Проектирование бурильной колонны

Бурильная колонна занимает важное место в проекте.наклонно-направленного и горизонтального бурения. Ее оптимизация невозможна до тех пор, пока не выбраны профиль скважины и тип бурового раствора.

Гидравлические расчеты промывки скважины

После проектирования бурильной колонны должны быть выполнены гидравлические расчеты для выбора насадок буровых долот. Гидравлические расчеты следует провести так, чтобы гарантировать надлежащую очистку скважины и оптимальную характеристику забойных двигателей. Может оказаться необходимым принять компромиссное решение при расчете гидравлики долота, чтобы удовлетворить первым двум критериям.

Выбор компоновок низа бурильной колонны (кнбк)

Выбор компоновок (КНБК) в процессе проектирования скважины помогает составить список инструмента, необходимого для работ; на скважине. Список оборудования, помимо проектных компоновок, должен включать пару запасных компоновок на случай непредвиденных обстоятельств, способных обеспечить более высокую интенсивность набора зенитного угла. Это обеспечит бурение скважины имеющимся на буровой инструментом, и исключить необходимость срочной доставки инструмента во время бурения. Это уменьшит вероятность простоев, связанных с ожиданием инструмента. Естественно, если склад расположен недалеко от буровой, необходимости в дополнительном инструменте непосредственно на буровой может и не быть.

10.2.2. Выбор конфигурации (траектории) наклонно-направленной скважины

Основные виды профилей наклонно-направленных скважин приведены на рисунке.

Рис. Основные виды профилей ННС: 1- тангенциальный; 2-S – образный; 3- J – образный.

10.3. ПРОФИЛИ НАКЛОННЫХ СКВАЖИН При отклонении забоя скважины от вертикали до 300 м применяется тангенсальный трехинтервальный профиль, состоящий из вертикального участка, участка начального искривлении и тангенсального участка. При отклонении забоя скважины свыше 300 м используют S-образный четырхинтервальный профиль, включающий вертикальный участок начального искривления, тангенсальный участок и участок уменьшения зенитного угла. Для проектирования наклонно направленных скважин специального назначения применяется j-образный вид профиля, включающий вертикальный участок; участок начального искривления, тангенсальный участок и участок малоинтенсивного увеличения зенитного угла до проектной глубины.

Рисунок 1.

Все рассмотренные выше виды профиля проектируются в одной плоскости, т.е. являются плоскими. При проводке скважин в сложных горно-геологических условиях используются профили пространственного типа. В российской Федерации бурение наклонно направленных скважин с профилем пространственного типа распространено в Северо-Кавказском нефтяном районе.

10.3.1.Многозабойные скважины

Многозабойные скважины являются дальнейшим развитием технологии наклонно направленного и горизонтального бурения. Извлечение нефти производится из одного наиболее близкого к вертикали ствола, а ответвления служат дополнительными дренажными каналами, по которым нефть поступает в основной ствол из отдаленных участков нефтеносного пласта, а также из вскрытых стволами высокопродуктивных трещин или линз, остающихся между обычными однозабойными скважинами и не затронутых разработкой. Другими словами, под многозабойными скважинами (МЗС)  понимаются скважины, имеющие в нижней части основного ствола разветвления в виде двух или более протяженных горизонтальных, пологонаправленных или волнообразных стволов, у каждого из которых интервал вскрытия продуктивного пласта, как правило, в два раза и более превышает толщину пласта. Форма скважины может быть самой различной: стволы могут ответвляться на различной высоте от подошвы продуктивного пласта или на различных расстояниях друг от друга и иметь различные ракурсы искривления, оканчиваться вертикально, наклонно или горизонтально вдоль пласта. По форме выполнения дополнительных стволов и их пространственному положению различают следующие виды многозабойных скважин: - разветвленные наклонно направленные; - горизонтально разветвленные; - радиальные скважины. Разветвленные наклонно направленные скважины состоят из основного ствола, обычно вертикального, и дополнительных наклонно-направленных стволов. Горизонтально разветвленные скважины – это разновидность разветвленных наклонно направленных скважин, так как их проводят аналогичным способом, но в завершающем интервале дополнительного ствола его зенитный угол увеличивают до 90º и более. У радиальных скважин основной ствол проводят горизонтально, а дополнительные – в радиальном направлении. Выбор формы разветвления скважин зависит от толщины продуктивного пласта и его литологической характеристики, наличия или отсутствия над ним пластов, требующих изоляции. Радиусы искривления стволов и глубины мест забуривания зависят от пластового давления, режима движения жидкостей в пласте и применяемых мер по поддержанию пластового давления. Профили стволов, их длинна и число ответвлений зависят от степени неоднородности продуктивного пласта, толщины пласта, литологии, распределения твердости пород, степени устойчивости разреза. Рекомендации на составление проекта МЗС для каждого конкретного месторождения должны выдаваться в результате совокупного рассмотрения указанных геолого-технических условий.

Рисунок 2. Рисунок 3.

Рисунок 4.

Рисунок 5. Рисунок 6.

10.3.2.Многоствольные скважины Кустовое бурение – сооружение скважин, в основном наклонно направленных, устья которых группируются на близком расстоянии друг от друга с общей ограниченной площадки, а забои вскрывают продуктивный горизонт в заданных точках в соответствии с сеткой разработки. Отдельными кустами считаются группы из трех скважин и более, расположенные на специальных площадках и отстоящие одна от другой или отдельных скважин на расстоянии не менее 5 м. Под площадкой куста понимается участок территории, на котором расположены скважины, технологическое оборудование, а также бытовые и и другие помещения, необходимые для производства работ. Размер площадки зависит от количества скважин в кусте и размещения специальной техники для ликвидации возможных аварийных ситуаций (пожары, открытые фонтаны и т.д.) Взаимное расположение скважин разнообразно и зависит от типа буровой установки, конструкции буровой вышки, способа перемещения бурового оборудования, противопожарных норм и обеспечения предполагаемых методов эксплуатации скважин. В мировой практике имеется опыт бурения 64 скважин с одного основания. В России имеется ряд месторождений, позволяющих строительство 80 скважин с одной кустовой площадки. Например, в Печорском море предлагается пробурить 60 горизонтальных скважин с одной буровой платформы, вместо использования двух платформ, планируемых ранее для разбуривания месторождения только наклонными скважинами. С троительство скважин кустовым способом имеет ряд существенных достоинств экономического и социального характера. При этом способе значительно сокращаются материальные и трудовые затраты на обустройство площадок под скважины, подъездных дорог к ним и месторождениям в целом, особенно на заболоченных территориях, где возникает необходимость сооружения искусственных оснований и дорог специальных конструкций. Существенно уменьшаются затраты на промысловое обустройство скважин, строительство нефтегазосборных сетей, энергообеспечение промысловых объектов, ремонт и эксплуатационное обслуживание скважин. Значительно снижаются затраты на вышкостроение, так как буровое оборудование перемещается в пределах кустовой площадки.  При этом способе улучшается баланс времени буровой бригады, до минимума снижаются затраты на новую скважиноточку в кусте. При кустовом строительстве скважин сокращается площадь земель, изъятых из сельскохозяйственного производства, сокращаются затраты на природоохранные мероприятия (рекультивация и т.д.). Строительство скважин кустовым методом составляет в настоящее время более 70% всего объема эксплуатационного бурения.

10.3.3. Горизонтальные скважины.

В последние годы доля разведанных запасов нефти и газа в низкопродуктивных коллекторах заметно возросла. Традиционные технологии извлечения нефти и газа из таких залежей имеют низкую технико-экономическую эффективность, а иногда оказываются нерентабельными. Одним из возможных направлений повышения эффективности разработки месторождений углеводородного сырья могут стать так называемые горизонтальные технологии, включающие способы строительства ГС и ГРС, а также проводки новых боковых стволов из старых. Эти способы являются перспективными достижениями развития нефтегазовой индустрии за последние два десятилетия. Применение горизонтальной технологии позволяет решить следующий ряд проблем разработки нефтяных, нефтегазовых и газовых месторождений: - значительно уменьшить количество эксплуатационных скважин на месторождениях, особенно в морских акваториях, где строительство буровых платформ требует больших капиталовложений; - увеличить коэффициент нефте-, и газоотдачи пластов, а также текущую добычу; - замедлить процесс обводнения скважин, образования газовых воронок; - улучшить эффективность вскрытия пластов с вертикальной трещиноватостью, низкопроницаемых пластов, линзовидных залежей; - улучшить результаты строительства подземных газохранилищ, закачки воды и газа для поддержания пластового давления на необходимом уровне, захоронения сточных вод; - вовлечь в разработку залежи высоковязкие нефти и битумы.

Кроме того, горизонтальная технология применяется все шире для прокладки трубопроводов под различными сооружениями и через водные преграды.  

Рисунок 7. Рисунок 8.

Рисунок 9. По величине радиуса кривизны различают три вида профилей ГС: с большим, средним и малым радиусами кривизны.

Рисунок 10.

Горизонтальные скважины с большим радиусом кривизны (более 190м.) бурятся при кустовом строительстве скважин на суше и на море с большим отклонением от вертикали при длине горизонтального участка 600-1500 м. Скважины со средним радиусом кривизны применяются при бурении одиночных скважин и для восстановления продуктивности эксплуатационных скважин. Максимальная интенсивность искривления скважины составляет 3-10 градусов на 10 м. проходки (радиус кривизны 60-190 м.), а длина ствола 450-900 м. Эти скважины более экономичны, так как имеют меньшую длину ствола, а также обеспечивают более точное попадание ствола в заданную точку на поверхности продуктивного пласта. Горизонтальные скважины с малым радиусом кривизны, равным 10-30 м., успешно применяются для восстановления фонда малодебитных и обрабатывающих скважин путем зарезки в них боковых горизонтальных стволов. Интенсивность искривления при бурении таких скважин составляет 1-2,5º на 1 м. при длине горизонтального участка 90-250 м. При разбуривании пластов большой толщины (100 м. и более) иногда сооружают по два-три яруса горизонтальных стволов. Такие скважины позволяют успешно эксплуатировать залежи с высоковязкой нефтью. В этом случае теплоноситель закачивают в средний ярус скважин, а отбор нефти ведут через ярус дополнительных стволов.

Рисунок 11. Рисунок 12.

Многоярусные скважины с горизонтальными стволами сооружаются при разбуривании залежей большой толщины, имеющих газовую шапку. В этом случае верхний ярус стволов бурится в пределах газовой шапки, а нижний – в нефтяной части залежи. На месторождениях, характеризующихся плохими фильтрационно-емкостными свойствами коллекторов, могут быть рекомендованы горизонтально-разветвленные скважины с определенным количеством  радиальных стволов длиной о 150 м. с различными углами наклона плоскости искривления радиального ствола к горизонтальной плоскости.

Рисунок 13.

10.4. РАСЧЕТ ПРОЕКТНОГО ПРОФИЛЯ.

Для проектирования и проводки наклонно-направленных и горизонтальных скважин используются несколько типов профилей:

• тангенциальный (состоящий из трех участков – вертикального, участка набора угла с заданным радиусом (или радиусами) искривления и наклонного тангенциального участка стабилизации набранного угла).

• S – образный тип профиля состоящий из вертикального участка, участка (или участков с разными радиусами) начального искривления, участка стабилизации зенитного угла (или без него) и участка малоинтенсивного уменьшения зенитного угла до требуемого значения или до 0.

• J – образный тип профиля включает в себя вертикальный участок, участок набора угла (определенным радиусом или радиусами), участок стабилизации зенитного угла (или без него), участок интенсивного набора зенитного угла, участок стабилизации набранного угла, или участок малоинтенсивного уменьшения зенитного угла.

Расчет любого типа профиля сводится к определению горизонтальных и вертикальных проекций каждого его участка и их длины, исходя из необходимых, заданных значений – глубины по вертикали кровли пласта, необходимого отхода (смещения) от вертикали и угла входа в пласт. Мы не будем здесь подробно приводить десятки типов профилей и расчетных зависимостей для них, которые могут использоваться при проектировании и бурении скважин. Важно понимание принципа расчета, используя который можно рассчитать любой тип профиля.

Поясним это на примере, но сначала приведем основные зависимости, без которых расчет профиля невозможен.

Формулы для определения проекций участков профиля.

Вид участка профиля	Проекции участка		Длина участка
	горизонтальная	вертикальная
Вертикальный	0	Нв	Нв
Увеличения зенитного угла	R∙( cosα 1-cosα2)	R∙(sinα2- sinα1)	(α2- α1)∙R/57.3
Уменьшения зенитного угла	R∙( cosα 2-cosα1)	R∙(sinα1- sinα2)	(α1- α2)∙R/57.3
Тангенциальный участок (известна его длина)	L· sinα	L· cosα	L
Тангенциальный участок (известна его вертикаль)	Нт· tgα	Нт	Нт/ cosα

Примечание: α_1, α_2, α - зенитные углы соответственно в начале искривленного участка, в его конце, на участке стабилизации. R – радиус искривления,

L – длина участка стабилизации.

Пусть требуется рассчитать J-образный профиль для бурения горизонтальной скважины состоящий из четырех участков: вертикального, малоинтенсивного набора угла R₁=382 м до α = 30^о, участка стабилизации, интенсивного набора угла до кровли пласта (α₂ = 72^о) R₂ = 114.6 м, интенсивного набора угла до α₂ = 90^о R₃ = 82 м, и малоинтенсивного снижения зенитного угла с R₄ = 800 м.

Глубина кровли пласта по вертикали – 2275м, требуемое смещение по кровле пласта – 600 м., глубина выхода на 90^о – 2278 м или 3м от кровли пласта. Длина горизонтального участка ствола после выхода на 90^о – Lгор=200 м.П

Нв

Нв

Н1

Н2

Н3

Н4

S1

S2

S3

S4

S5

R1

R2

R3

R4

Н5

о приведенным выше формулам определим вертикальные и горизонтальные проекции для каждого из участков профиля, а также их длину (начиная снизу).

Участок 5 (малоинтенсивного падения угла).

Найдем зенитный угол на проектном забое скважины:

α₂ = α₁ – (Lгор·57,3/R4) = 90-(200·57,3/800) = 75,7^о

Н5 = R∙(sinα₁- sinα₂) = 800∙(sin90- sin75,7) = 24,9 м.

S5 = R4∙( cosα ₂-cosα₁) = 800∙( cos75.7-cos90) = 197.6 м

Участок 4 (интенсивного набора угла до 90гр).

S4 = R3∙( cosα ₁-cosα₂) = 82∙( cos72-cos90) = 25,3 м

Н4 = 3м по условию.

L4 = (α₂ - α₁)∙R3/57.3 = (90 - 72)∙82/57.3 = 25.8 м

Участок 3 (интенсивного набора угла до кровли пласта).

S3 = R2∙( cosα ₁-cosα₂) = 114.6∙( cos30-cos72) = 63.8 м

Н3 = R2∙(sinα₂- sinα₁) = 114.6∙(sin72- sin30) = 51.7 м

L3 = (α₂ - α₁)∙R/57.3 = (72 - 30)∙114.6/57.3 = 84 м

Участок 2 (тангенциальный).

Для этого участка мы пока не можем найти требуемые величины.

Участок 1 (малоинтенсивного набора угла от 0 до 30 гр)

S1 = R1∙( cosα ₁-cosα₂) = 382∙( cos0-cos30) = 51.2 м

Н1 = R1∙(sinα₂- sinα₁) = 382∙(sin30- sin0) = 191 м

L1 = (α₂ - α₁)∙R1/57.3 = (30 - 0)∙382/57.3 = 200 м

Перейдем к тангенциальному участку и рассмотрим прямоугольный треугольник, гипотенузой которого является длина ствола участка стабилизации, а катетами – вертикальная и горизонтальная проекции этого участка.

Зная проектный отход по кровле пласта и, вычитая из него последовательно S1, S3 и S4, найдем горизонтальную проекцию тангенциального участка.

S2 = Sпр – S1 – S3 – S4 = 459 м

Из треугольника находится катет вертикальной проекции участка и длина участка:

Н2 = S2/tg α = 459/tg 30 = 795 м

L2 = √(S2)² + (H2)² = 918 м

Находим глубину зарезки или длину вертикального участка:

Нв = Нк- Н1-Н2-Н3 = 2275-191-795-51,7 = 1237 м

Руководствуясь такой схемой расчета можно рассчитать профиль любого типа, где его участки заданы дугами окружности и прямыми.

Кроме того, по приведенным выше зависимостям можно рассчитать и некоторые параметры фактического профиля при проводке скважины.