книги / Техника и технология строительства боковых стволов в нефтяных и газовых скважинах

17. Пространственная интенсивность искривления (Р) — степень одновре­ менного изменения зенитного угла и азимута за интервал. Эта величина ха­ рактеризует степень искривления оси ствола скважины и равна отношению приращения угла искривления к расстоянию между точками измерений.

Пространственная интенсивность искривления р равна

где L —длина искривленного участка, м; аД — изменение зенитного угла на искривленном участке L, град; Д<р — изменение азимутального угла на искривленном участке L, град; аср — средний зенитный угол на искривлен­ ном участке L, град; Ду — изменение пространственного угла на искрив­ ленном участке L.

18. Вертикальная проекция оси ствола скважины равна:

ДИ = Д1 • cos acp.

19. Горизонтальная проекция оси ствола скважины равна:

Да = Д1 *cos аср.

20.Плоскость искривления — плоскость, в которой располагается дуга ок­ ружности с радиусом кривизны в данной точке.

21.Угол установки отклонителя на забое скважины — угол между плоско­ стью действия отклонителя и вертикальной (апсидальной) плоскостью, проходящей через ось скважины в месте его установки.

22.Кривизна ствола (К) — приращение угла искривления на определен­ ном криволинейном участке:

К = i рад/м.

К

23. Радиан — угол, соответствующий дуге, длина которой равна ее ра­ диусу

24. Кривизна (К) — пространственной кривой — в общем случае опреде­ ляется по формуле

k = Vd2x/ds2 + d2y / ds2 + d2z / ds

где dx/ds = sina cosq>, dy / ds = sina cos<p , dz / ds = cosa .

25.Боковой ствол (БС) — это ответвление от основного ствола скважины меньшего диаметра с началом в точке забуривания.

26.Дополнительный ствол (ДС) — ствол меньшего диаметра, пробурен­ ный из башмака эксплуатационной колонны на нижележащий продуктив­ ный объект, не предусматривающий вырезание «окна» в эксплуатационной

колонне.

27. Точка забуривания БС при использовании клина-отклонителя совпа­ дает с верхней частью направляющей поверхности клина, а в случае ис­ пользования зарезного цементного моста — с верхней частью вырезанного участка эксплуатационной колонны.

28.Проектный профиль БС (ДС) — планируемая траектория, состоящая из криволинейных и прямолинейных участков, в соответствии с которой осуществляется бурение.

29.БС (ДС), забуриваемый в произвольном азимутальном направлении, называется неориентируемым.

30.БС (ДС), который бурится под некоторым углом к вертикали в за­ данном направлении (азимуте), называется наклонно-направленным.

31.Наклонно-направленный БС (ДС), содержащий участок с зенитным

углом более 70°, называется горизонтальным.

32.Профиль БС (ДС) с постоянным азимутом называется плоским.

33.Профиль бокового ствола (ДС) с изменяемым азимутом называется

пространственным.

34.Профиль пробуренного БС (ДС) называется фактическим. Фактиче­ ский профиль бокового ствола в большинстве случаев является простран­

ственным.

35.Клин-отклонитель (уипсток) — устройство, состоящее из клина с на­ правляющей поверхностью и узла фиксации клина в обсадной колонне.

36.Фрез-райбер — инструмент для вырезания бокового «окна» в обсад­ ной (эксплуатационной) колонне с клина-отклонителя.

37.Щелевидное «окно» — это боковое отверстие в обсадной (эксплуатаци­ онной) колонне, сформированное с помощью фрез-райбера.

38.Вырезающее устройство — устройство, предназначенное для выреза­ ния участка обсадной колонны по периметру.

39.Цементный мост, установленный в интервале вырезанного по пери­ метру участка обсадной колонны и предназначенный для забуривания бо­ кового ствола, называется зарезным.

40.Компоновкой низа бурильной колонны (КНБК) называется нижняя часть бурильной колонны, включающая породоразрушающий инструмент, забойный двигатель и утяжеленные бурильные трубы (УБТ), опорно-цен- трирующие элементы (ОЦЭ), телеметрическую систему, а также технологи­

ческие элементы бурильной колонны (яссы, безопасные переводники

идр.)

41.Направляющий участок КНБК — участок от долота до первой точки

касания УБТ или ЗД со стенкой скважины под нагрузкой. Для КНБК с ОЦЭ направляющим участком является участок от долота до вершины угла перекоса отклонителя, для КНБК без центрирующих приспособлений — участок от долота до первой точки касания забойным двигателем или тру­ бами стенки скважины.

42.Угол несоосности КНБК в стволе скважины р — угол между хордами, стягивающими ось скважины и ось КНБК на направляющем участке.

43.Забойный двигатель-отклонитель — винтовой забойный двигатель с искривленным корпусом — предназначен для направленного бурения БС.

44.Опорно-центрирующими элементами КНБК являются центраторы и

децентраторы.

45. Центраторы — опорно-центрирующие элементы — предназначены для центрирования КНБК с целью стабилизации параметров кривизны или изменения зенитного угла БС.

46.Децентраторы — опорные элементы, предназначенные для локаль­ ного смещения оси нижней части бурильной колонны относительно оси скважины с целью обеспечения искривления БС.

47.Породоразрушающий инструмент — техническое устройство, предна­ значенное для разрушения горной породы (долото, буровая коронка, ка­ либратор, расширитель).

были проведены первые гидродинамические исследования при разработке нефтяных местрождений горизонтальными и многозабойными скважина­ ми. Теоретические основы фильтрации и нефтеотдачи пластов изложены в книге Ю. П. Борисова, В. П. Пилатовского и А. П. Табакова «Разработка нефтяных месторождений горизонтальными и многозабойными скважина­ ми» (М.: Недра, 1964).

ВНИИБТ разработала теоретические основы бурения таких скважин и предложила эффективную технологию их проводки. Во ВНИИБТ был соз­ дан целый ряд технических средств, успешно применявшихся при бурении МЗС и ГС в Куйбышевской области, на Западной Украине, Восточной Си­ бири.

Всемидесятых годах в промышленных масштабах началось бурение ГС за рубежом. Лидером обоснованием бурения ГС стал Французский инсти­ тут нефти, взявший за основу исследования советских ученых. В связи с технико-технологической сложностью строительства ГС зарубежные фир­ мы резко увеличили ассигнования на научно-исследовательские работы по горизонтальному бурению. За короткие сроки они сконструировали и про­ вели промышленные испытания новых забойных двигателей, долот, теле­ метрических систем и другого оборудования, позволяющего достигнуть вы­ соких технико-экономических показателей и решить проблемы геофизиче­ ских исследований в ГС и МГС.

Вместе с тем, из-за резкого увеличения добычи более доступной нефти в Западной Сибири снизился интерес к бурению МЗС и ГС в СССР. Россий­ ские технологии не внедрялись, наметился застой.

В1978—1979 гг. начинается третий этап. Возрастает интерес к бурению ГС в США. Опыт эксплуатации ГС на нескольких месторождениях уже к 1982 г. показал наиболее полное извлечение с их помощью из недр углево­ дородов, особенно там, где традиционные методы неэффективны.

Развитие горизонтального бурения во Франции в эти годы стимулирует­ ся необходимостью разработки нефтяных месторождений Лак-Супериор и Кастера-Му на глубинах 3 км и шельфового месторождения Распо-Маре в Италии, где высоковязкая нефть находится в карстовых ловушках. Фирма «Эльф-Акитен» здесь установила рекорд, пробурив ГС с длиной горизон­ тального ствола 2 км, достигнув 15-кратного увеличения дебита на место­ рождении Распо-Маре.

Четвертый этап начался в 1985—1986 гг. Центр развития бурения ГС уверенно переместился в США. Успехи фирмы «Эльф-Акитен» вызвали большой интерес у многих американских нефтяных фирм. Активно разбу­ ривалось горизонтальными скважинами месторождение Прадхо Бей, сло­ женное низкопроницаемыми известняками. Резко возросли объемы буре­ ния ГС в шельфовой зоне Северного моря (Дания, Норвегия, Англия). К 1989 г. было пробурено 51 ГС в США и 30 — в Европе.

Внастоящее время во многих нефтедобывающих регионах успешно бурятся ГС и МЗС, например, в США — до 2000 таких скважин в год. Достигнуты высокие результаты в технике и технологии строительства, особенно в телеметрическом контроле за траекторией ствола. Максималь­ ная длина горизонтального ствола в Калифорнии достигла 3865 м. В

В России в 1990 г. было построено 12 ГС, в 1991 г. — 44 (в Западной Си­

бири — 13), в 1992 г. — 32 ГС, в 2000 г. — 393 ГС и 696 боковых стволов, в 2006 г. - 503 ГС и 803 БС.

На 01.2005 г. в ОАО «Сургутнефтегаз» проведено бурение БС в более 1000 бездействующих и малодебитных скважин, в том числе более 20 из них двухствольные и четырехствольные, из которых дополнительно добыто бо­ лее 6.9 млн. тонн нефти. Ожидаемая добыча из них до критической обвод­ ненности 97 % превысит 17.6 млн. тонн [6].

Аналогичные широкомасштабные работы по бурению БС ведутся в ОАО «Татнефть» и «Башнефть», где боковые стволы построены из бездействую­ щих скважин в более чем 100 объектах.

На начало 1994 года в мире было пробурено более 6500 ГС и БГС (боко­ вых горизонтальных стволов). Ежегодный прирост в последние годы соста­ вил более 2000 ГС, в то время как в России за тот же период пробурено около 350 ГС и РГС [1,7, 8]. При этом по причине глубокого кризиса неф­ тедобывающей отрасли не была реализована широкомасштабная государст­ венная программа «Горизонт» по созданию новых технологий и техниче­ ских средств для строительства и эксплуатации ГС, а также не реализовано внедрение новых систем разработки нефтяных месторождений горизон­ тальными скважинами.

Сегодня лидером в области бурения и эксплуатации ГС и БГС являют­ ся США [4, 9]. Здесь на 114 залежах пробурено 4620 скважин или 70 % ГС мира, несмотря на то, что США вышли на промышленное внедрение тех­ нологий горизонтального бурения (ГБ) позднее бывшего СССР и Фран­ ции. Темпы бурения ГС в США в настоящее время составляют более 1000 скважин в год. Основные объекты разработки: трещиноватые низкопрони­ цаемые пласты (с целью пересечения природных трещин и повышения продуктивности), меловые отложения остин в Техасе (79 %), глинистые сланцы аккен в Северной Дакоте (5 % ГС) и отложения ниобрара в Коло­ радо и Северной Дакоте (5 % ГС). Остальные 14 % ГС пробурены в раз­ личных формациях для предотвращения образования конусов воды и газа (Аляска, Калифорния, побережье Мексиканского залива), для разработки месторождений, приуроченных к рифовым массивам и другие. Большин­ ство ГС пробурено в карбонатных породах, однако ожидается рост буре­ ния ГС и в терригенных породах в связи с успешным решением вопросов технологии бурения в данных формациях. Второе место после США зани­ мает Канада, где на 220 залежах пробурено более 2000 ГС (около 25 % ГС мира).

Большинство ГС в Канаде бурится в условиях образования и подтягива­ ния конусов воды и газа. Около 45 % ГС пробурены на месторождениях тя­ желых нефтей, в основном с высокопроницаемыми терригенными коллек­ торами, где они применяются преимущественно в сочетании с вертикаль­ ными нагнетательными скважинами. Остальные направления горизонталь­ ного бурения в Канаде связаны с использованием ГС для разработки низ­ копроницаемых и маломощных пластов.

ГС и БГС в настоящее время бурятся в большинстве нефтедобывающих стран Западной Европы (преимущественно на морских месторождениях), на Ближнем и Среднем Востоке, в Австралии и Индонезии. Значительно возрос объем горизонтального бурения в России. В последние годы наи­ большее количество горизонтальных скважин пробурено на месторождени­ ях Западной Сибири и достигло более 200 ГС в год. Столь широкое и ин­ тенсивное развитие ГБ и у нас в стране стало возможным благодаря, вопервых, крупным капитальным вложениям в научно-исследовательские и опытно-промышленные работы, во-вторых, промышленному внедрению

ряда эффективных технологий, в том числе закупаемых Россией по импор­ ту. К таким технологиям относятся:

—применение КНБК с управляемыми забойными двигателями;

—применение долот с поликристаллическим алмазным вооружением;

—применение буровых растворов с улучшенными реологическими ха­ рактеристиками и новых экологически чистых систем (например, биополимерных типа Flo-Pro и др.);

—управление траекторией ствола с помощью телеметрического и геоло­ гического контроля;

—селективное заканчивание скважин;

—использование современных геофизических средств;

—широкое внедрение трехмерной сейсморазведки;

—компьютерная обработка геофизических данных;

—проводка скважин с несколькими горизонтальными стволами. Каждая из перечисленных технологий внесла свой вклад в повышение

эффективности использования ГС и БГС, а практическая реализация дос­ тигается за счет комплексного технологического подхода, объединяющего опыт специалистов многих компаний. Это позволяет быстро и надежно ре­ шать задачи увеличения добычи нефти и газа и улучшения охвата пластов дренированием.

Анализ зарубежного опыта решения вопросов, связанных с использова­ нием ГС при разработке нефтяных месторождений, позволяет сделать сле­ дующие выводы:

1.Реализованных систем разработки с применением только ГС в сочета­ нии с заводнением пока нет. В настоящее время ГС используются в основ­ ном в сочетании с вертикальными (ВС) и наклонно направленными сква­ жинами (с углом входа ствола в продуктивный пласт менее 10°).

2.Мало данных по накопленной добыче нефти из ГС, конечной нефте­ отдаче и экономической эффективности ГС.

3.Считается, что добывающие ГС почти во всех случаях позволяют уве­ личить темпы отбора нефти и коэффициент нефтеизвлечения.

По зарубежному опыту производительность ГС существенно выше про­ изводительности ВС за счет увеличения площади дренирования: в трещи­ новатых коллекторах — в 4—100 раз, в поровых — в 2—8 раз. В среднем от­ ношение продуктивности ГС к продуктивности ВС составляет в США — 3,2, в Канаде — 4,1. В среднем накопленный отбор нефти на одну ГС в 2,5 раза превышает накопленный отбор на одну ВС [3, 4].

Текущий коэффициент нефтеотдачи по зарубежным месторождениям за последние 5 лет повысился благодаря ГБ в среднем на 30 %. Конечный ко­ эффициент нефтеизвлечения на месторождениях США и Канады при при­ менении ГБ увеличивается по отношению к ресурсам нефти в среднем на 1 -2 % [4, 7, 8, 9].

По данным ВНИИОЭНГ, конечная нефтеотдача залежей за счет приме­ нения ГС должна увеличиваться в среднем на 10—15 %, по данным БашНИПИнефть - на 20 % [1, 10].

4. Технологическая эффективность ГС за рубежом и в России различна. Если за рубежом более 90 % ГС оправдывают прогнозы и по ним увеличи­ ваются дебиты и накопленная добыча нефти, то в России, по имеющимся данным, успешными являются (без учета скважин с кратковременным эф­ фектом) около 50 %.

Одна из основных причин низкой эффективности ГС в России — не­ удовлетворительное геолого-геофизическое информационное обеспечение проектов разработки месторождений горизонтальными скважинами, осо­

бенно на стадии их доразработки, преждевременные прорывы воды и газа, а также недостаточная протяженность горизонтальных стволов, кольматация призабойной зоны из-за несовершенства технологии их строительства.

5. ГС могут значительно увеличить объем вовлекаемых в разработку гео­ логических запасов нефти и газа.

Причины возможного увеличения запасов за счет применения ГС сле­ дующие:

а) пересечение трещин в пластах, запасы которых не могут быть эффек­ тивно выработаны вертикальными и наклонно направленными сква­ жинами;

б) вовлечение в разработку тонких и слабопроницаемых пластов, а также существенной части тех запасов нефти и газа, которые относятся к ка­ тегории некондиционных;

в) снижение темпов образования конусов воды и газа, за счет чего появ­ ляется дополнительная возможность извлечь больше нефти до проры­ ва воды;

г) увеличение возможностей регулирования режимов вытеснения нефти водой.

6. Для оценки экономической эффективности отдельных ГС за рубежом часто используется показатель прибыли — отношение относительной про­ дуктивности по ГС и ВС к соответствующим относительным затратам. Средний показатель прибыли от ГБ в США составляет 1,6, а в Канаде — 1,86 [4].

С точки зрения литологии в США более эффективны для использования ГС карбонаты (показатель прибыли 2,17), в то время как для терригенных пород он составляет 1,27. В Канаде самый высокий показатель прибыли да­ ет применение ГС в залежах тяжелой нефти — 2,24.

Стимуляция ГС за счет ГРП, кислотных обработок, интенсификации промывки не оказывает заметного влияния на эффективность их работы.

7.Значительными преимуществами, по сравнению с одиночными ГС, обладают многоствольные скважины и РГС, так как большое число ответв­ лений позволяет охватить дренажом большую толщу продуктивного объек­ та. Поэтому большинство ГС в настоящее время за рубежом бурится в рам­ ках проектов строительства многоствольных и разветвленно-горизонталь- ных скважин.

8.Область применения ГС, БГС и РГС продолжает расширяться. Поми­ мо использования их для освоения трещиноватых, малопроницаемых и тонких пластов, при разработке месторождений тяжелых нефтей и морских месторождений, начинает осваиваться технология разработки небольших месторождений одной горизонтальной скважиной.

Новым актуальным применением ГС стало их использование в качестве нагнетательных (1992 г.) [7].

9. Стоимость ГС во всем мире резко уменьшается за счет совершенство­ вания технологии горизонтального бурения и оборудования для их строи­ тельства. Фактическая стоимость первых ГС превышала стоимость ВС в 2— 3 раза. В 1992 г. средняя стоимость одного метра вертикальной скважины в США составляла 128,7 $, а горизонтальной — 291,9 $.

10. Анализ промыслового опыта применения ГС в различных геолого­ физических условиях позволяет выделить три основные группы парамет­ ров, определяющих успешную работу ГС [1, 3, 11].

10.1. Параметры, характеризующие свойства продуктивного пласта и пластовых жидкостей. Сюда относятся абсолютная проницаемость, анизо­ тропия, толщина, трещиноватость (интенсивность и ориентация трещин),

вскрытия его ГС и составление уточненной модели должны базироваться на комплексном использовании геологических, геофизических и петрофи­ зических данных, а также информации, полученной в процессе испытания и эксплуатации ВС. Для реализации этих задач необходимо создать ком­ плексные группы специалистов, способные практически реализовать так называемый мультидисциплинарный подход к решению проблем разработ­ ки нефтяных и газовых месторождений ГС [3, 15, 16].

Технология разработки нефтяных месторождений с применением гори­ зонтальных скважин (ГС) уже широко внедряется в практику освоения нефтяных месторождений в мире. В Российской Федерации начало актив­ ного освоения технологий строительства ГС и БГС приходится на первую половину 90-х годов [13, 17, 18, 19].

Так, к концу 1996 г. на месторождениях Татарстана находились в экс­ плуатации около 90 ГС и БГС. В 1997—1998 гг. было пробурено еще 7 гори­ зонтальных скважин на турнейские карбонатные отложения [20]. В послед­ ние годы на месторождениях ОАО «Татнефть» 20—30 % от общего фонда скважин реконструируется бурением из них боковых стволов с горизон­ тальным окончанием и только 2—3 % новых скважин бурится с горизон­ тальным окончанием ствола.

Более 50 горизонтальных скважин пробурено в Башкортостане, специа­ листами которого оказывается научно-техническая помощь по проводке ГС в других нефтяных регионах Российской Федерации [21].

Первая горизонтальная скважина в Удмуртии была пробурена в конце 1992 г. на Мишкинском месторождении при технологическом сопровожде­ нии сотрудников БашНИПИнефть. Контроль за траекторией обеспечивал­ ся телесистемами ЗИС-4 производства ВНИИГИС (г. Октябрьский) [19, 22]. Бурение осуществлялось по трехинтервальному профилю с разворотом азимута на 35° в нефтеносных карбонатных отложениях черепетской зале­ жи. Горизонтальный участок был проведен в десятиметровом вертикальном «коридоре». Для совершенствования технологии горизонтального бурения в 1993 году была создана служба горизонтального бурения в составе 60 спе­ циалистов, в которую по опыту бурения ГС в США вошли инженеры-тех­ нологи по бурению скважин, геологи, специалисты АСУ и др.

В настоящее время в Удмуртии на Мишкинском месторождении пробу­ рено более 30 горизонтальных скважин, в том числе со спуском вертикаль­ ной технической колонны на глубину 150 м (выше заданного коридора бу­ рения) — 10 скважин. Скважины пробурены в 3—4 метровом вертикальном коридоре. В большинстве скважин в соответствии с требованиями заказчика в продуктивных отложениях произведен разворот по азимуту на 30—40 град.

Опыт бурения первых горизонтальных скважин выявил ряд проблем, из которых главной было отсутствие надежных средств контроля за траектори­ ей скважин и проведения ГИС в горизонтальном участке ствола скважины.

Широкое внедрение горизонтального и наклонно направленного буре­ ния с большими отклонениями забоев скважин от вертикали стало возмож­ но благодаря ряду достижений в технике и технологии, важнейшими из ко­ торых являются:

—появление надежных систем измерения параметров в процессе буре­ ния в реальном масштабе времени (MWD, LWD);

—разработка и внедрение широкой гаммы винтовых забойных двигате­ лей;

—освоение высокопроизводительных долот, позволяющих пробурить значительные участки ствола скважины (в том числе горизонтальные) за один-два рейса;