Совершенствование процесса бурения горизонтальных скважин на примере месторождения Бадра

Размещено на http://allbest.ru

Совершенствование процесса бурения горизонтальных скважин на примере месторождения Бадра

Аль-далбухи Мунтадер Садек Даас

Студент



Аннотация

Применение горизонтальных скважин за последние 10-15 лет стало одним из ключевых направлений повышения эффективности разработки как традиционных, так и вновь вводимых в разработку месторождений углеводородов. В данной статье рассматривается процесс бурения горизонтальных скважин с точки зрения повышения его эффективности.

Ключевые слова: скважина, горизонтальное бурение, бадра, месторождение, нефть.



Annotation

Improving the process of drilling horizontal wells on the example of the badra field

Al-dalbouhi Muntader Sadiq Daas

Student

The use of horizontal wells over the past 10-15 years has become one of the key areas for improving the efficiency of development of both traditional and newly introduced hydrocarbon deposits. This article discusses the process of drilling horizontal wells from the point of view of increasing its efficiency.

Key words: well, horizontal drilling, badra, field, oil.



Одна из первых горизонтальных скважин длиной 290 м была пробурена Лео Раннеем в обнажении песчаного пласта в Morgan County, Огайо. Ключевым моментом в развитии технологии горизонтального бурения стала зарезка горизонтальных стволов из вертикальных скважин. Большая часть ранних работ в этой области была связана с разработкой гибких составных бурильных колонн. Методики, основанные на работах, в которых применялись составные вращающиеся бурильные колонны, находящиеся внутри гибкой искривленной направляющей штанги, стали основой для методов, широко применявшихся компаниями Eastmen и позднее Eastmen Christensen. Используя данный метод, стало возможным бурить одну или несколько горизонтальных скважин на несколько сотен футов из существующих или специально пробуренных вертикальных скважин.

Другим методом, определившим развитие новой технологии, стало бурение с морских платформ наклонно-направленных скважин, особенно с большим отходом забоя от вертикали. В результате родилась технология бурения протяженных горизонтальных скважин. Из -за высокой стоимости морских платформ возможность бурения очень протяженных скважин с большим отклонением от вертикали трудно переоценить [1].

Большая часть из списка оборудования, применяемого для бурения скважин с большим (впоследствии и средним радиусом кривизны), а также горизонтальных скважин, была заимствована именно из данной технологии (например винтовые забойные двигатели (ВЗД) с кривыми переводниками и затем ВЗД с искривленными секциями). Появившиеся позднее технологии бурения с верхним приводом сделали возможным бурение и точную проводку длинных горизонтальных стволов [2].

В России первые горизонтальные скважины были освоены на месторождениях Татарстана, Башкортостана, в Удмуртии. Технологии разработки месторождений горизонтальными скважинами успешно применяются на месторождениях Западной Сибири. Так, на Новопортовском месторождении, расположенном на полуострове Ямал, компанией «Газпром нефть» в августе 2014 года была пробурена горизонтальная скважина с длиной горизонтального ствола более 1,5 тыс. метров при общей протяженности порядка 4,2 тыс. метров. При этом на 91% горизонтальный участок располагается в нефтенасыщенном пласте новопортовской свиты, который характеризуется высокой проницаемостью пород, что позволяет получать высокие дебиты без применения операций по гидроразрыву пласта (ГРП).

Высокая эффективность использования горизонтальных скважин для разработки нефтегазовых месторождений вызвала настоящий бум в этой отрасли. ГС бурятся в большинстве стран Европы, на Ближнем и Среднем Востоке, в Австралии и Индонезии.

Такое большое и интенсивное развитие горизонтальных скважин на западе появилось, благодаря значительным капитальным вложениям в научно-исследовательские работы по нефтяным и газовым скважинами, также, промышленному подключению ряда новейших технологий, к которым можно отнести:

- использование компоновок с управляемыми забойными двигателями;

- использование долот с поликристаллическим алмазным вооружением;

- применение гибких колонн НКТ;

- использование буровых растворов с улучшенными составами и более экологичных систем;

- контроль траектории ствола, с помощью геологического контроля;

- селективное заканчивание скважин;

- применение новейших геофизических средств;

- расширенное внедрение трехмерной сейсморазведки;

- цифровая обработка геофизических данных;

- проводка скважин с несколькими горизонтальными стволами [2].

Обычно бурение большинства горизонтальных скважин осуществляется по одной из трех траекторий: большого, среднего или малого радиуса кривизны, что проиллюстрировано на рисунке 1. Помимо этих трех вышеперечисленных наиболее распространенных технологий бурения, существуют еще две другие, используемые реже: технология, отвечающая ультрамалому радиусу, при которой R может равняться 0,3 м, и бурение скважин из подземных шахт в горизонтальном направлении без какого-либо искривления ствола [1].

Рисунок 1 - Траектория типовой горизонтальной скважины

За последние несколько лет в области технологий бурения произошли заметные положительные сдвиги. Достигнуто существенное снижение затрат благодаря применению отклонителей, винтовых забойных двигателей, буровых с верхним приводом, роторно-управляемым системам (РУС), систем измерения в процессе бурения (MWD - Measurements While Drilling) вместе с системами направленного бурения.

На текущей стадии разработки месторождения Бадра наиболее актуальной является задача извлечения углеводородов из слабодренируемых участков залежей.

Нефтяное месторождение Бадра (Badra field) расположено на территории провинции Вассит на востоке Республики Ирак (рисунок 3).

Площадь месторождения - 16х6 км². По предварительным оценкам, геологические запасы Бадры составляют 3 млрд баррелей нефти. Нефть легкая, близкая к сорту Brent, с плотностью API 34-35° и содержанием серы 3-4%.

Рисунок 3 - Обзорная карта района

Фактически на месторождении пробурено 22 скважины, из них в работе - 17 (3 горизонтальные). Суточная добыча нефти составляет 25000 барр./сут.

В настоящее время для проходки горизонтальных стволов активно применяются rotary steerable system (RSS) - роторные управляемые системы (РУС), в которых разрушение горной породы осуществляется вращением долота с бурильной колонной верхним приводом буровой установки или ротором, а также отклоняющие системы, сочетающие применение винтовых забойных гидродвигателей и РУС.

Возможности этих систем впечатляют: при высочайших точности (± 0,1) и оперативности данные системы способны осуществлять бурение скважин любой ориентации в пространстве протяженностью до 13 км непрерывными рейсами, протяженность которых может составлять более 1000 м. Современная отклоняющая система представляет собой беспилотный электронно-механический агрегат, управляемый дистанционно [5].

На рисунке 4 приведена блок-схема современной отклоняющей системы типа РУС.

Рисунок 4 - Блок-схема забойной отклоняющей системы: 1 - механизм искривления; 2 - привод механизма искривления; 3 - электроный блок управления приводом механизма искривления; 4 - источник электроэнергии (гидротубина или аккумуляторные батареи); 5 - телеметрия; 6 - электронный блок телеметрии; 7 - блок передачи и приема информации, передавамой с поверхности и к забойной системе; 8 - канал связи (гидроимпульсный, электромагнитный); 9 - приемное устройство и усилитель сигнала; 10 - компьютер; 11 - прибор для визуального контроля процесса бурения на буровой

бурение горизонтальный скважина барда

Эффективность РУС проявляется по следующим направлениям:

- улучшается вынос шлама, так как РУС не создает зауженных интервалов ствола скважины;

- повышается скорость проходки, поскольку эффективный вынос шлама препятствует его осаждению, что положительно влияет на процесс разрушения породы;

- повышается скорость бурения и длина горизонтального ствола за счет снижения силы трения между колонной и стенкой скважины вследствие вращения всей колонны;

- сокращается риск механического и дифференциального прихватов, поскольку нет неподвижных элементов РУС, контактирующих с обсадной колонной, отклонителем или стенкой ствола скважины.

Различают три типа РУС: реализующие механизм фрезерования стенки (push-the-bit), реализующие механизм ассиметричного разрушения забоя вследствие перекоса долота (point-the-bit), а так же РУС совмещающие эти два механизма.

В РУС реализующих механизм перекоса долота - (point-the-bit) используют внутренний изгиб вала отклонителя для изменения направления скважины. В такой системе точка изгиба вала находится внутри корпуса над долотом.

Ориентация изгиба вала контролируется с помощью серводвигателя, который вращается с той же скоростью, что бурильная колонна, но в обратном направлении. Это позволяет сохранить геостационарную ориентацию торца бурового инструмента при вращении колонны [5].

Рисунок 5 - Схема для расчета радиуса искривления РУС с изменением направления перекоса долота : 1 - долото; 2 - корпус; 3 - стабилизатор; 4 - труба; 5 - вал отклонителя; D_д - диаметр долота; D_o- диаметр корпуса; Бц- диаметр стабилизатора



Радиус искривления скважины для РУС с изменением перекоса долота, при отсутствии деформации корпуса, определяется выражением (рисунок 5):

где в - угол наклона отклонителя к оси скважины, град.

Угол в определяют по формуле:

Угол у создается при изгибе вала отклонителя и может определяться по формуле:

где А - угол отклонения вала при изгибе, град;

Для системы PowerDrive, имеющей следующие параметры: a = b = 2,25 м; li = 0,8 м; l₂ = 4,5 м; D_o = 244 мм, значения радиусов искривления при бурении долотом диаметром 295,3 мм и различных прогибах вала отклонителя приведены в таблице 1.



Таблица 1 - Расчетные данные радиуса искривления РУС PowerDrive

Диаметр центратора D^ мм	244	280
Прогиб вала А, мм	5	6	2	3	4	5
Угол перекоса, у	2,18	2,62	0,87	1,31	1,75	2,18
Радиус искривления R, м	438	194	475	200	126	93

В системе РУС с изменением направления перекоса или позиционирования долота (point-the-bit) используются механизм управления с эксцентриковой втулкой.

Схема работы устройства данного типа показана на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схемы работы РУС с позиционированием долота: a - положение системы, определяющей прямолинейное направление бурения; б, в - положения системы, определяющей изменение направления бурения; 1 - эксцентриковая втулка; 2 - корпус- статор; 3 - вал-ротор; 4 - выдвижные плашки; 5 - долото; 6 - направление искривления скважины; 7 - схема РУС при прямолинейном бурении; 8, 9 - схемы РУС при изменении

Эксцентриковая втулка 1 имеет возможность поворота как вокруг собственной оси в направлении п, так и вокруг оси корпуса-статора 2 РУС в направлении т. Вал-ротор 3 РУС, на котором установлено долото 5, вращается внутри эксцентриковой втулки 1 с частотой ю.

Корпус-статор РУС фиксируется в скважине при выдвижении плашек 4. Проворот эксцентриковой втулки 1 осуществляется с помощью сервомеханизма, работа которого управляется электронным блоком по команде от управляющего процессом компьютера.

Поворот эксцентриковой втулки 1 приводит к отклонению оси вала -ротора 3 от центральной оси корпуса 2 РУС на величину зазора А и долото 5 получает перекос в ту или иную сторону, в зависимости от положения втулки 1 внутри корпуса-статора 2 РУС.

Рисунок 7 - Схема работы отклоняющего узла и набора кривизны РУС с позиционированием положения долота: а - положения вала 1 при бурении без отклонения; б - положение вала 1 при изменении направления скважины

На рисунке 7, а дана схема, соответствующая случаю бурения без искривления, при котором внутреннее отверстие эксцентриковой втулки 1, вал 3 соосны корпусу 2 РУС (Д=0), а долото 5 не имеет перекоса.

На рисунке 6 приведена иная схема управления изгибом ведущего вала РУС за счет поперечного отклонения симметричной кольцевой втулки. Такой вариант исполнения возможен, но требует иного, несколько более сложного привода системы, которая должна осуществлять поперечное силовое перемещение втулки с валом, что в ограниченных пределах корпуса отклонителя затруднено [5].

В связи с большой продолжительностью бурения рассмотрен вариант оптимизированной (трехколонной) конструкции ГС, предусматривающей: направление 323,9 мм; кондуктор 244,5 мм и эксплуатационную колонну 146 мм (рисунок 8).

Рисунок 8 - Сопоставление традиционной и оптимизированной конструкции

В середине 1990-х годов бурение ГС по такой конструкции выполнялось с высоким уровнем непроизводительного времени (НПВ), что было связано с несовершенством технико-технологических решений, оборудования и материалов для бурения и заканчивания, применяемых на тот момент.

С учетом положительного опыта применения новых видов оборудования конструкции низа бурильной колонны (КНБК), промывочных жидкостей, технологий каротажа в процессе бурения, многозонного гидроразрыва пласта актуальным стал возврат к трехколонным конструкциям ГС, поскольку появляется возможность исключения таких безметражных работ, как: ожидание затвердевания цемента за эксплуатационной колонной, перемонтаж и опрессовка противовыбросового оборудования (ПВО), смена инструмента для бурения интервала под хвостовик, проведение геофизических исследований скважин (ГИС) и других сопутствующих операций. Кроме того, размещение полнопроходной 146 мм колонны в горизонтальном участке обеспечивает более технологичное заканчивание скважины и позволяет проводить повторные многозонные ГРП (МГРП), выполнять исследования и РИР в интервале горизонтального участка (ГУ) с использованием традиционных технологий и оборудования, и другие виды работ в интервале продуктивного пласта.

С целью доработки существующих и испытания новых технологий, на первоначальном этапе строительства ГС с трехколонной конструкцией было запланировано:

- бурение ГС без пилотных стволов с целью минимизации рисков дестабилизации стволов, выбор скважин с более технологичными профилями;

- обсаживание транспортного и горизонтального участков эксплуатационной колонной диаметром 146 мм, как более технологичного в сравнении с типоразмерами 168 и 178 мм, имеющей большую гибкость и меньший вес при размещении колонны в интервале горизонтального участка.

Заканчивание трехколонных ГС на период испытаний предусматривало следующие варианты:

- с манжетным цементированием 146 мм эксплуатационной колонны, с целью исключения воздействия тампонажных составов на интервал продуктивного;

- полностью цементируемая эксплуатационная колонна.

Интенсификация притока в добывающих трехколонных ГС реализовывалась:

- с включением в оснастку для горизонтальной части разрывных портов ГРИ;

- проведением в горизонтальном участке МГРП с поинтервальным проведением гидропескоструйной перфорации (ГПП) (в основном, с целью исключения совмещения двух опытно-промысловых работ (ОПР) на одной скважине);

- использованием в нагнетательных ГС фильтровой части диаметром 146 мм.

В 2020 году на месторождении Бадра была пробурена скважина №Р-05. Профиль данной скважины спроектирован максимально технологичным - без разворотов по азимуту и относительно малым зенитным углом в интервале стабилизации (рисунок 9).

Рисунок 9 - Проектный профиль скважины № Р-05

Бурение ниже кондуктора произведено компоновкой с долотом 220,7 мм и винтовым забойным двигателем (ВЗД).

При плановом подъеме, в состав КНБК были включены приборы каротажа во время бурения (LWD). Использован недиспергирующий буровой раствор на водной основе (РВО), плотность при бурении поддерживалась в диапазоне 1140-1150 кг/м³. Глубина скважины по стволу составила 3350 м, длина горизонтального участка - около 330 м, интервал из-под башмака кондуктора и до окончательного забоя - около 2100 м. При бурении и креплении интервала под эксплуатационную колонну осложнений не отмечено. Спуск колонны до плановой глубины проведен штатно. Цементирование осуществлялось в один прием двумя порциями, по традиционной технологии с применением традиционных тампонажных материалов.

По результату бурения данной скважины получено сокращение сроков на 12,7 % по сравнению с базовыми скважинами (четырехколонные ГС), что позволило увеличить коммерческую скорость бурения на 26%.

В дальнейшем для сокращения сроков бурения трехколонных ГС реализовывался комплекс решений, адресно прорабатываемых по каждой скважине:

- бурение за один рейс из-под башмака кондуктора до окончания горизонтального участка;

- применение роторных управляемых систем Power Drive X6, в т.ч. с модульной секцией ВЗД;

- применение каротажа во время бурения;

- применение более эффективных долот, оптимизация параметров бурения;

- применение безглинистого минерализованного ингибированного бурового раствора;

- оптимизация подготовки ствола скважины к креплению колонной (обратная проработка, оптимизация состава КНБК для исключения шаблонирования ствола);

- подбор рецептур тампонажных растворов;

- предпроектная проработка каждой скважины, при необходимости - построение геомеханической модели.

Дополнительно был рассмотрен вариант с использованием в нагнетательных трехколонных ГС комбинированной эксплуатационной колонны (178^114, 168x114 и 146x114 мм), для добывающих ГС - варианты по проведению ГРИ с применением различных технологий интенсификации притока.

Но на начальном этапе было принято решение об использовании только 146 мм колонны и проведение МГРИ по двум технологиям (ГРП+ГРП и разрывные муфты).

С учетом всех критериев и требований к оборудованию была разработана типовая программа на проведение работ. На каждую скважину разрабатываются индивидуальные проекты с учетом технологических решений по совершенствованию подхода.

Особенностью производства работ по данной технологии на объектах месторождения Бадра является бурение с применением растворов на водной основе. Или бурении скважин с большим отходом от вертикали, с большой протяженностью открытого ствола необходимо применять буровые растворы, обеспечивающие одновременно сохранение устойчивости глинистых отложений и высокое качество вскрытия продуктивных пластов. По результатам исследований в инжиниринговом подразделении разработана рецептура бурового раствора «НЕДРА», в состав которого входит комплексный реагент, содержащий высокомодульные силикаты, полимер, модифицированный битум и добавки. По итогам применения на скважинах не отмечаются осложнения и аварии, связанные с буровым раствором. При этом стоимость раствора существенно ниже, чем растворов на углеводородной основе.

Система PowerDrive компании Schlumberger с системой AutoTrak компании Baker Hughes представлены на рисунке 10 [4].

Системы используют механизмы автоматической ориентации и управляют траекторией скважины путём фрезерования стенки скважины. В системах расширяющийся, невращающийся стабилизатор обеспечивает статическое боковое усилие, приложенное к стенке скважины, что вызывает противодействующее усилие, приложенное к стабилизатору и долоту. Интенсивность искривления скважины определяется соотношением объёмов бокового резания и бурения в прямом направлении.

В обеих системах на уровне долота ось вращения долота всегда расположена под углом по отношению к оси скважины. Величина этого угла определяется геометрией инструмента и радиусом кривизны скважины.

Рисунок 10 - Система PowerDrive компании Schlumberger с системой AutoTrak: а) основные компоненты системы; б) не вращающийся расширяющийся стабилизатор

Интегрированная система MWD замеряет зенитный угол и азимут, величину вибрации, обеспечивает связь с системой на поверхности.

Скважинный компьютер производит сравнение данных, полученных системой контроля MWD с проектными характеристиками траектории, затем передаёт команду на наддолотный блок отклонения для корректировки курса. Передаёт данные на поверхность, получает команды по корректировке курса.

Наддолотный сенсор отклонения следит за отклонением долота. Производит передачу данных забойной системе контроля MWD. Использование системы PowerDrive обеспечивает эффективное управление траекторией и высокую степень очистки ствола скважины, а также снижение момента вращения бурильной колонны. Благодаря применению системы PowerDrive удается добиться значительного уменьшения числа «затяжек», что в дальнейшем способствует успешному спуску обсадной колонны.

При этом затраты времени на ориентированное бурение с винтовым забойным двигателем полностью исключаются. Непрерывное вращение бурильной колонны позволяет добиться сглаженной траектории скважины.

Роторные управляемые системы Power Drive X6 компании Schlumberger реализуют набор кривизны c отклонением долота (push-the-bit). РУС Power Drive X6 обеспечивают бурение полностью вращающейся роторной системой для осуществления наклонно-направленногобурения и проходки прямолинейных стволов. При этом конструкция РУС имеет возможность получения данных в режиме реального времени при использовании с телеметрическими системами Power Pulse и Power Scope (рисунок 11).

Рисунок 11 - Роторная управляемая система перед спуском в скважину

Роторные управляемые системы Power Drive X6 позволяют производить в процессе бурения:

- измерение зенитного и азимутального углов в непосредственной близости от долота;

- измерение уровня вибрации и ударной нагрузки КНБК;

- измерение скорости вращения долота;

- измерение гамма-излучения для геонавигации;

- производить режим автоматического поддержания зенитного угла. Основные характеристики РУС Power Drive X6 приведены в табл. 5.

По всем ГС с трехколонной конструкцией получено существенное сокращение сроков - коммерческая скорость строительства выше на 50 % в сравнении с базовыми ГС. Достигнутый рекордный показатель по коммерческой скорости бурения ГС - 8250 м/ст.мес [4].

Таким образом, опыт применения горизонтальных скважин подтверждает:

1. Современный уровень техники и технологии бурения, уровень инжиниринга, используемые составы растворов позволяют в промышленных масштабах реализовывать бурение ГС с трехколонной конструкцией, без применения дополнительных видов безметражных работ;

2. В текущих геолого-технологических условиях применение РВО при бурении трехколонных ГС эффективно, бурение скважин реализуется с применением типовых технологий и бурового оборудования (ВЗД, бурильный инструмент, долота и пр.), интервал из-под кондуктора до планового забоя возможно пробурить за один рейс (при достаточном ресурсе элементов КНБК по наработке), что в совокупности позволяет сократить затраты на строительство и обеспечивает востребованность ГС с облегченной конструкцией;

3. Имеется потенциал по дальнейшему повышению эффективности бурения, необходима дальнейшая проработка решений по оптимизации конструкций и этапности работ по освоению.

Успешное внедрение представленных в данной статье решений позволяет реализовывать годовую программу бурения с существенным опережением и в последующем расширить применение ГС.



Литература

1. Козлов А.А., Смирнов Д.Б., Иванова Е.В., Петрова О.П., Соколов П.М., Карпов Р.С., Концептуальные аспекты промышленного производства на основе исследований геологических моделей в условиях ближневосточного региона. Журнал Геологических Исследований, Том 5, Выпуск 3, 2019, с. 23-25..

2. Министерство Нефти Республики Ирак [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://oil.gov.iq (дата обращения: 25.02.2024).

3. Батлер Р. М. Горизонтальные скважины для добычи нефти, газа и битумов / Роджер М. Батлер ; перевод с английского: А. А. Козин ; под редакцией М. Н. Кравченко. - Москва : [б. и.] ; Ижевск : Ин-т компьютерных исследований, 2010. - 535 с. : ил., табл.; 25 см. - (Библиотека нефтяного инжиниринга / ОАО «НК «Роснефть»).; ISBN 978-5-93972-838-6.

4. Schaaf, S., Pafitis, D., and Guichemerre, E. 2020. Application of the point the bit rotary steerable system in Directional drilling Prototype Well-Bore profiles. Presented at the SPE/AAPG Western Regional Meeting, Long Beach, California, and 19-22 June. SPE-62519-MS.

5. Богданов С.В и др.: «Бурение скважин с большим отходом мирового класса» доклад SPE 162099, представленный на конференции, посвященной разведке и добычи, состоявшейся в г. Москва, Россия, 16-18 Октября 2012 года.

Размещено на Allbest.ru

...