Разработка технических средств, технологических приемов и методов мониторинга проводки направленных скважин

Актуальность проблемы.

В современном развивающемся мире углеводороды, к которым относятся нефть и газ, являются важнейшей частью стратегических природных запасов, определяющих энергетическую независимость и прогресс развития экономики Российской Федерации, а в связи с развитием глобального экономического кризиса в мировом масштабе их роль будет непрерывно возрастать. Поэтому сохранение на прежнем уровне и увеличение темпов добычи нефти и природного газа с одновременным сокращением затрат на строительство скважин, становятся главнейшей задачей топливно-энергетического комплекса (ТЭК).

Более 90% нефтяных и газовых месторождений разрабатываются наклонными и горизонтальными скважинами. Это объясняется необходимостью наибольшей степени вскрытия труднодоступных продуктивных горизонтов, особенно в сложных горно-геологических условиях таких регионов, к каким относится Краснодарский край.

Так, одним из современных способов решения задач повышения извлекаемых объемов углеводородного сырья, а также его закачка в целях хранения, стало бурение горизонтальных скважин на многих месторождениях и при строительстве подземных хранилищ газа (ПХГ).

Среди работ в этом направлении, следует отметить исследования ряда ученых: Арутюнов A.A., Балденко Ф. Д., Бузинов, A.B. Буслаев В. Ф., Вудс Г., Гераськин В. Г., Григорян A.M., Григулецкий В. Г., Гулизаде М. П., Иоанесян Ю. Р., Кауфман Л. Я., Калинин А. Г., Крылов В. И., Лубинский А., Лукьянов В. Т., Никитин Б. А., Оганов С. А., Рабиа X., Сорокин В. Н., Сулакшин С. С., Сушон Л. Я., Шайхутдинов Р. Т. и многих других.

Реализация проектных трасс таких скважин предполагает интервалы углубления с одновременным изменением с различной интенсивностью зенитного и азимутального углов скважины, или участки трассы, на которых требуется изменение только зенитного угла.

Появление забойных телеметрических систем (это были телеметрические системы с кабельным каналом связи) в значительной степени облегчило процедуру управления формой ствола скважины (определение текущих параметров искривления скважины, положения отклонителя при бурении ориентируемыми компоновками, учёт реактивного момента забойного двигателя и др.). В то же время, на участках бурения неориентируемыми компоновками низа бурильной колонны (КНБК) телеметрические системы выполняли только функцию отображения параметров искривления ствола скважины. В этом случае, при возникновении необходимости корректировки зенитного и (или) азимутального углов скважины (правки) приходилось поднимать инструмент для замены КНБК. Эта процедура на месторождениях Западной Сибири, при весьма высоких скоростях строительства, в 80−90ые годы проводилась на 25% скважин от их общего количества. По мнению многих учёных того времени такой высокий процент правок был связан с непредсказуемостью результатов бурения интервалов с применением неориентируемых КНБК.

С появление телеметрических систем с гидравлическим каналом связи зарубежного производства появилась возможность в процессе бурения непрерывно вращать инструмент компоновками с забойным двигателем-отклонителем, когда не требуется корректировка параметров искривления ствола, или производить ориентирование отклонителя для исправления траектории без подъёма инструмента на поверхность. Такая технология используется большинством буровых предприятий, приводит к преждевременному износу бурового инструмента и выходу из строя дорогостоящих (порядка миллиона долларов) телеметрических систем, а также к увеличению диаметра ствола скважины.

В связи со сказанным, проблема создания эффективных техники и технологии строительства направленных скважин в сложных геологических условиях весьма актуальна. На наш взгляд создание управляемых в процессе бурения КНБК позволяет решить задачи оперативного контроля и управления трассой наклонных и горизонтальных скважин, а также значительно сократить затраты на их строительство.

Цель работы.

Повышение эффективности бурения наклонно направленных скважин путем исследования, разработки и внедрения отечественных технических средств и оборудования, позволяющих управлять траекторией ствола скважины с пульта бурильщика.

Основные задачи работы.

1. Анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта бурения наклонно направленных скважин и боковых стволов различными видами бурового оборудования.

2. Разработка и совершенствование отечественных технических средств в составе КНБК с забойным двигателем, позволяющих управлять траекторией ствола путем изменения перекоса угла отклонителя на забое скважины.

3. Совершенствование методики управления траекторией ствола бурящейся скважины и ее реализация в разработанном аппаратурно-программном комплексе.

4. Промысловые испытания разработанных дистанцонно-управляемых отклонителей с различными забойными двигателями.

Основные защищаемые положения.

1. Технические средства, математическое обеспечение, алгоритмы расчета построения различных проектных профилей скважин.

2. Способ управления параметрами искривления бурящейся скважины и его реализация в аппаратурно-программном комплексе.

3. Результаты промысловых испытаний разработанных технических средств и методик.

Научная новизна.

Разработано и опробировано в промысловых условиях методическое, математическое и программное обеспечение, позволяющее в зависимости от заданных геолого физических условий залегания продуктивных пластов и их фильтрационно-емкостных свойств решать задачи:

— построения проектных профилей скважин различной сложности;

— построения и визуализации в трехмерном пространстве фактического профиля по данным замеров телесистемой угла и азимута скважины;

— управления фактической траекторией бурения скважины путем включения в состав КНБК дистанционно-управляемых регулируемых откло-нителей, новизна которых подтверждена патентами на изобретения № 2 228 421 Яи, «Отклонитель регулируемый" — № 2 303 117 Яи, «Отклонитель регулируемый».

Практическая ценность и реализация работы.

Выявлены и обоснованы основные способы эффективного управления траекторией ствола скважины различными видами компоновок низа бурильной колонны. Разработаны и внедрены: — отклонители с дистанционно изменяющимися геометрическими характеристиками и технические средства (кабельные телеметрические системы- - малогабаритные магнитометрические инклинометры), позволяющие проводить скважины в труднодоступных продуктивных горизонтах.

Разработки успешно внедрены на месторождениях Краснодарского края, республики Дагестан, о. Сахалин. На их основе специалисты ООО «Ку-баньгазпром» разбурили горизонтальными скважинами Краснодарскую и Кущевскую ПХГ, пробурены наклонно горизонтальные скважины в Калининградской области, Западной Сибири.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Представленная работа соответствует формуле специальности 25.00.15 -«Технология бурения и освоения скважин», а именно пункту 5 — «Моделирование и автоматизация процессов бурения и освоения скважин при углублении ствола, вскрытии и разобщении пластов, освоении продуктивных горизонтов, ремонтно-восстановительных работах, предупреждении и ликвидации осложнений.

Апробация работы.

Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались на: Второй Всероссийской конференции молодых учёных, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России (г. Москва, Государственная Академия нефти и газа им. И. М. Губкина, сентябрь 1997 г.), научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ООО «Кубаньгазпром» (г. Анапа, 1998;1999 гг.) — научно-технических советах ООО «Кубаньгазпром» совместно с ООО «Кубаньбургаз» (г. Краснодар, 1997;2001 г. г.) — международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации и капитального ремонта скважин на месторождениях и ПХГ» (г. Кисловодск, 2003 — 2004 г. г.) — выездном заседании секции добычи газа ООО «Газпром» «Пути совершенствования техники и технологии капитального ремонта скважин» (г. Новый Уренгой, январь 2005 г.) — международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию журнала «Газовая промышленность» (г. Москва, 2006 г.) — международной научно-практической конференции «Волга-строй-экспо 2007 — технологии и техника горизонтально направленного бурения» (г. Казань, апрель 2007 г.) — международной научно-практической конференции «Новые технологии при поисках, разведке и эксплуатации месторождений углеводородного сырья в России и странах СНГ» (пос. Ольгинка, сентябрь 2007 г.) — на Ученых и научно-технических советах КубГТУ, ООО «Роснефть-НТЦ», ООО «Роснефть-Краснодарнефтегаз», ООО ШЮ-Бурение"(2008;2011 г. г.).

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и двух патентах Российской Федерации на изобретения.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы, включающего 52 наименования и приложения.

выводы.

1. Проведены обобщение и анализ опыта проводки наклонно горизонтальных скважин и вторых стволов различными видами бурового оборудования в нефтегазодобывающих регионах Российской Федерации и других стран, определяющие пути дальнейшего развития и повышения эффективности бурения наклонно горизонтальных скважин.

2. Построены вычислительные алгоритмы, которые реализованы в разработанном методическом и программном обеспечении, отображающие в 2-х и 3-х мерном пространственном изображении фактическую, проектную и прогнозируемую траектории ствола скважины в реальном масштабе времени, позволяющие провести оптимизацию проводки наклонно горизонтальных скважин по: — построению различных вариантов проектного профиля ствола скважины с горизонтальным окончанием- - построению фактического профиля по данным замеров телесистемой зенитного угла и азимута скважины в трехмерном пространстве- - определению величины угла установки отклонителя, обеспечивающего возврат траектории скважины к проектному профилю.

3. Разработаны и внедрены дистанционно-управляемые регулируемые отклонители ОГДУ-178 и ОГДУ-Ю8, позволяющие управлять траекторией ствола путем смены угла перекоса забойных компоновок без подъема на поверхность, реализуя проектные трассы различной степени сложности.

4. Разработаны и внедрены технические средства (телеметрическая система «Пеленг» и малогабаритный магнитометрический инклинометр «Игла»), позволяющие передавать оперативную информацию о положениях отклонителя с дистанционно-изменяющимися геометрическими характеристиками в составе КНБК и забойных параметрах ствола скважины.

5. Разработаны и внедрены несколько модификаций посадочных устройств (УП — 180, УП — 110 и др.) для скважинных приборов разработанных технических средств (телеметрической системы «Пеленг» и малогабаритного магнитометрического инклинометра «Игла»).

6. Проведена практическая реализация разработки при строительстве Кущевского подземного хранилища газа на скважинах № 98 Кущевская и № 153 Кущевская и определена оценка ее эффективности:

— на обеих скважинах интервалы набора зенитного угла до выхода на горизонтальный участок, были проведены одним долблением, без подъема инструмента для смены КНБК на поверхности, так как регулировка компоновки оперативно происходила на забое;

— фактические траектории максимально приближены к проектным, благодаря оперативной передаче информации в реальном масштабе времени координат забоя с помощью телесистемы «Пеленг»;

— аппаратурно-программный комплекс, отображающий в 2-х и 3-х мерном изображении фактическую и проектную траектории, а так же остальные параметры ствола, позволил фактической траектории максимально приближенно выйти на проектную траекторию.

7. Выявлены возможности применения дистанционно-управляемых гидравлически регулируемых отклонителей ОГДУ-Ю8 и ОГДУ-178 с широким перечнем турбобуров и винтовых забойных двигателей, для проводки наклонно-горизонтальных скважин и забуривания вторых стволов, что позволяет реализовывать наклонные трассы в достаточно широком диапазоне радиусов кривизны (Кмах= 1383 м. — Ямин= 45 м.).

Предложенная автором работа прошла успешную проверку при бурении наклонно-горизонтальных скважин и забуриванию вторых стволов на месторождениях и ПХГ Краснодарского края, Сибири, Калининградской области, республики Дагестан, о. Сахалин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам проведенного анализа установлено, что сохранение на прежнем уровне и увеличение темпов добычи нефти и природного газа, с одновременным сокращением затрат на строительство скважин, становятся главнейшей задачей топливно-экономического комплекса (ТЭК) и обуславливаются необходимостью наибольшей степени вскрытия труднодоступных продуктивных горизонтов, особенно в сложных горно-геологических условиях таких регионов, к каким относится Краснодарский край.

Так, в настоящее время, одним из современных способов решения задач повышения извлекаемых объемов углеводородного сырья, а также его закачка с целью хранения в последнее время, стало бурение горизонтальных скважин при строительстве подземных хранилищ газа ПХГ на Северном Кавказе.

Реализация проектных трасс таких скважин предполагает интервалы углубления с одновременным изменением с различной интенсивностью зенитного и азимутального углов скважины, или участки трассы, на которых требуется изменение только зенитного угла.

Применение ориентируемых отклоняющих компоновок, включающих в себя забойные телеметрические системы с кабельным каналом связи, упростило процедуру управления формой ствола скважины, но на участках бурения неориентируемыми КНБК они выполняли только функцию отображения параметров искривления ствола скважины. В этом случае, при возникновении необходимости корректировки зенитного и (или) азимутального углов скважины (правки) приходилось поднимать инструмент для замены КНБК.

Телеметрические системы с гидравлическим каналом связи позволяют в процессе бурения непрерывно вращать инструмент компоновками с забойным двигателем-отклонителем, когда не требуется корректировка параметров искривления ствола, или производить ориентирование отклонителя для исправления траектории без подъёма инструмента на поверхность, но такая технология приводит к преждевременному износу бурового инструмента и выходу из строя дорогостоящих (порядка миллиона долларов) телеметрических систем, а также к увеличению диаметра ствола скважины.

Предложенная автором компоновка низа бурильной колонны, с включенным в ее состав отклонителем с изменяющимися геометрическими параметрами, управляемым по команде с пульта бурильщика без подъёма на дневную поверхность, наряду с методическим и программным обеспечением, реализованном в аппаратурно-програмном комплексе, решила перечис-леные проблемы, связанные управлением трассой наклонных и горизонтальных скважин.