Динамика цен последних лет на углеводородное сырье заставляет компании — операторы выбирать наиболее эффективные и в то же время рентабельные технологии бурения, стремиться к сокращению непроизводительного времени, минимизировать затраты, связанные со строительством новых скважин и вторичным освоением существующего фонда.
Ключевые слова: управляемые винтовые забойные двигатели, роторные управляемые системы, эффективность направленного бурения
На сегодняшний день наиболее востребованным видом наклонно-направленного бурения являются протяженные горизонтальные скважины и скважины с большим отходом от устья. Сложность бурения подобных скважин компенсируется повышенной эффективностью извлечения углеводородов из них за счет увеличенной площади контакта с продуктивным пластом. Строительство таких скважин сопряжено с рядом технологических и технических проблем, решение которых является одним из приоритетных направлений развития бурения.
Со второй половины прошлого столетия подавляющее большинство наклонно-направленных скважин бурят с применением управляемых забойных двигателей (далее по тексту ВЗД). Использование данной технологии обусловлено простотой и надежностью конструкции, сравнительно невысокой стоимостью эксплуатации и обслуживания, а также широким спектром конфигураций, предназначенных под конкретные параметры и задачи направленного бурения.
Однако, при явных достоинствах использования управляемых забойных двигателей, имеется ряд существенных недостатков, обусловленных конструктивными особенностями и режимами использования ВЗД. Наиболее значимыми из них являются:
‒ Бурение с использованием винтового забойного двигателя не позволяет достичь равномерного искривления ствола скважины: траектория состоит из чередующихся участков условно прямолинейных отрезков роторного бурения с вращением всех элементов бурильной колонны и участков направленного бурения в режиме скольжения КНБК с созданием участков высокой локальной интенсивности искривления. Это вызывает рост крутящего момента при вращении компоновки, повышенный износ замковых соединений бурильных труб, затруднения в процессе спуско-подъемных операций (СПО) и спуска обсадной колонны.
‒ При вращательном бурении с использованием ВЗД изгиб отклоняющей секции заставляет вращаться долото с отклонением от своей оси, что становится причиной большего диаметра ствола и выработку спиралевидной канавки. Стенки ствола скважины получаются более шершавыми, что повышает скручивание и осевые нагрузки на бурильную колонну. Это так же может вызвать проблему при спуске оборудования для заканчивания скважины.
‒ В процессе углубления забоя скважины, при росте зенитного угла и увеличения отхода от устья, возникает проблема равномерной подачи нагрузки на элементы низа бурильной колонны (долото — ВЗД) и как следствие низкой эффективности направленного бурения. Наиболее пагубно это сказывается при бурении горизонтальных участков, зачастую являясь главной причиной несоблюдения плановой траектории ствола скважины, выход за границы продуктивной зоны, и недохождения до расчетного забоя секции.
‒ Технологической особенностью использования объемного винтового забойного двигателя является увеличение дифференциального перепада давления при росте нагрузки на долото в процессе бурения. Исходя из опыта эксплуатации, в большинстве случаев, максимальный рабочий перепад ВЗД достигается при неполной допустимой нагрузке на породоразрушающий инструмент. Кроме того, несоблюдение условий плавного касания забоя и последующего равномерного увеличения нагрузки на долото в процессе бурения, вызывает скачкообразный рост дифференциального перепада, что в свою очередь снижает ресурс ВЗД, компонентов телеметрических систем, а также наземного оборудования и буровых насосов.
‒ Увеличение угла перекоса отклоняющей секции ВЗД создает ограничение на частоту вращения бурильной колонны, что в свою очередь влияет на качество очистки ствола скважины в процессе бурения и проработки. Обратная проработка снизу-вверх является эксплуатацией вне спецификации и может привести к повреждению отклоняющей секции и разрушению блока подшипников шпинделя ВЗД.
‒ Низкая скорость проходки в режиме направленного бурения увеличивает вероятность возникновения прихвата элементов КНБК.
‒ Самопроизвольное искривление ствола скважины под действием геологических условий и параметров бурения.
Эти и прочие факторы могут привести к возникновению осложнений при бурении и заканчивании скважин, что значительно увеличивает временные, и как следствие, финансовые затраты нефтегазодобывающих компаний.
Решением указанных проблем явилось создание автоматизированных систем управляемого роторного бурения. Их использование обеспечивает непрерывный контроль траектории скважины с постоянным вращением элементов компоновки низа бурильной колонны (КНБК), что значительно упрощает проводку скважин сложной траектории, в том числе с протяженным горизонтальным участком, позволяет бурить скважины с высоким индексом DDI (индекс сложности бурения).
Эффективность применения роторных управляемых систем (РУС) определяется следующими обстоятельствами:
‒ Достижение плавного и равномерного искривления профиля ствола скважины на всех участках пробуренного интервала за счет отсутствия интервалов направленного бурения (Рис 1);
Рис. 1. Сравнение плановой и фактической траектории ствола скважины
‒ Сокращение времени бурения секции за счет отсутствия таких технологических операций как ожидание сигнала забойной телеметрической системы для определения направления отклонителя и ориентирование ВЗД.
‒ Увеличение механической скорости проходки (МСП) в режиме 100 % роторного бурения по сравнению с направленным бурением при использовании ВЗД (Рис 2.)
Рис. 2. Сравнение МСП в роторе и средней суточной МСП (с учетом направленного бурения)
‒ Увеличение скорости проходки и длины горизонтального участка за счет снижения сил трения между колонной и стенками скважины вследствие вращения всей колонны, равномерное доведение нагрузки, на долото и отсутствие дифференциального перепада давления;
‒ Улучшение очистки забоя за счет бурения с постоянным вращением бурильной колонны. При использовании роторных управляемых систем не создается зауженных интервалов ствола скважины, что положительно сказывается на качестве очистки ствола от выбуренной породы (рис 3);
Рис 3. Сравнение профилей стволов после применения РУС (а) и ВЗД (б)
‒ Снижение риска возникновения механического и дифференциального прихватов, поскольку нет неподвижных элементов КНБК, контактирующих со стенкой ствола скважины или обсадной колонной;
‒ Наличие наддолотного инклинометра в отклоняющем переводнике обеспечивает контроль траектории скважины в режиме реального времени, что позволяет определить эффективность срезки при бурении боковых стволов (Рис.4);
Рис. 4. Графическое представление расстояния от долота до инклинометра.
Обеспечивается возможность применения при бурении скважин с высокими пластовыми температурами и давлениями, в которых ограничено применение ВЗД.
На практике, при строительстве скважины с горизонтальным окончанием, для бурения вертикального участка, как правило, используют традиционную роторную забойную компоновку. После достижения точки отклонения скважины от вертикали производится смена КНБК, в которую включают управляемый забойный двигатель. После достижения долотом целевого пласта, производится подъем и замена элементов бурильной колонны с включением расширенного комплекса геофизического исследования скважины (ГИС). Использование роторной управляемой системы, позволяет бурить вертикальные, искривленные и боковые участки скважины при помощи одной забойной компоновки, тем самым повышая эффективность бурения, скорость проходки и качество ствола скважины. Датчики, входящие в базовый состав системы, предоставляют обширный диапазон данных ГИС транслируемых в режиме реального времени, что позволяет использовать геонавигацию в бурении.
Резюмируя, можно утверждать, что технология бурения скважин с применением роторных управляемых системам имеет ряд преимуществ перед остальными существующими технологиями направленного бурения. Так, при бурении с применением РУС, механическая скорость бурении возрастает в среднем в 2 раза, по сравнению с бурением винтовым забойным двигателем, что обеспечивает существенную экономию времени бурения, и как следствие снижение затрат компании — оператора.
Стоимостной критерий является наиболее существенным препятствием широкому внедрению роторных управляемых систем. Если согласно геологическим данным основные осложнения связаны с неустойчивостью ствола скважины, что может привести к потере компоновки низа бурильной колонны, то более обоснованным станет выбор именно забойного двигателя.
В настоящее время исследования по повышению эффективности использования роторных управляемых систем позволяют выделить перспективные направления разработок в области РУС: оптимизация и удешевление конструкции управляемых систем, использование комбинированных компоновок, которые позволяют максимально использовать преимущества роторных управляемых систем и модульных винтовых забойных двигателей, работающих совместно.
Литература:
- Шевченко И. А. Развитие технологии управляемого роторного бурения при строительстве скважин с субгоризонтальным профилем [Текст] // Технические науки в России и за рубежом: материалы III междунар. науч. конф. (г. Москва, июль 2014 г.). — М.: Буки-Веди, 2014.
- Акбулатов Т. О. Роторные управляемые системы: учебное пособие / Т. О. Акбулатов, Р. А. Хасанов, Л. М. Левинсон — Уфа: УГНТУ, 2006. 6. Хасанов Р. А. Роторные управляемые системы. Преимущества и недостатки: материалы научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых № 55, 2004.
- Фелцак Э., Торре А., Годвин Н., Мантл К., Нагнатан С., Хокинс Р., Ли Ке, Джонс С., Слейден Ф. Гибридная роторная управляемая система бурения — сочетание лучшего // Нефтегазовое обозрение. — 2012. — Т.23, № 4. — С.60–52.
- Шевченко И. А. Бурение скважин с большим отходом от вертикали с использованием роторных управляемых систем при контроле геофизических параметров в режиме реального времени // Естественные и технические науки. — 2014. — № 1/2. — С.36–39.
- Matheus J., Ignova M., Hornblower P. A hybrid approach to closed-loop directional drilling control using rotary steerable systems // SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, 21–23 May, Maracaibo, Venezuela. — P. 84–89.
- Kelly K. Rotary steerables. Enable extended-reach and precision control in tight zones // Oil&Gas. EURASIA. — 2012. — № 6. — P. 44–46.
