимизации — ваша уникальная ценность
Если предыдущие главы показывали вашу компетентность как инженера, то эта глава должна раскрыть вас как инженера-новатора. Это кульминация всей работы, ее научная и практическая новизна. Именно здесь вы должны выйти за рамки стандартного проекта и предложить, как сделать его лучше, быстрее или дешевле.
Оптимизация может касаться практически любого аспекта проекта. Вот несколько ключевых направлений для поиска идей:
- Оптимизация траектории и конструкции скважины: Возможно ли сократить общую длину ствола? Можно ли объединить секции под обсадные колонны, уменьшив их количество, без потери надежности?
- Подбор более эффективных буровых растворов: Можно ли применить новые реагенты, которые лучше сохраняют стабильность ствола в проблемных глинах или, наоборот, меньше загрязняют продуктивный пласт?
- Совершенствование технологии бурения: Возможно, стоит предложить применение геомеханического сопровождения в реальном времени. Это современный подход, позволяющий корректировать параметры бурения на основе поступающих данных, чтобы снизить риски и предотвратить геологические осложнения.
- Оптимизация параметров режима бурения: Это классическая задача. На основе анализа работы долота можно построить модели и доказать, что изменение соотношения «осевая нагрузка / частота вращения» позволит добиться максимальной механической скорости при минимальной стоимости бурения.
Каждое предложение должно быть четко сформулировано, содержать описание проблемы, предлагаемое решение и, что самое главное, обоснование ожидаемого технико-экономического эффекта. Без этого любая идея остается лишь предположением.
Глава 6. Промышленная безопасность и охрана труда
Этот раздел является обязательной и неотъемлемой частью любого инженерного проекта, а не досадной формальностью. Он демонстрирует ответственность инженера и его понимание, что строительство скважины — это потенциально опасный процесс.
Структура этого раздела должна быть четкой и логичной. Необходимо последовательно рассмотреть следующие аспекты:
- Анализ потенциальных опасностей и профессиональных рисков при строительстве скважины (от падения предметов до газонефтеводопроявлений).
- Разработка конкретных технических и организационных мер по их предотвращению.
- Описание требований к безопасной эксплуатации основного бурового оборудования.
- Разработка мероприятий по охране окружающей среды, включая утилизацию отходов бурения и рекультивацию земель.
Проработка этого раздела показывает зрелость специалиста, который думает не только о технологии, но и о людях и природе.
Заключение. Подводим итоги и формулируем выводы
Заключение — это не пересказ содержания, а финальный аккорд, который должен оставить у аттестационной комиссии четкое понимание ценности вашей работы. Его структура должна зеркально отвечать на цели и задачи, которые были поставлены во введении.
Идеальное заключение содержит:
- Краткое напоминание об исходной цели проекта (например, проектирование скважины на Касимовском ПХГ).
- Перечисление ключевых результатов, полученных в ходе работы (спроектирована конструкция, рассчитаны режимы бурения, подобрано оборудование).
- Главный акцент на предложенных мерах по оптимизации. Именно это — ваш вклад. Четко и сжато повторите суть ваших предложений.
- Финальный аргумент — упоминание рассчитанных технико-экономических показателей. Фраза «Предложенные мероприятия позволят снизить затраты на строительство скважины на X% и сократить срок окупаемости проекта на Y месяцев» является лучшим доказательством того, что ваша дипломная работа имеет реальную практическую ценность.
Список источников информации
- Алиев З.С, Бондаренко В.В. Исследование горизонтальных скважин, М.: Изд. «Нефть и газ» 2004 г.
- Алиев З.С. Поиск научно обоснованной конструкции горизонтальной скважины для освоения газовых и газоконденсатных месторождений, М.: НТ журн. «Технология ТЭК», апрель и июнь, 2007.
- Алиев З.С. Технология применения горизонтальных скважин (конспекты лекций для преподавателей, аспирантов, магистрантов и студентов нефтегазовых ВУЗов и факультетов) М., 2006
- Алиев З.С. Технология применения горизонтальных скважин, М.: Изд. «Нефть и Газ», 2007 г.
- Алиев З.С., Арутюнова К.А. Определение необходимой длины горизонтального ствола газовой скважины в процессе разработки. // Газовая промышленность. — 2005, №12.
- Алиев З.С., Бондаренко В.В. Руководство по проектированию разработки газовых и газонефтяных месторождений. Печора: Изд. Печерское время, 2003.
- Алиев З.С., Бондаренко В.В. Технология применения горизонтальных скважин: Учебное пособие М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2006
- Алиев З.С., Бондаренко В.В., Сомов Б.Е. Методы определения производительности горизонтальных нефтяных скважин и параметры вскрытых ими пластов, М:: Изд. «Нефть и газ», 2001.
- Алиев З.С., Джавад, А.Х. Разработка технологий по освоению нефтегазовых месторождений с применением горизонтальных скважин на примере фрагмента месторождения Эль-Нор (Ирак). Тезисы докладов VI
- Международного семинара «Горизонтальные скважины», М.: изд. «Нефть и газ», 2004.
- Алиев З.С., Ребриков А.А. Приближенный метод поиска оптимальных размеров фрагмента прямоугольной формы и его вскрытия для-обеспечения максимального дебита горизонтальной скважины. // Бурение и нефть. 2007 г., № 2. с.17-19.
- Алиев З.С., Сомов Б.Е., Ребриков A.A., Максимова М.А. Возможность оценки дебита горизонтальной газовой скважины при неполном вскрытии фрагмента залежи, имеющей форму сектора. М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2009.
- Алиев З.С., Сомов Б.Е., Рогачев С.А. Обоснование и выбор оптимальной конструкции горизонтальных газовых скважин. — М.: Издательство «Техника». ООО «ТУМА ГРУПП», 2001. 96 с.
- Алиев З.С., Сомов Б.Е., Чекушин В.Ф. Обоснование конструкции горизонтальных и многоствольно-горизонтальных скважин для освоения нефтяных месторождений. М.: Издательство «Техника». ООО «ТУМА ГРУПП», 2001.-192 с.
- Алиев З.С., Шеремет В.В. Определение производительности горизонтальных скважин, вскрывших газовые и газонефтяные пласты. М.: Недра, 1995.
- Андра П.Д. Более высокая производительность скважин при горизонтальном бурении.// Перевод с англ. Petr. Eng. Internation, v.56, №12, 1984. Фонды ВНИИЭГазпрома.
- Басниев К.С., Алиев З.С., Критская C.JI. и др. Исследование влияния расположения горизонтального ствола газовой скважиныотносительно кровли и подошвы на её производительность. М.: ИРЦ ОАО «Газпром», 1998.
- Басниев К.С., Алиев З.С., Черных В.В. Методы расчетов дебитов горизонтальных, наклонных и многоствольных газовых скважин. М. ИРЦ ОАО «Газпром». Обз. информация «Бурение газовых и газоконденсатных скважин» 2009.
- Басниев К.С., Хайруллин М.Х., Садовников Р.В., Шамсиев М.Н., Морозов П.Е. Исследование горизонтальных газовых скважин при неустановившейся фильтрации // Газовая промышленность 2001, N 1, стр.4143.
- Борисов Ю.П., Пилатовский В.П., Табаков В.П. Разработка нефтяных месторождений горизонтальными и многозабойными скважинами. М. Недра, 2004.
- Борисов Ю.П., Табаков В.П. Определение дебита многоярусной скважины в изотропном пласте большой мощности НТС по добыче нефти №16 ВНИИ М. 2002.
- Бузинов С.Н. и др. Строительство горизонтальных скважин на Кущевском ПХГ, М.: журн. ГП №5, 2002.
- Бузинов С.Н., Крапивина Г.С. и др. Расчет притока газа к системе равномерно расположенных горизонтальных скважин, М.: журн. ГП №7, 2003.
- Бузинов С.Н., Крапивина Г.С., Ковалев A.JI. Расчет притока к горизонтальной скважине при кустовом размещении, М.: журн. ГП №9, 2003.
- Горбунов В.Е., Алиев З.С. Влияние несовершенства газовых скважин на их производительность: Обз. Информ. ВНИИЭГазпром — М.: Вып. 10: Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений.
- Григулецкий В.Г., Никитин Б.А. Стационарный-приток нефти к одной многозабойной скважине в анизотропном пласте. Жур. Нефтяное Хозяйство №1 2007.
- Гриценко А.И., Алиев З.С., Ермилов О.М., Ремизов В.В., Зотов Г.А. Руководство по исследованию скважин. М.: «Наука», 2005
- Гриценко А.И., Островская Т.Д., Юшкин В.В. Углеводородные конденсаты месторождений природного газа. М.: Недра, 2003
- ГриценкоА.И., Зотов Г.А., Степанов Н.Г., Черных В.А. Теоретические основы применения горизонтальных газовых скважин // Юбилейный сборник научных трудов М.: ИРЦ РАО «Газпром», 2006.
- Джилмен Д.Р., Джаргон Д.Р. Оценка поведения горизонтальных скважин с учетом показателей для вертикальных скважин // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. N 10-12 2002.
- Ермилов О. М., Алиев 3. С., Ремизов В. В., и др. Эксплуатация газовых скважин. М.: Наука, 2005. 359 с.
- Жианиезини Д.Ф. Причина широкого распространения горизонтального бурения // Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. N 3, 2009.
- Закиров С.Н., Сомов Б.Е., Гордон В.Я. и др. Многомерная имногокомпонентная фильтрация. — М.: Недра, 1988.
- Инструкция по комплексному исследованию газовых и газоконденсатных пластов и скважин под ред. Г.А. Зотова, З.С. Алиева. М., «Недра», 1980
- Каримов М.Ф. Эксплуатация подземных хранилищ газа, М.: «Недра», 2001.
- Ковалев A.JL, Крапивина Г.С., Макаренко П.П., Черненко A.M. Оптимизация кустового размещения наклонно-направленных скважин на ПХГ. Тр. Международной конференции по ПХГ, секция В, часть 1, М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2005.
- Левыкин Е. В. Технологическое проектирование хранения газа в водоносных пластах, М.:, «Недра», 2000 г.
- Лурье М.В. Механика подземного хранения газа в водоносных пластах, ГУЛ Издательство «Нефть и Газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, М.: 2001 г.
- Мамаев В.А. и др. Движение газожидкостных смесей в трубах, М.: «Недра», 1999 г.
- Марчук Г.И. Методы вычислительной математики, М.: Наука,2000.
- Меркулов В.П. О дебите наклонных и горизонтальных скважин.// Нефтяное хозяйство №6, 199.
- Меркулов В.П. Расчет притока жидкости к кусту скважин с горизонтальными забоями.// Труды Куйбышев НИИ, вып.2, 2000.
- Меркулов В.П., Сургачев М.Л. Определение дебита и эффективности наклонных скважин.// Нефтяное хозяйство №2, 1999.
- Никитин Б.А., Басниев К.С., Алиев З.С. и др. Методика определения забойного давления в наклонных и горизонтальных скважинах. -М.: ИРЦ ОАО «Газпром», 1997.
- Никитин Б.А., Басниев К.С., Гереш П.А. и др. Определение производительности горизонтальных газовых скважин и параметров пласта по результатам гидродинамических исследований на стационарных режимах. М.: ИРЦ ОАО «Газпром», 1997с.
- Пилатовский В.П. Исследование некоторых задач фильтрации жидкости к горизонтальным скважинам, пластовым трещинам, дренирующим горизонтальный пласт.// Труды ВНИИ, вып. XXXII, М. Гостоптехиздат, 1999.
- Пирвердян A.M. Нефтяная подземная гидравлика. Баку Азнефтеиздат 1998.
- Табаков В.П. Определение дебитов кустов скважин, оканчивающимися горизонтальными участками стволов в плоском пласте. НТС по добыче нефти №13, М. Гостоптехиздат, 1961.
- Черных В. А. Газогидродинамика горизонтальных газовых скважин. М.: ВНИИГАЗ, 2009.
- Babu D.K., Odeh A.S. Productivity of a Horizontal Well. SPE 18298,1988.
- Charperon J. Theoretical Study of Coning Toward Horizontal and Vertical Wells in Anisotropic Formation. Subcritical and critical rates. SPE 15377, 1986.
- D.L. Katz and R.L. Lee. «Natural gas Engineering, Production and Storage», McGraw Hill, 1990.
- Giger F.M. Horizontal Wells Production Techniques in Heterogeneous Reservoir. SPE 13710, 1985.
- Giger F.M. Reduction du Nomber de Puits par L’utilisation de Forages Horizontaux, Revue de L’institut Fr de Petrole, v.38 №3, 1983/
- Goode P.A., Thambynayagam R.K. Pressure Drawdown and Buildup Analysis of Horizontal Wells in Anisotropic Media. SPE 14250, 1985.
- Joshi S.D. Augmentation of Wells Productivity with Slant and1. V79
- Horizontal Wells.// Journal Petr. Techn. AIME 235, June, 1988.
- Joshi S.D. Horisontal Well Technology, USA, 1999.
- Karcher B.J., Giger F.M., Combe J. Some Practical Formulas to Predict Horizontal Well Behavior. SPE 15430, 1986.
- M.R. Tek «Natural Gas Underground Storage: Inventory and Deliverability», Penn Well Publishing Co., 1996.
- M.R. Tek «Underground Storage of Natural Gas». Gulf Publishing Co., 1987.
- Mutalic P.N., Goodbole S.P. Effect of Drainage Area Shape Factors on The productivity of Horizontal Wells. SPE 18301, 1988.
- Reiss L.H. et al. Offshore European Horizontal Wells. OTC 4791,1984.
- Renard G.I., Dupuy J.M. Influence of Formation Damage on Flow Efficiently of Horizontal Wells, Paper SPE, 19414, 1989.
- Sung W. and Ertekin T. Performance Comparison of Vertical and Horizontal Hydraulic Fractures and Horizontal Boreholes in Low-permeability Reservoirs a Numerical Study. SPE 1640, 1987.
- Wilkerson J.P., Smith J.H., Stagg T.O., Walters D.A. Horizontal Drilling Techniques at Prudhoe Bay Alaska