Проектирование наклонно направленных скважин для разведки метана в угольных пластах

Эпоха уникальных и крупных месторождений газа на суше, таких как «Уренгойское», «Медвежье», «Ямбургское» и др. подходит к концу. Вслед за ними на очереди для освоения стоят средние, малые и нетрадиционные месторождения природного газа и газоконденсата.

Освоение традиционных месторождений газа активно ведется с начала 50-х годов прошлого века и практически весь спектр технико-технологических решений строительства и эксплуатации скважин разработан, изучен и активно применяется.

К нетрадиционным месторождениям углеводородов относится: тяжелая нефть, сланцевый газ, метан угольных пластов, газогидраты.

Метаноугольное месторождение — это месторождение, содержащее одну или несколько метаноугольных залежей (при добыче метана как самостоятельного полезного ископаемого, метаноугольная залежь приурочена к угольному пласту).

Последнее несколько лет с периодическим интересом обсуждается проблема Добычи метана угольных пластов (МУП). Работы по данной тематике ведутся ОАО «Газпром» с середины 90-х годов прошлого века. За истекший период времени проделана огромная работа: проведена оценка ресурсов метана угольных пластов на территории РФ, построен научно-экспериментальный полигон в Кузбассе, пробурены специальные и разведочные скважины, получены первые в России притоки метана из угольных пластов, утверждены запасы метана угольных пластов Талдинского метаноугольного месторождения.

В рамках проекта «Широкомасштабная добыча метана из угольных пластов» на Кузбассе запланировано строительство порядка 1500 эксплуатационных скважин.

Актуальность работы.

Актуальность работы обусловлена огромными ресурсами метана угольных пластов в России, составляющими 83,7 трлн. м3, по оценке ОАО «Газпром про-мгаз».

Большое значение развитию разведки и освоения метана угольных пластов (МУП) придает заинтересованность Правительства РФ:

Поручение Президента РФ В. В. Путина от 26.09.2007 № Пр. 1738 о разработке предложений по формированию благоприятного инвестиционного климата для ускоренной реализации инновационного проекта «Метан из угольных пластов»;

Протокол № 03−134 совещания ОАО «Газпром» и Администрации Кемеровской области по вопросу реализации проекта добычи метана из угольных пластов на первоочередных площадях в Кузбассе, г. Кемерово. Утвержден 28.12.2007 г. Заместителем Председателя Правления ОАО «Газпром» А. Г. Ананенковым и Губернатором Кемеровской области А. Г. Тулеевым.

Актуальность исследования вызвана необходимостью достижения высокой информативности при бурении угольных пластов разведочными скважинами с наклонно направленным профилем с субгоризонтальным окончанием и обусловлена следующими факторами: в скважине с субгоризонтальным окончанием ствола отбор кернового материала из угольных пластов, залегающих выше целевого угольного пласта, а при проходке целевого угольного пласта качественный отбор кернового материала на всем протяжении ствола скважины до 500−700 мв субгоризонтальном участке ствола скважины наиболее достоверные результаты гидродинамических исследований по проницаемости угольного пластапри переводе разведочной скважины в эксплуатационный фонд более высокие показатели дебита газа по сравнению с вертикальной скважиной. Диссертационная работа посвящена технологии бурения скважин на метан угольных пластов и в большей степени соответствует технологии бурения разведочных скважин на угольных бассейнах, чем бурению традиционных газовых скважин. Также скважины, пробуренные для разведки и добычи метана угольных пластов можно отнести к геотехнологическим скважинам, наряду со скважинами для подземной газификации углей, скважинами подземного выщелачивания металлов, геотермальными скважинами и др.

Освоение ресурсов метана угольных пластов как самостоятельного полезного ископаемого способствует снижению метанообильности угольного пласта для дальнейшей разработки угля шахтным способом. Стоит отметить, что комплексное использование недр является перспективным направлением в развитии ТЭК России.

Цели и задачи исследования.

Огромные ресурсы газа метаноугольных месторождений РФ, доказанная экономическая целесообразность добычи метана, приводит к необходимости разведки и разработки метаноугольных месторождений.

Целью работы является повышение эффективности добычи МУП за счет оптимизации проектирования скважин для разведки метаноугольных месторождений, учитывающего особенности залегания угольных пластов, их опробования и дальнейшей эксплуатации месторождения.

Для достижения данной цели необходимо решение следующих задач:

Для достижения поставленной цели в процессе научных исследований необходимо решение следующих задач:

1. Анализ объемов добычи метана угольных пластов и их ресурсов в странах, занимающихся разработкой метаноугольных месторождений, исследовать ключевые технологии извлечения МУП;

2. Проведение выбора, описание характеристик ключевых геологических и производственно-экономических критериев, учитываемых при оценке перспективности участка размещения разведочных скважин;

3. Разработка согласованной системы перевода размерных критериев в безразмерные, установление весовых коэффициентов критериев методом экспертных оценок и присвоение значений математической модели оценки перспективности участка размещения разведочных скважин;

4. Выбор профилей наклонно направленных скважин с субгоризонтальным окончанием для угольных пластов с глубиной залегания по вертикали до 1300 м, с указанием характерных участков;

5. Подбор для каждого участка профиля ствола скважины приемлемой технологии бурения и выявление ограничений по ее применению для каждого участка профиля;

6. Разработка математического алгоритма расчета экономически оптимального профиля ствола скважины.

Научная новизна выполненной работы.

• Выявлена зависимость перспективности участка размещения разведочных скважин от геологических и производственно-экономических факторов оценки участка с определением эффективных границ их размещения на основе разработанной математической модели.

• Выявлена зависимость параметров профиля скважины от горногеологических условий залегания угольных пластов, технологии бурения и подземной компоновки оборудования скважин, что позволило рекомендовать четыре базовых профиля скважин для разведки метана угольных пластов.

• Получены зависимости приведенных капитальных и текущих денежных затрат при реализации каждого базового профиля разведочной скважины от комбинации способа бурения.

• Исследованы ограничения применения технологий бурения при проходке интервалов базовых профилей разведочных скважин.

Личный вклад автора.

Автор принимал активное участие в работах по разработке метаноугольных площадей и месторождений Кузбасса и на основе полученного опыта формализовал критерии перспективности участков для размещения на них разведочных скважинпредложил систему перевода размерных значений критериев в безразмерный и согласовал ее с ведущими специалистами в области разработки метаноугольных месторождений.

Выявил четыре базовых профиля из известных профилей скважин, предложил комбинирование способов бурения участков профиля ствола разведочной скважин, с целью снижения стоимости капитальных затрат при строительстве.

Защищаемые положения.

1. Выбор участков расположения разведочных скважин необходимо проводить на основе предложенной математической модели оценки их перспективности, выполненной с использованием геологических и производственно-экономических факторов оценки разведываемого участка.

2. При проектировании разведочных наклонно направленных скважин с субгоризонтальным окончанием в угольном пласте, целесообразно из всех известных профилей применять четыре базовых профиля скважин.

3. Для реализации базовых профилей скважин обоснованы основные способы бурения: вращательное с приводом от вращателя бурового станка, вращательное с использованием забойных двигателей и ударно-вращательное бурение с использованием пневмоударников. Предложены варианты комбинированного бурения участков профиля с учетом выявленных ограничений.

4. При выборе технологии бурения необходимо использовать, разработанный математический алгоритм, позволяющий осуществлять оценку эффективности применения технологий бурения (их комбинации) разведочных скважин, при реализации каждого из базовых профилей по параметру приведенных капитальных и текущих денежных затрат.

Апробация и публикации.

Основные результаты и положения работы докладывались на ежегодной IV, V и VI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые — наукам о Земле» в МГРИ-РГГРУ имени Серго Орджоникидзе.

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в журналах «Горный информационно-аналитический бюллетень». Специальный выпуск № 08 август) 2012, «Записки Горного института». Том 188, 2010, «Наука и техника в газовой промышленности», № 3 (39) 2009, «Газовая промышленность» № 672, 2012, рекомендованных для публикации Вышей аттестационной комиссией (ВАК).

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Работа представлена на 112 страницах, содержит 39 иллюстраций, 14 таблиц и 75 использованных источников.

4.7 Выводы по главе 4.

1. Выбраны четыре основных профиля ствола скважины, разбиты на соответствующие участки, каждому из которых присвоена технология бурения скважин.

2. Выявлены основные преимущества и недостатки каждого профиля ствола скважины и технологии бурения.

3. Исследованы и выявлены ограничения по применению роторного, ударно-вращательного способов бурения и бурения с ВЗД при реализации интервалов участка профиля (бурение по пласту).

4. Предложен математический алгоритм расчета экономически оптимального профиля разведочной наклонно направленной скважины с субгоризонтальным окончанием.

Заключение

.

1. Проведен анализ объемов добычи метана угольных пластов и их ресурсов в странах, занимающихся разработкой метаноугольных месторождений, исследованы ключевые технологии разведки и добычи МУП.

2. Проведен выбор и дана характеристика ключевых геологических и производственно-экономических критериев, используемых в оценке перспективности участков размещения разведочных скважин на площади.

3. Разработана согласованная система перевода размерных критериев в безразмерные. Методом экспертных оценок установлены весовые коэффициенты критериев, и с использованием статистических методов обработки эти значения присвоены математической модели оценки перспективности участков.

4. Выбор участков расположения разведочных скважин проводить на основе предложенной математической модели оценки их перспективности, выполненной с использованием геологических и производственно-экономических факторов оценки разведываемого участка.

5. На основе результатов представленной работы в части оценки перспективности участка месторождения можно сделать вывод о возможности расширения модели и применения ее для оценки перспективности площадей или их частей.

6. Бурение скважин с окончанием в угольном пласте позволит увеличить дебит газа, что в свою очередь будет способствовать повышению рентабельности добычи МУП.

7. При проектировании разведочных наклонно направленных скважин с субгоризонтальным окончанием в угольном пласте, целесообразно из всех известных профилей применять четыре базовых профиля скважин.

8. Для реализации базовых профилей скважин обоснованы три основные технологии бурения: роторное бурение (с использованием роторных управляемых систем), бурение с ВЗД и ударно-вращательное (пневмоударное) бурение.

Предложены варианты комбинированного бурения участков профиля с учетом выявленных ограничений.

9. Для оптимизации процесса проектирования разведочных наклонно направленных скважин с субгоризонтальным окончанием в угольном пласте необходимо просчитывать вариантность реализации, направленную на получение минимальных затрат при достижении поставленной цели.

10. При выборе технологии бурения необходимо использовать разработанный математический алгоритм, позволяющий осуществлять оценку эффективности применения технологий бурения (их комбинации) разведочных скважин, при реализации каждого из базовых профилей по параметру приведенных капитальных и текущих денежных затрат.