Lektsii_3-4_Uslovia_i_kriterii_iskrivlenia

Лекции 3-4 «Направленное и горизонтальное бурение»

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ ИСКРИВЛЕНИИ СКВАЖИН

Ось любой скважины, будь она вертикально или наклонно заданной, в процессе бурения отклоняется от своего проектного направления, т. е. скважина искривляется.

Искривлением буровой скважины в данной точке называется отклонение ее от вертикали и направление этого отклонения относительно стран света.

Искривление скважин в данной точке О характеризуется двумя углами

(рис. 1.4):

а) углом искривления (зенитным углом) θ. Это угол между касательной к оси ствола скважины в точке замера и проекцией этой касательной

5

Рис. 2.1 Элементы, определяющие пространственное положение скважины:

/ — горизонтальная плоскость, 2 — ось скважины, 3 — плоскость оси скважины, 4 — вертикаль, 5 — направление начала отсчета, 6 — направление проводки скважины на вертикальную плоскость. Угол, равный

90° — θ, называется углом наклона скважины и обозначается η. Угол наклона — это отклонение оси ствола скважины от горизонтали;

б) азимутальным углом (азимутом скважины) α. Это угол, измеряемый в горизонтальной плоскости между принятым направлением начала отсчета и проекцией на горизонтальную плоскость касательной к оси ствола в точке замера В зависимости от принятого начала отсчета азимут может быть истинным, магнитным или условным.

Если азимутальное направление постоянно, то наблюдается плоскостное искривление ствола скважины. Если же постоянно изменяются как зенитный угол, так и азимут направления, то в этом случае наблюдается пространственное искривление ствола скважины.

Непроизвольно искривленными скважинами называются все вертикально или наклонно заданные с поверхности скважины, характеризующиеся искривлением.

К искусственно искривленным относятся скважины, которые бурятся по заданному профилю. Такие скважины могут быть наклонными, плоскоискривленными и реже — пространственно искривленными В теории и практике бурения понятие «искривления» следует иметь в виду при изучении причин и механизма искривления скважин.

Практически скважины искривляются в пространстве, при этом меняются азимут и зенитный угол, т. е происходит общее искривление под некоторым углом β

Общее искривление выражается уравнением

cos β = cos θ 0 cos θ1 + sin θο sin θ1 cos Δα, (2.1)

где θο и θ1 —зенитные углы соответственно в начале и в конце данного пройденного интервала; Δα = α1 — α0 — разность между величинами азимутальных углов, замеренных в конце (α1) ив начале (α0) данного интервала.

Следует также отметить, что в настоящее время в буровой технике и науке бытует много устаревших понятий, терминов и определений. Допускаются неточности и в терминологии по искривлению скважин.

Так, кривизной в бурении называют угол наклона скважины на данном интервале, в то время как в математике кривизной называется предел отношения угла поворота касательной на дуге к длине этой дуги, т. е. приращение угла на каком-то определенном криволинейном участке. В то же время следует отметить, что такое приращение угла в бурении характеризуется интенсивностью искривления. Безусловно, математическое определение кривизны более соответствует истине, так как действительно и в бурении искривление ствола за какой-то промежуток времени и в пространстве характеризуется приращением угла на определенных отрезках ствола скважины.

Следовательно, кривизной скважины называется приращение угла искривления на определенном криволинейном участке.

Другие определения и термины, по мнению многих исследователей,

нужно трактовать следующим образом:

апсидальная плоскость — вертикальная плоскость, проходящая через касательную к оси скважины в точке проведения замера;

зенитное искривление — изменение зенитного угла между двумя точками замеров;

азимутальное искривление — изменение азимута скважины на участке между двумя точками замеров, т. е. разность азимутов, измеренных в этих точках;

общий или пространственный угол искривления — угол между двумя касательными, проведенными к оси ствола в точках замеров, лежащих в плоскости искривления скважины В этом случае принято допущение, что ось ствола скважины на участке между двумя замерами представляет собой плоскую кривую, а само искривление — бесконечно малое количество плоских кривых, повернутых относительно друг друга на некоторый угол,

интенсивность искривления — величина, характеризующая степень искривления ствола и равная отношению приращения угла искривления к расстоянию между точками замеров по оси скважины,

выполаживание ствола скважины — отклонение его в сторону горизонтальной плоскости;

выкручивание ствола скважины — отклонение его в сторону вертикальной оси.

ТРЕБОВАНИЯ К КРИВИЗНЕ НАКЛОННЫХ СКВАЖИН (ОГРАНИЧЕНИЯ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ИСКРИВЛЕНИЯ)

При определении кривизны наклонных скважин необходимо учитывать требования, связанные с обеспечением проходимости по стволу скважины забойных двигателей, УБТ, обсадных труб при строительстве скважины и нормальной работы насосного оборудования (ЭЦН, ШГН) при ее эксплуатации. Интенсивность искривления не должна превышать 1,5°/10 м на участке набора зенитного угла и 3°/100 м в интервале установки ЭЦН .

Радиус кривизны пространственно искривленного участка определяется по формуле

(2.2)

где— соответственно, изменение зенитного угла и азиму-

та на отрезке(рад); — средний зенитный угол на участке L, Из (2.2) следует, что при малых зенитных углах даже суще ственное

изменение азимута практически не влияет на кривизну. В случае отсутствия изменения азимута при бурении на определенном

интервалерадиус кривизны определяется по формуле

(2.3)

Для того чтобы найти связь интенсивности изменения зенитного угла на определенном участке и соответствующего радиуса кривизны этого участка, необходимо воспользоваться определением интенсивности.

Под интенсивностью i изменения зенитного угла скважины понимают изменение зенитного угла при проходке участка скважины длиной 1 м. Эта зависимость выражается формулой

(2.4)

откуда следует, что зависимость интенсивности изменения зенитного угла от радиуса имеет вид:

(2.5)

На практике обычно используют значения углов, выраженные в градусах. Связь между изменением зенитного угла, выраженного в радианах (∆α) и в градусах (∆α'):

(2.6)

Интенсивность изменения зенитного утла в связи с ее небольшой величиной принято выражать в градусах на 10 м (i10) или в градусах на 100 м (i100)- При расчетах радиуса искривления необходимо не забывать об этом, а также учитывать (5):

(2/7)

Ограничения на интенсивность искривления скважин на различных участках можно выразить через радиусы кривизны этих участков:

1)на участке набора зенитного угла

2)па участке уменьшения зенитного угла

3) в интервале установки насосного оборудования (ЭЦН)

Лекции 5-6 «Направленное и горизонтальное бурение»

Назначение и область применения направленных и горизонтальных скважин.

Наклонно-направленное бурение всегда являлось частью бурения в целом. В самом начале бурения в г. Спиндлтоп, штат Техас, изобретательные буровики устанавливали в скважины деревянные клинья (Whipstocks), чтобы отклонять их в сторону соседних нефтяных фонтанирующих скважин. Эта практика была известна, как браконьерство. Чтобы предотвратить это, были приняты законы, требующие, чтобы скважины располагались в пределах границ участка, и чтобы Железнодорожная комиссия Техаса и другие органы власти проводили инспекции, не являлись ли скважины направленными.

Такие же методы отклонения и измерений помогали отклонять скважины при возникновении таких препятствий, как города, озера, моря, горы, поступающий с небольших глубин газ и трубопроводы. Боковые стволы представляют собой стволы скважин, траектория которых намеренно была отклонена от первоначальной траектории ствола скважины, чтобы пройти мимо оставленного в скважине инструмента (потерянной бурильной колонны), откорректировать нежелательное отклонение или для повторного использования старого ствола для снижения затрат на бурение.

Бурение наклонных разгрузочных скважин было начато в 1920-х годах и требовало контролирования точности бурения разгрузочной скважины на расстоянии нескольких футов от неуправляемой скважины. Ранние приборы обследования скважин были разработаны и удовлетворяли таким требованиям, чтобы знать точную траекторию как неуправляемой, так и разгрузочной скважины. Когда определялось. Что разгрузочная скважина находится близко от неуправляемой скважины, нагнетался цементный раствор для установки пробки в пласт и управления давлением. В современных разгрузочных скважинах используются методы магнитного измерения для точного определения положения этих скважин по отношению к неуправляемой скважине.

Бурение с платформы (Platform Drilling) отрицает требование в дополнительной платформе. Для доступа к нескольким объектам, находящимся в пределах одного коллектора, используется единственная опорная плита, расположенная под платформой. Наклонно-направленные стволы скважин позволяют осуществлять ответвления от основного

ствола и охватывать площадь коллектора с компактной буровой площадки.

Бурение соляного купола (Salt Dome) производится для обеспечения доступа к ловушкам, которые образуются в верхней части пробки. Бурение может оказаться проблематичным из-за пластичной соли, которая деформирует обсадную колонну, и из-за высокого давления газа на небольших глубинах. Для повторного использования скважин из истощенных зон и для бурения новых скважин делаются боковые стволы.

Запланированные и незапланированные отклонения стволов скважин называются естественным искривлением (dogleg). Отклонение от заданного направления долота (Bit Walk) представляет собой естественную тенденцию компоновки низа бурильной колонны (ВНА) отклоняться от курса из-за влияния пласта и самой компоновки низа бурильной колонны. Это воздействие на запланированные траектории скважин может быть учтено и скорректировано для достижения скважиной объекта.

На следующих рисунках показано происхождение наклонно-направленного бурения:

Рис. 3.1

В середине восьмидесятых годов мировая цена на нефть находится на низком уровне, что способствует развитию технологий горизонтального бурения. В 1995 году годовое количество бурения горизонтальных скважин уже достигло до уровня около 2700 скважин. Благодаря быстрому развитию науки и техники бурение горизонтальных скважин (ГС) развивается в мире

достаточно высокими темпами, объём горизонтального бурения с каждым годом увеличивается (см. рисунок 3.2). В 1998году в мире общее количество горизонтальных скважин составляло 21650. В настоящее время всего в мире существующих скважин составляет примерно 2 миллиона, а из них порядка 30 тысяч горизонтальных скважин, занимает 1.5% от общего количества существующих скважин.

Годовой объём горизонтального бурения в мире

Рисунок 3.2.

Горизонтальные скважины создают качественно иные возможности для эксплуатации нефтеносного слоя, дебит нефти повышается в несколько раз.

В ОАО" Сургутнефтегаз "разработана технологическая схема разработки сложнопостроенных залежей системой горизонтальных скважин и, начиная с 1996г., ежегодно строится около 90 горизонтальных скважин, отдача которых в 4 - 5 раз больше, чем у пробуренных по обычной методике. Активно применяются методы повышения нефтеотдачи пластов. На предприятии применяется около 30 таких технологий.

В ОАО «Татнефть» закончено строительством более 100 горизонтальных скважин на 15 месторождениях Татарстана. Глубина залегания продуктивных пластов, вскрытых горизонтальными скважинами, измеряется от 829 до 1728 м, их вскрытые толщины от 4 до 40 м. Длина горизонтальной части стволов составляет 39-448 м. Бурение горизонтальных скважин осуществляется по среднему радиусу (90-380 м) с применением отечественного и импортного навигационного оборудования. Освоено бурение многоствольных горизонталь-ных скважин.

ОАО "НК "Сибнефть" завершила бурение первых двух горизонтальных скважин, что стало началом полномасштабной программы горизонтального бурения. Первая горизонтальная скважина Сибнефти на Романовском месторождении превзошла по своей эффективности все ожидания. Ее дебит составляет в среднем 214 т (1550 баррелей) в день, что

более чем в пять раз превышает средний дебит новых скважин, который составляет 41.1 т (296 баррелей) в день.

Суточный дебит первой горизонтальной скважины "Сибнефти" на Сугмутском месторождении составил 1250 тонн (9010 баррелей), что является наивысшим показателем в Западной Сибири. Общая протяженность скважины по стволу составляет 4450 метров, горизонтальный участок в продуктивном пласте - 1280 метров, глубина скважины по вертикали – 3170 метров (наибольший показатель в России по протяженности). Буровые работы осуществлялись совместно с компанией Pride Forasol (дочернее предприятие компании Pride International). Субподрядчиками выступают компании Halliburton, Schlumberger, Baker Hughes. Ранее в 2001 году “Сибнефть” ввела в эксплуатацию горизонтальную скважину на Карамовском месторождении, суточный дебит которой составил 1025 тонн (7390 баррелей).

В 2001 году “Сибнефть” увеличила средний дебит новых скважин более чем на треть до 65 тонн (469 баррелей) в сутки. Суточный дебит горизонтальных скважин достиг 392 тонн (2820 баррелей), что более чем в 6 раз превышает средний дебит обычных скважин.

Горизонтальные скважины, пробуренные на Комсомольском нефтяном месторождении ОАО «НК Роснефть-Пурнефтегаз», имеют дебиты в 3-4 раза больше дебитов средних скважин акционерного общества. Так, горизонтальная скважина № 8472 выдает ежесуточно в фонтанном режиме 41 тонну, скважина № 6170 – 53 тонны. Для сравнения: суточный дебит одной средней скважины в ОАО «НК «Роснефть-Пурнефтегаз» равен пока 13 тоннам.

В настоящее время мировыми рекордами горизонтальных скважин являются следующие:

- Горизонтальная скважина с самой длинной протяженностью горизонтального участка. На юге Аргентины, в Тьерра - дель - Фуэго, пробурена и обустроена самая длинная в мире горизонтальная скважина - ее длина одиннадцать километров сто восемьдесят метров.

-Самая глубокая горизонтальная скважина. Самой глубокой горизонтальной скважиной является скважина Ratana 3 со средним радиусом в размере 241 м, которая пробурена западной Бакистанской нефтяной компанией с компаний Sperry Sun на впадине Patwar Бакистана. Глубина этой горизонтальной скважины достигла 4996 м.

-Самая глубокая горизонтальная скважина с гидроразрывом. Компания Halliburton проводила гидроразрыв в горизонтальной скважине Soehlmgen Z– 10, которая находится возле г. Хапург Германии. Эта скважина вошла в плотно-песчаной газовой залежи пласта Rot Liegendes, глубина этой скважины – 4781м. Горизонтальный участок – 630 м.

-Горизонтальная скважина с самым большим соотношением горизонтального смешения к глубине вертикальной: В феврале 1993 года

компания Unocal пробурила горизонтальную скважину В–39 на платформе OCS-P0241 месторождения Dos Cuadras на море возле Штат Карифонии США. Горизонтальное смешение этой скважины достигло 1108 м, вертикальная глубина – 206 м, соотношение горизонтального смешения к вертикальной глубине составляет 5.6.

-Первая горизонтальная скважина с двумя горизонтальными стволами: в марте 1992 года компания Torch завершила горизонтальную скважину Basdenl–H, которая находится в уезде Fayetle Штата Техаs. В этой скважине имеется два горизонтальных ствола с противоположенным направлением. Длина каждого горизонтального участка – около 793 м, общая протяженность горизонтального участка составляет 1585 м.

-Разветвленная горизонтальная скважина с самой длинной общей протяженностью горизонтального участка. В декабре 1993 г компания

Texасо пробурила одну разветвленную скважину с самой длинной общей протяженностью горизонтального участка в 3404 м. Эта скважина находится на месторождении Brookeland Штата Техас США.

Протяженность горизонтального участка верхнего разветвленного ствола скважины – 1636м, наклонный угол достиг 93,5 0; Протяженность горизонтального участка нижней разветвленной скважины – 1768 м, наклонный угол – 87º.

Хотя горизонтальное бурение получило значительное развитие, но соотношение количества горизонтальных скважин к вертикальным скважинам не получило так значительное. Например: в США и Канаде ежегодное количество горизонтальных скважин занимает 5% и 8% от общих годовых пробуренных скважин.

За 2002 год общее количество пробуренных скважин в Канаде составляет 5898, из них количество горизонтальных скважин составляет 328, занимает 5,6% от общего количества скважин.

Врегионе Северной Америки горизонтальные скважины основными

являются средне-радиусными скважинами. Больше всего применяется коэффициент набора угла 6-20º/30м. В Европе больше применяется длиннорадиусное бурение, а мало бурят средне-радиусные скважины и короткорадиусные скважины.

Обзор развития бурения скважин с большим смещением забоя

Скважина с большим смещением забоя (Extended Reach Well) - обозначает скважину, у которой измерительная глубина(MD) равна или больше её вертикальной глубины (NVD) в 2 раза. Скважина с сверхбольшим смещением (Mega Reach Well) – это скважина, у которой MD/ TVD больше в

3раз.

Впоследние годы бурение скважин с большим смещением развивается очень быстро, особенно на Северном море Норвегии, месторождении Wytch