Использование роторных управляемых систем (РУС) для бурения горизонтальных скважин повышает точность и эффективность бурения. Предложенная технология с роторной бурильной колонной позволяет точно контролировать направление бурения и стабилизировать процесс без дополнительных операций подъема и спуска оборудования.
Ключевые слова: роторная бурильная колонна, роторные управляемые системы, управление бурением, горизонтальные скважины.
По данным статистических исследований в области надежности забойных двигателей, основным фактором отказа, в 90 % случаев, является повреждение рабочей пары, в частности, износ или полное разрушение резиновой обкладки статора. Это, в свою очередь, приводит к значительному сокращению срока службы винтового забойного двигателя.
Для бурения горизонтальных скважин был предложен метод, основанный на применении роторной бурильной колонны. В этом процессе вращение обеспечивается либо с помощью роторного механизма, либо через верхний привод, обеспечивая при этом вращение на всех участках профиля скважины. Эта технология представляет собой инновационный подход с использованием роторных управляемых систем, установленных в нижней части бурильной колонны, которые способны обеспечивать точный контроль направления бурения, стабилизацию процесса и минимизацию углов наклона скважины по всей её длине, не требуя дополнительных операций подъема и спуска оборудования [1].
Введение роторных управляемых систем стало важным шагом вперед в технологическом прогрессе буровой отрасли, существенно улучшившим существующие методы бурения и дополненным другими инновациями последних десятилетий. Технология управляемого роторного бурения (УРБ) продолжает активно развиваться и внедряться, предлагая новые возможности для более эффективного и точного бурения.
Инструмент для управления процессом роторного бурения Geo-Pilot был разработан в рамках сотрудничества между компаниями Sperry-Sun (сейчас часть Halliburton) и Японской национальной нефтяной корпорацией (JNOC). Этот инструмент предоставляет возможность точного контроля ориентации долота в процессе роторного бурения с использованием метода «point-the-bit», при котором происходит отклонение вала внутри внешнего корпуса.
Механизм отклонения вала был разработан компанией JNOC, а управляющий инструмент был создан специалистами Sperry. Геометрия инструмента Geo-Pilot включает в себя вал, который размещен на подшипниках внутри внешнего корпуса длиной 6 метра. На обоих концах корпуса установлены вращающиеся уплотнения, которые обеспечивают герметичность и защиту внутренних механизмов инструмента (рисунок 1) [1].
Рис. 1. Роторная управляемая система Geo–Pilot
Бурильная труба служит для соединения вала с верхним приводом, передавая крутящий момент на долото. Внешний корпус может свободно перемещаться вдоль оси скважины, однако его вращение ограничено стабилизатором, установленным в верхней части корпуса. Для точного позиционирования в стволе увеличенного диаметра на верхней части корпуса находятся три группы подпружиненных роликов. Направление вращения внешнего корпуса совпадает с вращением долота, что предотвращает превышение предельных оборотов корпуса по сравнению с долотом. Изначально на нижнем конце корпуса был предусмотрен стабилизатор, который передает нагрузку от вала [2].
Принцип работы инструмента заключается в том, что вращающийся вал отклоняется в центре между подшипниками с помощью эксцентриковых кулачков. Это вызывает наклон долота в противоположную сторону. Для обеспечения долговечности и надежности системы Geo-Pilot все подшипники, уплотнения и другие подвижные детали внутри инструмента погружены в смазочное масло. Пара эксцентриковых кулачков, расположенная между подшипниками, отклоняет центральную часть вала, заставляя долото наклоняться в противоположную сторону. Когда кулачки выравниваются, механизм сбалансирован, и бурение продолжается в прямом направлении.
Основная цель технологии заключается в управлении направлением долота, а не просто в его отклонении в сторону. Это дает преимущество при использовании долот с длинной калибрующей частью, которые более точно следят за направлением ствола скважины, не отклоняясь от центральной линии и оставаясь в центре ствола. Благодаря такой конструкции долота становятся более стабильными, что снижает вибрацию, дополнительно уменьшенную за счет отсутствия гидравлического забойного двигателя.
В начале бурения наклонно-направленных скважин с применением ВЗД (винтовых забойных двигателей) этот метод может быть экономически оправдан. Однако при завершении бурения могут возникнуть проблемы, которые приведут к значительным временным и финансовым затратам. Часто такие проблемы возникают из-за неравномерного диаметра ствола и микроискривлений, что усложняет опускание обсадной колонны. Длинные горизонтальные и наклонные участки, когда нижняя часть бурильной колонны касается стенки скважины и может скручиваться, затрудняют поддержание точного положения отклонителя.
Роторная управляемая система не использует режим скольжения для контроля направления скважины, вместо этого она может быть настроена для изменения скорости вращения бурильной колонны и регулирования пульсаций давления с использованием специализированного наземного оборудования. Это позволяет точно и оперативно управлять траекторией бурения. Однако, несмотря на это, анализ реальных данных показал, что в некоторых случаях фактическая траектория бурения может значительно отклоняться от проектной, что может привести к образованию каверн и уступов в стволе скважины. Это затрудняет продвижение бурильной колонны и увеличивает вероятность возникновения технических проблем [4].
Бурение с использованием забойного двигателя в режиме вращения сопряжено с рядом проблем, которые снижают его эффективность:
– Вращение долота, обеспечиваемое забойным двигателем, увеличивает нагрузку на вращение бурильной колонны с ротором, что снижает эффективность роторного бурения и способствует большему износу вооружения и опор долота;
– Вращение бурильной колонны создает значительные радиальные и осевые нагрузки на забойный двигатель, что ускоряет его износ и повышает вероятность его отказа. Кроме того, забойный двигатель может застрять, что приводит к проблемам с циркуляцией и требует подъема для выявления причин поломки;
– Геометрические ограничения забойного двигателя сдерживают возможность установки стабилизаторов и калибраторов, а также затрудняют применение форсированных режимов бурения, которые могли бы повысить его эффективность.
Сравнение стволов скважины при бурении с ВЗД (винтовыми забойными двигателями), а также при использовании технологий «push the bit» и «point the bit» представлено на рисунке 2.
Рис. 2. Сравнение методов «push the bit» и «point the bit» для боковых стволов
Исследования, проведенные в 2022 году на одной скважине, показали, что при бурении с использованием роторных управляемых систем (РУС) был получен сглаженный ствол скважины. Это подтверждается данными стационарных замеров и непрерывными показаниями зенитного угла в процессе бурения, что напрямую влияет на качество строительства скважины, включая геофизические исследования (ГИС), спуск эксплуатационной колонны и цементирование.
Использование роторных управляемых систем значительно увеличивает механическую скорость проходки и сокращает время бурения за счет равномерной работы долота, исключая необходимость подъема долота для изменения геометрии забойного двигателя. Система также улучшает очистку скважины от шлама, что позволяет сократить время на промывку перед наращиванием и спуском обсадной колонны. Кроме того, роторная система снижает динамические скачки давления и уменьшает вероятность гидроразрыва пород, что делает процесс бурения более безопасным. Существенно повышается качество ствола скважины: минимизируется микрокривизна и отсутствует спиральная выработка, благодаря постоянному контролю положения режущей поверхности долота, что способствует успешному завершению бурения [3].
Однако применение РУС сопряжено с рядом трудностей. Одним из основных недостатков является необходимость использования верхнего привода и сложности обслуживания на буровой, требующие привлечения квалифицированного персонала со стороны подрядчика. Также возникает необходимость интеграции дополнительных датчиков в систему буровой установки, а также существуют ограничения по расходу бурового раствора и мощности буровых насосов. Использование специализированных долот повышает стоимость бурения, а высокие затраты на оборудование РУС делают его трудно страхуемым, что приводит к тому, что весь риск утраты оборудования ложится на заказчика.
Тем не менее, внедрение роторных управляемых систем помогает снизить аварийность, так как уменьшается риск прихвата бурильной колонны, повышается устойчивость стенок скважины и снижается вероятность осложнений при спуске и цементировании обсадных колонн. Это также улучшает качество ствола скважины и позволяет более точно следовать запланированному профилю. В результате, можно прогнозировать сокращение времени на бурение на 10–15 %, экономию электроэнергии на 5–10 % и снижение расхода бурового раствора и химических реагентов на 15–20 %.
Литература:
- Атласов Р. А., Скрябин Р. М., Туги Э. Р., Николаева М. В., Иванов А. Г., Бердыев С. С. Пути совершенствования строительства скважин в многолетнемерзлых породах // Наука и образование. — 2015. — № 3 — (79). — С. 54–58.
- Булатов А. И. Бурение горизонтальных скважин [Текст] / А. И. Булатов: справочное пособие. — Краснодар: Издательство «Советская Кубань», 2008. — 419 с.
- Гнибидин В. Н., Ткаченко В. И. Повышение эффективности процесса бурения винтовыми забойными двигателями // Научные достижения и передовой опыт в бурении. 1991. № 10.
- Калинин В. Роторные возможности управляемого бурения // Сибирская нефть. — 2012. — № 9. — С. 36–41.
