Технология бурения горизонтального участка скважины. Исследование энергосиловых параметров крепи скважины при термическом воздействии

Существуют два способа горизонтального бурения на нефть и газ. Первый (распространён в США) представляет собой прерывистый процесс проводки скважин с использованием роторного бурения (применяется с начала 20 века). При этом способе с забоя скважины долотом меньшего диаметра, чем диаметр ствола скважин, забуривается углубление под углом к оси скважины на длину бурильной трубы (рис. 2.6) с помощью съёмного или несъёмного клинового либо шарнирного устройства (рис. 2.7, рис. 2.8).

Рис. 2.6.

Рис. 2.7.

Рис. 2.8.

Полученное таким образом направление углубляется и расширяется. Дальнейшее бурение ведётся долотом нормального диаметра с сохранением направления с помощью компоновки низа бурильной колонны, оснащённой стабилизаторами.

Второй способ, предложенный P. A. Иоаннесяном, П. П. Шумиловым, Э. И. Тагиевым и M. T. Гусманом в начале 40-x гг. 20 в., основан на использовании турбобура либо др. забойного двигателя. Этот способ представляет собой непрерывный процесс набора искривления и углубления скважины долотом нормального диаметра. При этом способе для набора искривления используется такая компоновка низа бурильной колонны, при которой на долото в процессе бурения действует сила, перпендикулярная его оси (отклоняющая сила). B этом случае весь процесс наклонно-направленного бурения сводится к управлению отклоняющей силой в нужном азимуте. Создание отклоняющей силы может осуществляться различными путями. Если турбобур односекционный, то для получения необходимой отклоняющей силы достаточно иметь над турбобуром переводник с перекошенными резьбами, либо искривлённую бурильную трубу (рис. 2.9).

Рис. 2.9.

При пропуске турбобура в скважину изогнутая часть компоновки над турбобуром за счёт упругих деформаций стремится выпрямиться, а в сечении изгиба возникает момент силы. Отклоняющая сила в этом случае равняется моменту силы, разделённому на расстояние от сечения изгиба до долота. Интенсивность набора угла искривления при описанной выше компоновке будет невысокой, а предельный угол искривления - менее 30°. Для более интенсивного набора искривления сечение изгиба, где возникает момент упругих сил, переносят ближе к долоту. Для этой цели применяются специальные шпиндели и турбобуры. Так как при таких шпинделях резко увеличивается отклоняющая сила, то интенсивность набора угла искривления и предельная величина искривления существенно увеличиваются.

На интенсивность набора угла искривления влияет также частота вращения долота и скорость подачи бурильной колонны в процессе бурения. Чем выше частота вращения долота и чем меньше скорость подачи бурильной колонны, тем интенсивнее, под действием отклоняющей силы, происходит фрезерование стенки скважины и тем интенсивнее искривление. Наибольшая интенсивность искривления может быть получена при применении в нижней части турбобура эксцентричного ниппеля, который позволяет выводить ствол скважины в горизонтальное положение.

Прямолинейные наклонные участки ствола скважины бурятся с компоновками, оснащёнными стабилизаторами. Ориентирование отклоняющей силы в нужном азимуте может осуществляться визирным спуском бурильной колонны либо с помощью инклинометра при установке над турбобуром диамагнитной трубы и магнитным устройством, расположенным в плоскости действия отклоняющей силы. Указанные методы ориентирования отклоняющей силы должны учитывать угол закручивания бурильной колонны, возникающий из-за реактивного момента турбобура, что в некоторой степени отражается на точности ориентирования. B 80-x гг. распространяются системы телеконтроля, позволяющие в процессе бурения контролировать направление действия отклоняющей силы. За рубежом при наклонно-направленном бурении интервалы набора искривления и выправления кривизны осуществляются в основном турбобурами либо объёмными двигателями, прямолинейные интервалы ствола бурятся роторным способом.

Отклонители

Назначение отклоняющих устройств -- создание на долото отклоняющего усилия или наклона оси долота к оси скважины в целях искусственного искривления ствола скважины в заданном или произвольном направлении. Их включают в состав компоновок низа бурильных колонн. Они отличаются своими особенностями и конструктивным выполнением.

В турбинном бурении в качестве отклоняющих устройств применяют кривой переводник, турбинные отклонители типа ТО и ШО, отклонитель Р-1, отклонитель с накладкой, эксцентричный ниппель и др.; в электробурении -- в основном механизм искривления (МИ); в роторном бурении -- отклоняющие клинья, шарнирные отклонители и др. Рассмотрим некоторые отклонители.

Кривой переводник (рис. 2.10) -- это наиболее распространенный и простой в изготовлении и применении отклонитель при бурении горизонтальных скважин. Он представляет собой толстостенный патрубок с пересекающимися осями присоединительных резьб. Резьбу с перекосом 1...40 нарезают в основном на ниппеле, в отдельных случаях -- на муфте. Кривой переводник в сочетании с УБТ длиной 8... 24 м крепят непосредственно к забойному двигателю. Отклонитель Р-1 (рис. 2.11) выполняется в виде отрезка УБТ, оси присоединительных резьб которой перекошены в одной плоскости и в одном направлении относительно ее оси. Отклонитель Р-1 предназначен для набора зенитного угла до 90° и выше, изменения азимута скважины, зарезки нового ствола с цементного моста и из открытого ствола.

Рис. 2.10.

Отклонитель с накладкой -- это сочетание кривого переводника и турбобура, имеющего на корпусе накладку. Высота накладки выбирается такой, чтобы она не выдавалась за габаритные размеры долота. Отклонитель с накладкой при применении односекционных турбобуров обеспечивает получение больших углов наклона скважины. Его рекомендуется применять в тех случаях, когда непосредственно над кривым переводником необходимо установить трубы малой жесткости (немагнитные или обычные бурильные трубы).

Рис. 2.11.

Отклоняющее устройство для секционных турбобуров представляет переводник, соединяющий валы и корпуса верхней и нижней секции турбобура под углом 1,5...2,0°, причем валы соединяются с помощью муфты.

Турбинные отклонители (ТО) конструктивно выполняются посредством соединения нижнего узла с верхним узлом через кривой переводник, а валов -- через специальный шарнир. Серийно выпускаются турбинные отклонители (рис. 2.12) и шпиндели-отклонители (ШО).

Рис. 2.12. Турбинный отклонитель ТО-2: 1 -- турбинная секция; 2 -- шарнирное соединение; 3 -- шпиндельная секция

Турбинные отклонители имеют следующие преимущества:

· кривой переводник максимально приближен к долоту, что увеличивает эффективность работы отклонителя;

· значительно уменьшено влияние колебания осевой нагрузки на величину отклоняющей силы на долоте, что позволяет получить фактический радиус искривления, близкий к расчетному.

Недостаток турбинных отклонителей -- малая стойкость узла искривленного соединения валов нижнего и верхнего участков отклонителя.

Эксцентричный ниппель представляет собой отклонитель, выполненный в виде накладки, приваренной к ниппелю турбобура. Применяется этот отклонитель при бурении в устойчивых породах, где отсутствует опасность заклинивания или прихвата бурильной колонны.

Упругий отклонитель состоит из специальной накладки с резиновой рессорой. Накладка приваривается к ниппелю турбобура. Этот отклонитель применяют при бурении в породах, где эксцентричный ниппель не применим из-за опасности прихватов.

Механизм искривления -- это отклонитель для бурения наклонно-направленных скважин электробуром. В таких механизмах валы двигателя и шпинделя сопрягаются под некоторым углом, что достигается применением зубчатой муфты сцепления.

Многозабойное бурение

Многозабойное бурение - вид наклонно-направленного бурения, включающий проходку основного ствола с последующим забуриванием и проходкой в его нижней части дополнительных стволов, пересекающих геологическую структуру.

Многозабойное бурение применяется с целью повышения эффективности буровых работ при разведке и добыче полезных ископаемых, достигаемой за счёт увеличения доли полезной протяжённости стволов скважин.

Наиболее широко многозабойное бурение используется при разведке твёрдых полезных ископаемых. При разработке нефтяных месторождений. Многозабойное бурение принято называть разветвлённо-горизонтальным бурением. Впервые это бурение осуществлено в США (1930). Использование забойных двигателей при многозабойном бурении впервые реализовано в CCCP по предложению A.M. Григоряна, B. A. Брагина, K. A. Царевича в 1949.

Рис. 2.13. Способы вскрытия пласта: 1 -- обычная скважина; 2 -- многозабойная скважина; 3 -- продуктивный пласт нефти; 4 -- резервуар для нефти.

Многозабойное бурение целесообразно в сравнительно устойчивых продуктивных пластах мощностью 20 м и более, например в монолитных или с прослоями глин и сланцев нефтеносных песчаниках, известняках и доломитах, при глубинах 1500-2500 м при отсутствии газовой шапки и аномально высоких пластовых давлений. Многозабойное бурение сокращает число обычных скважин благодаря увеличению дренированной поверхности продуктивного пласта. Для проводки многозабойной скважины используется комплекс технических средств и контрольно-измерительной аппаратуры, обеспечивающих проводку стволов в заданном направлении.

Рис. 2.14. Многозабойно-горизонтальная скважина-гигант: 1 -- плавучая буровая установка; 2 -- трубы; 3 -- устье скважины; 4 -- основной ствол; 5 -- ответвления; 6 -- нефтеносный пласт.

Вскрытие нефтяных пластов многозабойными скважинами позволяет увеличить дебиты нефтяных скважин за счёт увеличения поверхности фильтрации, увеличить нефтеотдачу пласта, ввести в промышленную разработку малодебитные месторождения с низкой проницаемостью коллектора или высоковязкой нефтью, повысить приёмистость нагнетательных скважин и точность проводки противофонтанных скважин за счёт перебуривания только нижних её интервалов в случае непопадания первым стволом. B нефтедобывающих районах эксплуатируются скважины с 5-10 ответвляющимися стволами длиной по 150-300 м каждый. Благодаря этому приток нефти на первом этапе эксплуатации в несколько раз больше, чем из обычных скважин. B нашей стране с помощью многозабойного бурения успешно проведены десятки скважин на нефть, разрабатывается и испытывается многозабойное бурение глубоких горизонтальных скважин большой протяжённости (несколько км).

Профиль горизонтальной скважины состоит из двух сопряженных между собой частей: направляющей части и горизонтального участка.

Геометрия направляющей части профиля горизонтальной скважины зависит от следующих факторов:

горно-геологических условий бурения, структуры и литологии горных пород, расположенных непосредственно над вскрываемым продуктивным пластом;

конструкции скважины;

протяженности горизонтального участка;

статического уровня пласта;

мощности продуктивного пласта;

возможности применения существующей технологии горизонтального бурения. При проектировании горизонтальных скважин используются профили с большим, средним, коротким и ультракоротким радиусами кривизны, а также комбинированный профиль.

Скважины с горизонтальным участком протяженностью свыше 500 м в целях снижения сил сопротивления при перемещении бурового инструмента в скважине, а также создания достаточной нагрузки на долото целесообразно проектировать с большим радиусом кривизны. При этом используются профили 1, 2 и 5 (рис. 8.2.1).

Проводка отдельных участков профиля 2 или 5 горизонтальных скважин может осуществляться неориентированно, т.е. с применением КНБК, что существенно упрощает технологию бурения таких скважин и сокращает время на проведение инклинометрических работ. Однако КНБК могут использоваться только при бурении таких горных пород, в которых обеспечивается надежная их работа в части устойчивости на проектной траектории. Это следует учитывать при проектировании горизонтальных скважин с большим радиусом кривизны.

При проводке горизонтальных скважин по среднему радиусу кривизны существенно повышается по сравнению с профилем с большим радиусом кривизны точность вскрытия продуктивного пласта и, следовательно, точность проводки горизонтального участка в самом пласте. Достижимая протяженность горизонтального участка для профиля со средним радиусом кривизны составляет 800--1000 м.

Для проектирования со средним радиусом кривизны используются преимущественно профили 1, 2, 3, реже 4 и 5 (см. рис. 1).

Рис. .1. Профили горизонтальных скважин

Тангенциальный участок включается в тех случаях, когда требуется обеспечить конечное отклонение направляющего участка профиля от вертикали на проектной глубине, превышающее радиус кривизны участка увеличения зенитного угла, а также для проектирования горизонтальных скважин на месторождениях, где не отработана технология ориентированного бурения и поэтому велика вероятность отклонения фактического профиля от проектного. В последнем случае скважину можно пробурить, не изменяя конструкцию отклонителя, увеличив или сократив длину тангенциального участка профиля.

При проектировании горизонтальной скважины со средним радиусом кривизны проектную интенсивность увеличения зенитного угла принимают на 10-20% меньше максимальной интенсивности увеличения зенитного угла, обеспечиваемой имеющимся в распоряжении буровой организации отклонителем.

Профили с малым и ультрамалым радиусами кривизны используются для проектирования профиля дополнительного ствола скважины, бурение которого производится из вырезанного участка обсадной колонны, а также для вскрытия горизонтальным стволом маломощных продуктивных пластов. Такие скважины проектируются преимущественно по профилю (см. рис. 8.2.1).

Когда радиусы кривизны интервалов забуривания и выведения ствола скважины на проектное направление из-за особенностей технологии проводки этих интервалов существенно отличаются друг от друга, то используют профиль 2 (см. рис. 8.2.1).

При бурении по малому радиусу кривизны протяженность горизонтального участка меньше, чем при бурении по среднему и большому радиусам кривизны.

Строительство горизонтальных скважин по короткому, а тем более по ультракороткому радиусу невозможно без комплекса специального бурового инструмента, бурильных труб, а также измерительной техники.

Однако при бурении горизонтальных скважин по малому и ультрамалому радиусам обеспечивается наибольшая по сравнению с другими типами профиля точность вскрытия продуктивного пласта горизонтальным стволом, что делает его весьма перспективным для разработки маломощных многопластовых залежей нефти или газа.

В тех случаях, когда кровля продуктивного пласта представлена неустойчивыми горными породами, требующими перекрытия их обсадной колонной, используют комбинированный профиль горизонтальной скважины, у которого верхние интервалы проектируются по большому радиусу кривизны, а нижние - по среднему или малому.

Горизонтальные скважины имеют длительную историю применения во многих нефтегазодобывающих провинциях мира и России. В России с 1947 (65-летний период) было пробурено около 3000 горизонтальных скважин. Текущий темп бурения составляет приблизительно 300 скважин в год.

В первое время сообщалось о впечатляющем увеличении добычи, в 10-20 раз по сравнению с добычей из вертикальных скважин. О меньших коэффициентах увеличения сообщается в последнее время из Татарстана, в 1,3-1,6 раз в пластах, сложенных известняком и в 1,5-3,5 раз в пластах, сложенных песчаником, но в одном случае в Западной Сибири сообщается о коэффициенте увеличения добычи в 10+ раз. На месторождениях тяжелой нефти дебит увеличивается в 5-10 раз. Успешно испытано бурение на депрессии с использованием смеси нефти-азота в качестве бурового раствора. Добыча из горизонтальных скважин, пробуренных на таком растворе на репрессии, увеличивается в 4 раза.

Рисунок 3: Карта Российской Федерации с обозначением некоторых центров нефтяной промышленности

Первые горизонтальные скважины (ГС) появились в России в 1947 г. Их пробурили на Ишимбайском месторождении в Башкирии (столица Уфа, см. карту на Рис. 3) под руководством А.М.Григоряна и В.А.Брагина. Позже разветвленно-горизонтальные скважины (РГС) бурили в Башкирии в 1952-53 гг. на Карташевском нефтяном месторождении НГДУ «Ишимбайнефть». Скважины 65/45 и 66/45 имели соответственно 8 и 10 дополнительных ответвлений, пробуренных до глубины около 600м с максимальным горизонтальным смещением 224м (Библ. 1 и 2 и Рис. 3 и 4). Технология бурения горизонтальных и многоствольных скважин была внедрена в Закарпатье (нынешняя Украина) и Краснодарском крае; объектами бурения были песчано-глинистые последовательности; мощность залежей превышала 40м на глубинах менее 2000м. Большая часть скважин была пробурена на истощенных месторождениях со средними дебитами по нефти меньше 10 т/сут. Полученные дебиты более чем в 20 раз превышали дебиты соседних вертикальных скважин. Лучшие результаты были достигнуты в «Бориславнефти» (Закарпатье, Украина), где 4 горизонтально-разветвленные буровые скважины удвоили дебит по нефти, и в «Черноморнефти» (Южно-Кайрская площадь), на месторождении высоковязкой нефти, где 3 горизонтально-разветвленные скважины дали до 300 т/сут., в то время как из 11 вертикальных скважин получили около 110 т/сут .

Рисунок 5: Вертикальный разрез первой в мире разветвленно-горизонтальной скважины, месторождение ООО «Ишимбайнефть», Башкортостан

Рисунок 4: Вид сверху первой в мире разветвленно-горизонтальной скважины, месторождение ООО «Ишимбайнефть», Башкортостан

Другой пример применения ГС в этот период - использование горизонтальных скважин в системе шахтных стволов на Ярегском месторождении вязкой нефти недалеко от г.Ухта, Республика Коми. Добыча началась из вертикальных скважин, затем из наклонных скважин, и с 1971 г. начали закачку пара в горизонтальные нагнетательные скважины, в то время как нефть добывают из шахтного ствола (Рис. 5).

Рисунок 6: Подземные работы на Ярегском месторождении, Республика Коми, Россия

В течение двадцати лет эта корреляция наиболее обычно использовалась в России. В дальнейшем корреляция была дополнена Джоши (Joshi), где он включил влияние анизотропии в 1988 г., и Ренару и Дюпуи (Renard and Dupuy) в 1990 г.

Технология, использовавшаяся в вышеупомянутых случаях, не давала возможности ориентировать бурение скважины, что приводило к недостаточной точности в достижении объекта бурения. Скважины были обсажены перфорированными хвостовиками. «Грознефтегеофизика» разработала инклинометры, которые могли измерять отклонения буровой скважины в диапазоне 30o - 105o и были испытаны в скважинах до 160м длиной при толщине пласта менее 2м. Григорян, Лепешинский и Михайлов разработали каротажные приборы, устанавливаемые в составе компоновки низа бурильной колонны (КНБК), что позволило измерять ориентацию ствола скважины и пластовые параметры. Опыт в использовании данной технологии позволил увеличить дебиты горизонтальных скважин в 2-20 раз по сравнению с соседними вертикальными скважинами. В 1950-1970 гг. в СССР было пробурено около 80 горизонтальных и многозабойных скважин.

Вслед за этими начальными достижениями, в 1972-1976 гг. 7 ГС были пробурены на турнейские отложения на месторождениях Сиреневское и Тавельское в Татарстане (столица г.Казань), . В течение 1978-1980 гг. были пробурены 3 скважины со схождением забоев (использование системы «Паук») и одной ГС . Применение местной технологии в бурении в береговом секторе месторождения Одопту на острове Сахалин в 1971-73гг., позволило пробурить несколько ГС, включая скважину с рекордным горизонтальным смещением 2345м; ее измеренная конечная глубина равна 3406м.

В конце 1970-ых гг. интерес к горизонтальным скважинам, стимулируемый ценой на нефть $35/баррель, принял международный характер, и крупнейшие сервисные компании начали предоставлять системы бурения, возможность проведения каротажа и инклинометрии. В то же самое время возможность моделировать и прогнозировать поведение ГС улучшилась . В 1987 г. в СССР добыча снижалась, и правительство страны приняло решение начать систематическую программ «Горизонт», чтобы внедрить горизонтальные скважины в разработку месторождений газа и нефти. Первая ГС в Западной Сибири, пробуренная на Салымском месторождении в 1986г., имела длину ствола 376м . Опорную скважину пробурили на Самотлорском месторождении примерно в то же время. Разработка месторождения с использованием горизонтальных скважин становилась успешной, и к 1990 г. была одобрена Центральной комиссией по разработке (ЦКР) для применения в Башкирии, Удмуртии, Татарстане, Тюменской области и Якутии.

Согласно протоколам совещания по разработке с помощью технологии горизонтального бурения, к началу 1990-ых гг. было пробурено 126 горизонтальных скважин, но из них только третья часть была в удовлетворительном состоянии.

Табл. 2 Рост количества горизонтальных скважин в России

	Пробуренные скважины	Суммарное количество скважин

Опыт по бурению и эксплуатации ГС показывает, что для достижения высокой эффективности ГС (увеличения дебита в 2-10 раз по сравнению с сопоставимыми вертикальными скважинами), требуется не только учитывать особые геологические и эксплуатационные характеристики пласта, но также и применять эффективные методы бурения и вскрытия пласта. Проблему достижения и увеличения продуктивности ГС можно решить с использованием недавно разработанных технологий, например, бурения на депрессии, бурения с большим отходом от вертикали и применения методов гидроразрыва пласта в горизонтальных скважинах. Планы разработки месторождения при представлении в ЦКР РФ теперь должны включать вариант с применением бурения ГС.

Увеличения охвата пласта

Горизонтальные скважины, безусловно, могут рассматриваться как один из инструментов увеличения охвата пласта воздействием, поскольку имеют значительную протяженность стволов в продуктивном пласте и обеспечивают значительно более существенный контакт с пластом, чем вертикальные скважины. За счет использования горизонтальных скважин, в значительной мере, может быть увеличен коэффициент охвата пласта в залежах с газовыми шапками и подошвенной водой, а также в карбонатных пластах с системой естественных трещин. В залежах с обширными газонефтяными и водонефтяными зонами эффект от применения горизонтальных скважин определяется не только «геометрическим фактором» (охватом горизонтального ствола значительных площадей залежи), но и еще возможностью существенно уменьшить проявление водяных и газовых конусов за счет снижения депрессии на пласт. Тем самым, наряду с улучшением текущих показателей добычи (уменьшение обводненности скважин и газовых факторов), повышается выработка запасов нефти пласта, особенно в его приконтактных зонах. Повышение охвата пласта за счет использования горизонтальных скважин в карбонатных трещиноватых коллекторах достигается за счет обеспечения большего контакта основных фильтрационных каналов пласта - трещин со стенками скважин. При рациональных технологических режимах эксплуатации скважин это позволяет вовлечь в дренирование больший объем пласта. И наконец, за счет горизонтальных скважин возможно вовлечение в разработку низкопродуктивных зон пластов, которые оказываются по экономическим причинам не привлекательными для эксплуатации вертикальными скважинами.

Количество ежегодно вводимых в эксплуатацию в России горизонтальных скважин неуклонно растет (Рис.6) и в 2007 году оно достигло значений около 400 ед. Годовая добыча по введенным в 2007 г. горизонтальным скважинам составила больше 4 млн.т нефти. Горизонтальные скважины используются на различных по своим характеристикам месторождений и для решения разнообразных задач, в том числе и для указанных выше проблем повышения охвата пласта воздействием. Применяются как одиночные горизонтальные скважины на участках, разбуренных вертикальными и наклонно-направленными скважинами, так и системы горизонтальных скважин.

Рисунок 7. Ввод горизонтальных скважин по годам

Результаты бурения горизонтальных скважин наглядно демонстрируют возможности увеличения охвата пласта за счет их применения. Кроме того, довольно эффективно используются боковые стволы с горизонтальным окончанием. В тоже время, горизонтальные скважины не могут рассматриваться как «панацея» для всех без исключения случаев и месторождений. Имеются также отдельные примеры невысокой эффективности горизонтальных скважин вследствие различных причин: не учет геологического строения пласта и его неоднородности, значительной интерференции скважин c дренированием удельных объемов соседних скважин и т.д. Поэтому, возможность применения горизонтальных скважин в каждом конкретном случае должна обосновываться технико-экономическими расчетами показателей разработки месторождения или отдельных его залежей и блоков.

07.03.2014

Наклонно-направленное бурение, частным случаем которого является горизонтальное бурение, - способ сооружения скважин c отклонением от вертикали по заранее заданному направлению.

Наклонными считаются скважины, отклонение которых от вертикали составляет >2° при колонковом бурении и >6° - при глубоком бурении скважин. Отклонение скважины от вертикали может вызываться естественными условиями или искусственно. Естественное искривление обусловливается рядом причин (геологических, технических, технологических), зная которые, можно управлять положением скважины в пространстве.

Виды

Под искусственным искривлением понимают любое принудительное их искривление. Наклонные скважины, направление которых в процессе бурения строго контролируется, называют наклонно-направленными.

Наклонно-направленные скважины подразделяют на одно- и многозабойные. При многозабойном бурении из основного, вертикального или наклонного ствола проходится дополнительно один или несколько стволов.

Искусственное отклонение скважин широко применяется при бурении скважин на нефть и газ. Оно подразделяется на наклонное, горизонтальное бурение, многозабойное (разветвленно-наклонное, разветвленно-горизонтальное) и многоствольное (кустовое) бурение. Бурение этих скважин ускоряет освоение новых нефтяных и газовых месторождений, увеличивает нефтегазоотдачу пластов, снижает капиталовложения и уменьшает затраты дорогостоящих материалов.

Применение

Искусственное отклонение вплоть до горизонтального применяется при:

вскрытии нефтяных и газовых пластов, залегающих под пологим сбросом или между двумя параллельными сбросами;
отклонении ствола от сбросовой зоны (зоны разрыва) в направлении продуктивного горизонта;
проходке стволов на нефтеносные горизонты, залегающие под соляными куполами, в связи с трудностью бурения через них;
необходимости обхода зон обвалов и катастрофических поглощений промывочной жидкости;
проходке нескольких скважин на продуктивные пласты с отдельных буровых оснований и эстакад, расположенных в море или озере;
проходке скважин на продуктивные пласты, расположенные под участками земли с сильно пересеченным рельефом местности (овраги, холмы, горы);
необходимости ухода в сторону новым стволом, если невозможно ликвидировать аварию в скважине;
забуривании второго ствола для взятия керна из продуктивного горизонта;
необходимости бурения стволов в процессе тушения горящих фонтанов и ликвидации открытых выбросов;
необходимости перебуривания нижней части ствола в эксплуатационной скважине;
необходимости вскрытия продуктивного пласта под определенным углом для увеличения поверхности дренажа, а также в процессе многозабойного вскрытия пластов;
кустовом бурении на равнинных площадях с целью снижения капитальных затрат на обустройство промысла и уменьшения сроков разбуривания месторождения;
бурении с целью дегазификации строго по угольному пласту, с целью подземного выщелачивания, например, калийных солей и др.

Кроме того, горизонтальное бурение незаменимо при вскрытии продуктивных пластов, залегающих под дном океанов, морей, рек, озер, каналов и болот, под жилыми или промышленными застройками, в пределах территории населенных пунктов.

Методы

Использование закономерностей естественного искривления на данном месторождении (способ типовых трасс). В этом случае бурение проектируют и осуществляют на основе типовых трасс (профилей), построенных по фактическим данным естественного искривления уже пробуренных скважин. Способ типовых трасс применим только на хорошо изученных месторождениях, при этом кривизной скважин не управляют, а лишь приспосабливаются к их естественному искривлению. Недостаток указанного способа – удорожание стоимости скважин вследствие увеличения объема бурения. Необходимо также для каждого месторождения по ранее пробуренным скважинам определять зоны повышенной интенсивности искривления и учитывать это при составлении проектного профиля.
Управление отклонением скважин посредством применения различных компоновок бурильного инструмента. В этом случае, изменяя режим бурения и применяя различные компоновки бурильного инструмента, можно, с известным приближением, управлять направлением ствола скважины. Этот способ позволяет проходить скважины в заданном направлении, не прибегая к специальным отклонителям, но в то же время значительно ограничивает возможности форсированных режимов бурения.
Направленное отклонение скважин, основанное на применении искусственных отклонителей: кривых переводников, эксцентричных ниппелей, отклоняющих клиньев и специальных устройств. Перечисленные отклоняющие приспособления используются в зависимости от конкретных условий месторождения и технико-технологических условий.

Развитие

Получив широкое распространение, одноствольное наклонное бурение не исчерпало своих резервов. Возможность горизонтального смещения забоя относительно вертикали (проекции устья скважины на пласт) позволила создать вначале кустовой, а затем многозабойные методы бурения. Техническое усовершенствование наклонного бурения явилось базой для расширения многозабойного и кустового бурения.

Горизонтальное и разветвленное горизонтальное бурение применяются для увеличения нефте- и газоотдачи продуктивных горизонтов при первичном освоении месторождений с плохими коллекторами и при восстановлении малодебитного и бездействующего фонда скважин.

Если при бурении наклонной скважины главным является достижение заданной области продуктивного пласта и его поперечное пересечение под углом, величина которого, как правило, жестко не устанавливается, то основная цель бурения горизонтальной скважины – пересечение продуктивного пласта в продольном направлении. При этом протяженность завершающего участка скважины, расположенного в продуктивном пласте (горизонтального участка), может превышать 1000 м.

Условия, вызывающие необходимость применения кустового бурения, подразделяются на:

технические – разбуривание кустовым бурением месторождений, залегающих под застроенными участками;
технологические – во избежание нарушения сетки разработки при естественном искривлении скважины объединяют в кусты; геологические – разбуривание, например, многопластовой залежи;
орографические – вскрытие кустовым бурением нефтяных и газовых месторождений, залегающих под водоемами, под участками земли с сильно пересеченным рельефом местности, при проводке скважин на продуктивные горизонты с отдельных морских буровых оснований или эстакад;
климатические – разбуривание нефтяных и газовых месторождений, например в зимний период, когда наблюдается большой снеговой покров, или весной во время распутицы и значительных паводков.

К разновидностям кустового бурения можно отнести двухствольное последовательное, двухствольное параллельное и трехствольное бурение. Кусты скважин приближенно можно представить в виде конуса или пирамиды, вершинами которых являются кустовые площадки, а основаниями – окружность или многоугольник, размеры которых определяются величиной сетки разработки и возможностью смещения забоев от вертикали при бурении наклонных скважин.

Количество скважин в кусте, помимо сетки разработки, наличия одно- или многопластовых залежей и других факторов, определяется технически возможными отклонениями забоев наклонных скважин.

При разбуривании многопластовых месторождений число скважин в кусте может пропорционально увеличиваться. При расположении кустов вдоль транспортной магистрали число скважин в кусте уменьшается по сравнению с одним локальным кустом.

В зависимости от выбранного варианта расположения устьев в кусте объем подготовительных, строительно-монтажных и демонтажных работ может изменяться в самых широких пределах. Кроме того, от выбранного варианта расположения устьев в кусте зависят размеры отчуждаемой территории, что очень важно для обжитых районов. Характер расположения устьев скважин на кустовой площадке играет большую роль и при эксплуатации скважин. При бурении скважин на кустовой площадке число одновременно действующих буровых установок может быть различным.

Опыт кустового бурения показывает, что этот метод дает возможность значительно сократить строительно-монтажные работы, уменьшить объем строительства дорог, водоводов, линий электропередачи и связи, упростить обслуживание эксплуатируемых скважин и сократить объем перевозок. Сегодня кусты скважин становятся крупными промышленными центрами с базами материально-технического снабжения, вспомогательными цехами и т. д. В целом кустовой способ бурения сокращает затраты на обустройство промысла, упрощает автоматизацию процессов добычи и обслуживания, а также способствует охране окружающей среды при освоении нефтяных и газовых месторождений. В этом случае можно полнее осуществлять сбор всех продуктов отхода бурения и уменьшать вероятность понижения уровня грунтовых вод на огромных территориях, которое может возникнуть вследствие нарушения целостности водоносных горизонтов.

Минимальное число скважин в кусте – две. Практически на нефтяных промыслах России группируют до 16–24 скважин в куст, но есть отдельные кусты, состоящие из 30 и более скважин. Из зарубежной практики известны случаи, когда число скважин в кусте >60. Так, в Калифорнийском заливе в США 68 скважин было пробурено с насыпного острова размером 60х60 м.

Один из прогрессивных методов повышения технико-экономической эффективности проходки скважин – многозабойное бурение. Сущность этого способа заключается в том, что из основного ствола скважины проводят один или несколько дополнительных стволов, заменяющих собой скважины, которые могли быть пробурены для этих же целей непосредственно с земной поверхности. Следовательно, в этом случае основной ствол используется многократно, поэтому значительно сокращается объем бурения по верхним непродуктивным горизонтам.

При многозабойном бурении нефтяных и газовых скважин значительно увеличивается полезная протяженность скважин в продуктивном пласте и соответственно зона дренирования, а также поверхность фильтрации.

По форме выполнения дополнительных стволов и по их пространственному положению различают следующие виды многозабойных скважин:

разветвленные наклонно направленные;
горизонтально разветвленные;
радиальные.

Разветвленные наклонно направленные скважины состоят из основного ствола, обычно вертикального, и дополнительных наклонно направленных стволов.

Горизонтально разветвленные скважины – это разновидность разветвленных наклонно-направленных скважин, т. к. их проводят аналогичным способом, но при этом в завершающем интервале зенитный угол дополнительного ствола увеличивают до 90° и более. У радиальных скважин основной ствол проводят горизонтально, а дополнительные – в радиальном направлении.

Разветвленные скважины являются перспективной областью развития технологии направленного бурения, т.к. их промышленное применение позволит решать следующие важные задачи освоения земных недр: эффективная разработка нефтяных месторождений с низкими коллекторскими свойствами продуктивного пласта, горизонтальной направленности; значительное сокращение числа скважин, необходимых для разработки месторождения нефти и газа; добыча высоковязкой нефти с больших глубин; строительство геотермальных станций в районах с невысокими температурами пластов горных пород. (EnergyLand.info 05.03.14)

Владимир Хомутко

Время на чтение: 5 минут

А А

Как проводят горизонтальное бурение нефтяных скважин?

Горизонтальное бурение нефтяных скважин в процессе добычи полезных ископаемых является весьма значимой технологией, поскольку её применение дает возможность получить доступ к трудноизвлекаемым запасам углеводородов и разрабатывать сложные участки горных пород.

Создаваемая с помощью такого способа бурения горизонтальная горная выработка с определенным углом отклонения от вертикальной оси ствола позволяет добывать такой ценный энергоресурс, как нефть, наиболее быстро и эффективно.

Перед началом бурения обязательно следует подготовительный этап, процессе которого производятся следующие виды работ:

исследование грунтов и горных пород в месте предполагаемого бурения (чтобы обеспечить оптимальное их разбуривание);
получение необходимых разрешительных документов, которые юридически подтверждают законность добычи этого полезного ископаемого в конкретном месте.

Горизонтальные нефтяные скважины. Способы их бурения

Наклонные скважины вообще и горизонтальные в частности бурят с применением различных технологий, основными из которых в настоящее время считаются:

направленное бурение;
инсталляционное сервисное бурение;
направленный внутриразломный буровой процесс.

Применение второй методики, как правило, предусматривает совместную прокладку подземных коммуникаций, а третья технология чаще применяется при разработке угольных пластов, поскольку в процессе такой работы зачастую возникает необходимость обеспечить газоотведение.

Вследствие падения дебитов давно эксплуатируемых скважин, многие нефтедобывающие компании стараются увеличить объем нефтедобычи с помощью более интенсивной разработки залежей, обнаружение и разведка которых уже закончены. Горизонтальное бурение нефтяных скважин как раз относится к методикам, позволяющим эффективно проводить такую интенсификацию.

Суть такого технологического процесса – расширение площади введения добываемого продукта в ствол скважины. С помощью горизонтального бурения формируются скважины, имеющие горизонтальные отрезки, которые возможно продолжать методами наклонно-направленного бурения.

Бурение скважин горизонтального типа имеет свои особенности, уравновешивающие воздействие таких технологий на экологическое состояние окружающей среды.

Одним из широко используемых технологических способов является бестраншейное строительство.

Применение этого метода дает возможность проводить работы вблизи высоковольтных линий электропередач, в застроенных жилыми домами массивах и в окрестностях дорог разного назначения.

С целью снижения в процессе бурения временных затрат, бурение горизонтально направленных скважин целесообразно применение комплексного оборудование, так как это позволяет сократить количество рабочего персонала и численность единиц используемой техники. Помимо этого, применение такого оборудование не требует произведения работ для снижения уровня грунтовых вод с высоким залеганием к поверхности.

Немаловажное значение имеет и финансовая составляющая, поскольку сокращение времени рабочего процесса приводит к уменьшению сметной стоимости объекта, вследствие чего можно утверждать, что использование высокотехнологичного оборудование позволяет минимизировать материальные затраты.

Если рассматривать такое бурение в экологическом и общественном аспекте, то такого рода разработка месторождений полезных ископаемых сводит к минимуму ущерб проживающему поблизости населению и минимизирует дискомфорт, вызываемый любыми строительными работами, а также максимально обеспечивает защиту окружающей экологической среды.

Практическое применение горизонтального бурения

Применение подобной технологии не только позволяет увеличить объемы добываемого нефтяного сырья с месторождений, эксплуатация которых уже ведется в течение долгого времени. Эта методика также дает возможность успешно и эффективно разрабатывать те участки, на которых использование обычных скважин нерентабельно из-за низкой продуктивности.

Применение горизонтального способа бурения нефтяных скважин эффективно в следующих случаях:

Поломки буровых устройств чаще всего возникают в особо твердых пластах горных пород, встречающихся на пути проходки скважины. Кроме того, бур может заклинить в ходе проходки, и в этом случае извлечение его из горной породы зачастую не представляется возможным. Для продолжения разработки и для одновременного обхода слишком прочного участка и применяется горизонтальное бурение, которое может идти как под определенным углом, так и параллельно.

В некоторых случаях традиционные способы бурения заменяют горизонтальными технологиями из-за сложности рельефа или близкого местоположения водоема. Помимо этого, такие технологии позволяют гораздо быстрее и значительно легче добираться до нужного продуктивного слоя и выбирать наиболее оптимальное и удобное место извлечения нефтяного сырья.

Если месторождение расположено на дне океана или моря, стандартная технология становится весьма затратной, поскольку требует установки плавучей буровой платформы, в то время, как затраты на горизонтальное бурение в таких случаях гораздо ниже. С помощью горизонтально-направленного бурения есть возможность обустраивать подземные нефтехранилища.

Горизонтальное бурение на нефтедобывающих промыслах подразумевает применение инновационных технологий, позволяющих добиваться большого угла отклонения ствола скважины от вертикальной оси (до 90 градусов).

Горизонтальное бурение скважин

Поскольку нефтеносные слои, как правило, обладают горизонтальной структурой, горизонтальные скважины (по сравнению с обычными) гораздо продуктивнее при разработке одного и того же месторождения, поскольку площадь забоя горизонтального участка больше, чем вертикального.

Проходка таких скважин производится в нужных слоях и на заранее определенных режимах. Все работы выполняются в строгом соответствии с требованиями к условиям эксплуатации буровой установки, разрушающей пласты горных пород.

Эффективность бурового процесса оцениваются по следующим параметрам:

уровень нагрузки, приходящейся на долото, который напрямую зависит от осевого давления;
число оборотов бурового инструмента;
качественные характеристики глинистого материала в каждом пробуриваемом слое;
способ эксплуатации устройства.

Выбор метода горизонтального бурения производится с учетом всех особенностей конкретного промысла. Рельеф местности, геологический состав разбуриваемых пород и прочие условия работы требуют определенного метода такого бурения, и в случае, когда выбор технологии сделан с учетом всех необходимых параметров, увеличение продуктивности скважины в ходе проведения горизонтального бурения будет максимальным.

Ключевым преимуществом горизонтальных буровых технологий является сохранение экологического баланса и минимизация ущерба, наносимого ландшафту в месте проведения работ. На жизнь местного населения такие способы также практически не оказывают никакого отрицательного влияния.

Подготовительный этап

Сам процесс формирования горизонтальной нефтедобывающей скважины может проводиться на достаточно больших глубинах, с использованием соответствующего оборудования для глубинного бурения. Перед началом процесса оформляется геолого-технический наряд и разрабатывается техническая карта. Контроль за этапами производства работ проводится в строгом соответствии с техническим регламентом.

Основные стадии подготовительного этапа горизонтального бурения (по порядку):

доставка на место и сборка необходимого для подготовительной работы оборудования;
спуско-подъемные работы с этим оборудованием;
ориентировочное бурение;
подготовка и смешивание , с учетом необходимой плотности и массы, включающая в себя добавление необходимых присадок;
работы по герметизации устья скважины;
операции глушения скважины;
получение и подготовка данных исследования существующих стволов с точки зрения их геофизических параметров;
подготовка таких стволов к спуску испытательного устройства для горной породы;
подрыв зарядов для отбора кернов;
освоение подготовленной скважины;
доставка на промысел необходимых буровых установок.

На каждой стадии подготовительного этапа необходима регулярная проверка в целях поддержания его характеристики на требуемом уровне. Это обеспечивается проведением регулярных лабораторных анализов. Устье скважинного ствола необходимо оснастить противовыбросовым оборудованием для минимизации рисков, связанных с возможным возникновением в процессе работы аварийных ситуаций.

Техническое состояние используемых в технологическом процессе устройств необходимо регулярно и своевременно проверять, для чего используется целый комплекс контрольно-измерительных устройств, исправность которых, в свою очередь, также должна быть под постоянным контролем. Для обеспечения безопасности работы применяются разного рода предохранительные элементы и средства автоматизации

После завершения подготовительного этапа обязательно проводятся предварительные испытания горных пластов.

На каждом этапе бурового процесса проводятся регулярные профилактические осмотры применяемого технологического оборудования до и после его непосредственного использования.

Управление горизонтальным бурением скважин

Управление оборудованием в процессе такого бурения является важной задачей, так как бур находится на значительном удалении от оператора. Для этого используется специальный зонд, расположенный на буровой головке. Синхронизация действий зонда обеспечивается специальными техническими устройствами, которыми с поверхности управляет оператор.