Анализ систем наклонно-направленного бурения скважин с целью выявления целесообразности использования современных роторно-управляемых систем на Ванкорском нефтяном месторождении

В настоящее время системы наклонно-направленного бурения имеют большое значение для нефтяной промышленности при разработке морских месторождений, месторождений с ограниченным доступом к площадке размещения бурового оборудования, в регионах со сложными климатическими условиями и с протяженными по длине профилями горизонтальных участков скважин.

Формирование жестких требований к оптимальной технологии и технике наклонно-направленного бурения вызвано у специалистов стремлением продлить срок службы месторождений на море и на суше путем бурения боковых стволов из существующего ствола скважины, и заканчивания скважин с горизонтальным отрезком ствола. Эти решения позволяют увеличивать дебит и полноту извлечения углеводородов из пласта. Поскольку наклонные и горизонтальные скважины значительно дороже вертикальных, даже умеренное повышение эффективности их проводки может обеспечить значительную экономию.

Внедрение гидравлических забойных двигателей-отклонителей во второй половине прошлого столетия упростило проводку наклонных скважин [1]. Однако при использовании таких типов двигателей проявляются ряд проблем, особенно при бурении горизонтальных скважин в продуктивных пластах большой длины и малой мощности. Эти проблемы связаны с режимами использования забойных двигателей-отклонителей[2].

Зачастую при бурении геологически сложных интервалов скважин с малым радиусом допуска, целесообразно применять так называемые роторно-управляемые системы (РУС). Эти системы находят всё более широкое применение во всем мире в связи повышением требований к наклонному и горизонтальному бурению. Они имеют целый ряд преимуществ перед современными винтовыми забойными двигателями-отклонителями (ВЗД) [3].

В данной работе произведен анализ основных типов РУС, и оценена целесообразность их применения на скважине с горизонтальным участком ствола на Ванкорском нефтяном месторождении.

Итак,  проведем сравнительный анализ особенностей использования ВЗД и РУС при наклонно-направленном бурении нефтегазовых скважин.

Для начала рассмотрим особенности режимов использования управляемых забойных двигателей.

Управляемые двигатели осуществляют бурение в одном из двух режимов: во вращательном и направленном (скользящем).

При вращательном режиме роторный стол или верхний привод буровой установки вращают всю бурильную колонну с одновременной передачей осевого усилия на долото.

В скользящем режиме колонна не вращается, а вращается только нагруженное осевой силой долото. Поток бурового раствора направляется на забойный двигатель для приведения долота во вращательное движение.

Выбор конкретного двигателя и технологии его использования при бурении наклонно-направленных скважин во многом определяют способность компоновки наращивать, сохранять или уменьшать угол в процессе углубки скважины.  Обычная практика предполагает вращение бурового долота от вала забойного двигателя с одновременным вращением бурильной колонны с поверхности при малой интенсивности вращения для формирования прямолинейной траектории скважины [2]. Измерения наклона и азимута можно получать в режиме реального времени при помощи инструментов инклинометрии в процессе бурения. Для корректировки траектории скважины необходимо перейти с вращательного на скользящий режим.

Для перехода в скользящий режим необходимо остановить вращение бурильной колонны, чтобы технолог выполнил ориентацию изгиба забойного двигателя (задал угол торца бурильного инструмента) в направлении желаемой траектории. Это непростая задача, принимая во внимание крутящие силы, которые могут заставить бурильную колонну повести себя как сжатая пружина [2].

После учета крутящего момента долота, скручивания и контактного трения бурильной колонны необходимо с поверхности постепенно поворачивать бурильную колонну с небольшим шагом, используя измерения положения трассы скважины в процессе бурения для определения направления ее движения. Поскольку бурильная колонна может амортизировать крутящий момент на длинных интервалах, может потребоваться совершить несколько вращений на поверхности, чтобы только один раз провернуть снаряд в скважине. После подтверждения надлежащей ориентации торца породоразрушающего инструмента, бурение ведется с помощью забойного двигателя в заданном направлении. Эту процедуру повторяют несколько раз в процессе бурения, поскольку реактивный крутящий момент, возникающий при продвижении долота в породу, может вызвать изменение ориентации торца долота.

Каждый режим бурения сопряжен со своими трудностями. При вращательном бурении изгиб буровой забойной компоновки заставляет долото вращаться с отклонением от ее оси, из-за чего ствол скважины имеет несколько больший диаметр и спиралевидную канавку. Стенки ствола получаются более шершавыми, что повышает скручивающие и осевые нагрузки на бурильную колонну. Это также может вызвать проблемы при спуске в скважину оборудования для ее заканчивания – особенно на длинных горизонтальных участках.

В скользящем режиме недостаток вращения создает другие сложности. Если бурильная колонна прилегает к нижней стороне скважины, буровой раствор движется вокруг трубы неравномерно, что ослабляет способность раствора по отводу выбуренной породы. Это, в свою очередь, может привести к образованию слоя выбуренной породы или накоплению обломков на нижней стороне скважины, что повышает риск прихвата трубы. Скольжение также снижает имеющую мощность для вращения долота, что в сочетании с трением скольжения уменьшает скорость проходки и повышает вероятность прихвата под действием перепада давлений [2].

В стволах с большим отходом от вертикали силы трения могут расти до тех пор, пока осевой нагрузки станет недостаточно для преодоления торможения бурильной колонны о стенки скважины. Это делает дальнейшее бурение невозможным. Кроме того, смена режима бурения со скользящего на вращательный и обратно может создавать волнообразные неровности или резкие изгибы ствола.  Это повышает его извилистость, тем самым увеличивая трение в процессе бурения и спуска обсадной колонны или оборудования заканчивания скважины.

Некоторые из перечисленных проблем решаются с применением РУС.

Наиболее важная особенность РУС состоит в том, что она обеспечивает непрерывное вращение бурильной колонны, тем самым исключая необходимость ее скольжения в ходе наклонно-направленного бурения. Также РУС практически мгновенно реагирует на команды с поверхности, когда необходимо изменить траекторию скважины. Их применение обеспечивает высокую скорость проходки в связи с уменьшением количества СПО и отсутствием режима скольжения. Кроме того, улучшается качество ствола скважины, т.к. отсутствует изгиб в нижней части КНБК.

Наиболее распространенной РУС в наши дни является система компании Schlumberger – “Power Drive”. Принцип действия данной системы заключается в использовании отклонителей над долотом, которые позволяют создавать давление на боковую поверхность долота в направлении, противоположном действию отклонителей. При этом отклоняется вся РУС. В системе “Power Drive” основным элементом конструкции является стабилизатор-отклонитель (рисунок 1). На вращаемом приводном валу 1 размещается корпус невращаемого стабилизатора-отклонителя 2, в котором встроены блок электроники и датчики инклинометрии 5, управляющие гидравлическими клапанами 3, приводящими в действие отклоняющие опоры 4.

Отклоняющие опоры, управляемые независимо друг от друга при определенном выдвижении из корпуса, задаваемом электроникой, создают радиальное усилие к долоту с направлением и силой, соответствующей векторной сумме усилий на опорах (рисунок 2 ).

Итак, проведем оценку целесообразности использования данной РУС “Power Drive” для бурения горизонтального участка ствола скважины на Ванкорском нефтяном месторождении. В таблице 1 представлены технические данные роторно-управляемой системы “Power Drive Vortex475”.

                           Таблица 1. Технические данные РУС  “Power Drive Vortex475”.

Power Drive Vortex475
1	2
Номинальный диаметр	121 мм
Диаметр ствола	149-168 мм
Продолжение таблицы 1
1	2
Максимальный диаметр корпуса	137 мм
Общая длина	9 м
Максимальная интенсивность кривизна ствола скважины	15о/30м
Макс. Нагрузка на долото	133000 Н
Макс. Скорость вращения долота	250 об/мин.
Макс. температура	150 о С
Макс. Гидростатическое давление	138 МПа
Рекомендуемый перепад давления на долоте	1,4-5,2 МПа

В течение последних нескольких лет, бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин на Ванкорском месторождении ведется с использованием забойных двигателей-отклонителей [4]. Как отмечалось выше, они не обеспечивают качественную проводку скважин по наиболее продуктивным и протяженным участкам пласта, поэтому дебиты некоторых наклонно-направленных и горизонтальных скважин оказались недостаточно высокими.

Для того чтобы повысить эффективность бурения и оптимизировать цикл строительства скважин, проведем теоретическую оценку целесообразности применения РУС для проводки скважин в горизонтальных участках.

Продуктивный пласт Ванкорского нефтяного месторождения  состоит в основном из песчаника и минеральных солей. Мощность данного пласта относительно небольшая – около 15 м. Из-за отложений минеральных солей коллектор неоднороден по проницаемости, поэтому эффективная мощность еще больше сокращается и составляет всего 7-9 метров. Кроме того, прежде чем достичь продуктивный пласт, необходимо перекрыть отложения солей и аргиллитов [4]. Все эти факторы значительно снижают эффективность бурения скважин.

Исходя из описанной выше модели продуктивного пласта Ванкорского месторождения, целесообразно применение роторно-управляемой системы по причине  наличия малой мощности пласта и большой протяженности горизонтального участка. Кроме того, по данным группового рабочего проекта на скважину, технические характеристики РУС Power Drive Vortex подходят по гидростатическому давлению и максимальной температуре на забое буримой скважины.

Кроме этого, бурение скважины  под хвостовик выполняется долотом диаметром 152 мм, что соответствует диапазону ствола скважины (149-166 мм) для РУС Power Drive Vortex 475. Поэтому и с этой точки зрения целесообразно включить в компоновку низа бурильной колонны данную систему.

В пользу использования РУС также достаточно сложный профиль скважины с изменениями зенитного и азимутального углов. Интенсивность искривления данной скважины входит в диапазон максимальной интенсивности кривизны ствола скважины (табл. 1).

Конструкция бурового долота - еще один ключевой фактор для обеспечения высокой скорости проходки при использовании РУС. Для РУС “Power Drive Vortex 475” специалисты компании Schlumberger подбирают долота с помощью интегрированной платформы для проектирования долот IDEAS [5]. Она позволяет инженерам оптимизировать подбор долота на основании результатов моделирования всей буровой системы в целом.

В работе был проведен анализ особенностей использования винтовых забойных двигателей-отклонителей  и роторно-управляемых систем при наклонно-направленном бурении нефтегазовых скважин. Также был представлен принцип действия самой распространенной роторно-управляемой системы “Power Drive Vortex 475”. Исходя из технических данных данной системы, а также из групповых рабочих проектов по скважинам 110 куста Ванкорского месторождения была установлена техническая и технологическая целесообразность применения роторно-управляемых систем на данном месторождении.

Литература

1. Лягов А.В.  Динамические компоновки для бурения забойными двигателями. Автореф. дисс. на соискание уч. ст. д.т.н., Уфа, 2005, 47 с.
2. Панов К.Е.  Разработка и   совершенствование технических средств и технологий для бурения наклонно направленных, пологих и горизонтальных скважин. Автореф. дисс. на соискание уч. ст. к.т.н., Тюмень, 2006, 28 с.
3. Групповой рабочий проект горизонтальной скважины 190 куста Ванкорского месторождения.
4. Элизабет Хаттон, Эммануэль Регрейн. “Best of both worlds: a hybrid rotary steerable system”. Русский перевод статьи // Нефтегазовое обозрение – М., 2011, 13 с.
5. Сборник групповых рабочих проектов 110 куста Ванкорского месторождения // Групповой рабочий проект на 185 ,187, 188, 190, 596, 597, 606 скважины.

Работу выполнил: Дашиев Э.В.
Научный руководитель: доцент, д.т.н. Борисов К.И.