Наклонно-направленное бурение-метод сооружения скважин, при котором они имеют сложный пространственный профиль, включающий в себя вертикальный верхний интервал, после которого следуют участки с заданными отклонениями от вертикали [1].
Часто используется при разведке и добыче таких полезных ископаемых, как нефть и газ, особенно при многоствольном и кустовом бурении. С 1990-х активно развиваются технологии направленного бурения для создания скважин с горизонтальными участками длиной до нескольких километров. В настоящее время наклонно-направленное бурение широко применяется на морских нефтяных платформах, для охвата большей территории с помощью стационарной установки, чем, если бы скважины были вертикальными, для разведки полезных ископаемых в труднодоступных местах, а также для прокладывания коммуникаций под водоёмами различными строениями. Отдельно нужно сказать о том, что наклонно-направленное серьезно упрощает добычу нефти и газа, в местах, где запрещена постройка промышленных сооружений, в частности – в заповедниках.
Рисунок 1. – Различия между типами скважин
История метода
Впервые начало применяться в середине XX века. Основоположниками данного метода являются американские нефтяники Джон Истман, Роман Хайнс и Джордж Фейлинг, впервые применившие его в 1934 году для добычи нефти из месторождения Конро, Техас. В СССР подобный метод при поддержке бакинского ученного М.П. Гулузаде впервые применил азербайджанский нефтяник Ага Нейматулла — для добычи нефти из труднодоступного месторождения: на суше — в 1941 году (район Баку Бибиэйбат), и в Каспийском море — в 1946-47 годах[3].
Технология контролируемого наклонного бурения развивалась постепенно. Для отклонения компоновки низа бурильной колонны (КНБК) от вертикали в скважину устанавливались клиновые отклонители; бурение производилось традиционными роторными компоновками. Однако направленные скважины, созданные по такой технологии, часто не достигали целевых пластов, имея значительные отклонения от целевых азимутов[2].
В невертикальных участках скважин с наклоном более 12 градусов при необходимости дальнейшего изменения зенитного угла может применяться забойная роторная компоновка со стабилизаторами и утяжеленными бурильными трубами, которая создает на долоте отклоняющую нагрузку. Опорная компоновка применяется для набора угла, маятниковая для уменьшения. Для сохранения набранного угла используется стабилизированная компоновка[2].
Искривление вертикальных скважин при бурении
... является проведение бурения вертикальных и наклонно-направленных скважин строго по проекту, т.е. без отклонения в процессе проводки от заданного направления. С вопросами искривления скважин, как ... 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 ...
С 1960-х годов для направленного бурения стали применяться компоновки с кривым переходником и забойным двигателем (например, использующими гидравлический привод винтовым забойным двигателем или турбобуром).
Изначально кривые переходники имели фиксированный угол наклона от 0,5 до 1 градуса. Направление в таких компоновках задавалось поворотом бурильной колонны, однако для изменения угла наклона требовалось поднятие на поверхность и замена переходника[2].
Позже были изобретены и внедрены переходники с управляемым изгибом (от 0 до 4 градусов), задаваемым с поверхности без поднятия компоновки из скважины. Они также использовались совместно с забойными двигателями, образуя управляемый двигатель. Такой двигатель может использоваться в двух режимах: роторного (вращательного) бурения, при котором усилие создается роторным столом или верхним приводом, и скользящем режиме, в котором бурильная колонна не вращается , а долото приводится в действие забойным двигателем. В скользящем режиме поворотом колонны задается азимутальный угол отклонения, а зенитный угол задается изгибом управляемого переходника.
Рисунок 2. – Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя.
С 1990-х развиваются роторные управляемые системы, позволяющие управлять наклоном скважины во время роторного бурения без периодов скольжения. Изначально они использовались для бурения скважин с большими отклонениями от вертикали, но затем стали широко применяться для бурения скважин любых профилей[2].
Развитие в 2000-х годах наклонно-направленного бурения с горизонтальными участками до 3-4 километров длиной, совместно с многостадийным гидроразрывом пласта позволило начать в Северной Америке экономически оправданную добычу газа, а затем и лёгкой нефти плотных коллекторов из сланцевых формаций
Общие сведения
Наиболее эффективная область использования наклонно-направленного бурения — при разработке месторождений в акваториях, в болотистых или сильно пересечённых местностях и в случаях, когда строительство буровых может нарушить условия охраны окружающей среды. Наклонно-направленное бурение применяют также при бурении вспомогательных скважин для глушения открытых фонтанов, при многоствольном бурении или отклонении нижней части ствола вдоль продуктивного горизонта с целью увеличения дренажа.
Рисунок 3. – Пример применения установки наклонно-направленного бурения
Наклонно-направленное бурение нефтяных и газовых скважин осуществляется по специальным профилям. Профили скважин могут варьироваться, но при этом верхний интервал ствола наклонной скважины должен быть вертикальным, с последующим отклонением в запроектированном азимуте.
Бурение скважин на нефть и газ
... скважина для добычи газа. Через год с глубины 207 м был получен газ, использовавшийся для отопления завода. В 1901 на Бакинских нефтепромыслах появились первые электродвигатели, заменившие паровые машины при бурении. ... основы теории непрерывного наклонного регулируемого турбинного бурения при неподвижной колонне бурильных труб. Этот метод стал основным при бурении наклонных скважин в СССР и ...
При геологоразведочных работах на твёрдые полезные ископаемые наклонно-направленное бурение осуществляется шпиндельными буровыми станками с земной поверхности или из подземных горных выработок. Бурение таких скважин отличается тем, что вначале они имеют прямолинейное направление , заданное шпинделем бурового станка, а затем в силу анизотропии разбуриваемых пород отклоняются от прямолинейного направления.
Существуют два способа наклонно-направленного бурения на нефть и газ. Первый (распространён в США) представляет собой прерывистый процесс проводки скважин с использованием роторного бурения (применяется с начала 20 в.).
При этом способе с забоя скважины долотом меньшего диаметра, чем диаметр ствола скважин, забуривается углубление под углом к оси скважины на длину бурильной трубы с помощью съёмного или несъёмного клинового либо шарнирного устройства. Полученное таким образом направление углубляется и расширяется. Дальнейшее бурение ведётся долотом нормального диаметра с сохранением направления с помощью компоновки низа бурильной колонны, оснащённой стабилизаторами.
Второй способ (применялся в CCCP), предложенный Р. А. Иоаннесяном, П. П. Шумиловым, Э. И. Тагиевым и М. Т. Гусманом в начале 40-х гг. 20 века, основан на использовании турбобура либо другого забойного двигателя. Этот способ представляет собой непрерывный процесс набора искривления и углубления скважины долотом нормального диаметра. При этом способе для набора искривления используется такая компоновка низа бурильной колонны, при которой на долото в процессе бурения действует сила, перпендикулярная его оси (отклоняющая сила).
В этом случае весь процесс наклонно-направленного бурения сводится к управлению отклоняющей силой в нужном азимуте. Создание отклоняющей силы может осуществляться различными путями. Если турбобур односекционный, то для получения необходимой отклоняющей силы достаточно иметь над турбобуром переводник с перекошенной резьбой, либо искривлённую бурильную трубу[4].
При пропуске турбобура в скважину изогнутая часть компоновки над турбобуром за счёт упругих деформаций стремится выпрямиться, а в сечении изгиба возникает момент силы. Отклоняющая сила в этом случае равняется моменту силы, разделённому на расстояние от сечения изгиба до долота. Интенсивность набора угла искривления при описанной выше компоновке будет невысокой, а предельный угол искривления — менее 30°. Для более интенсивного набора искривления сечение изгиба, где возникает момент упругих сил , переносят ближе к долоту. Для этой цели применяются специальные шпиндели и турбобуры. Так как при таких шпинделях резко увеличивается отклоняющая сила, то интенсивность набора угла искривления и предельная величина искривления существенно увеличиваются.
На интенсивность набора угла искривления влияет также частота вращения долота и скорость подачи бурильной колонны в процессе бурения. Чем выше частота вращения долота и чем меньше скорость подачи бурильной колонны, тем интенсивнее, под действием отклоняющей силы, происходит фрезерование стенки скважины и тем интенсивнее искривление. Наибольшая интенсивность искривления может быть получена при применении в нижней части турбобура эксцентричного ниппеля, который позволяет выводить ствол скважины в горизонтальное положение.
Прямолинейные наклонные участки ствола скважины бурятся с компоновками, оснащёнными стабилизаторами. Ориентирование отклоняющей силы в нужном азимуте может осуществляться визирным спуском бурильной колонны либо с помощью инклинометра при установке над турбобуром диамагнитной трубы и магнитным устройством, расположенным в плоскости действия отклоняющей силы. Указанные методы ориентирования отклоняющей силы должны учитывать угол закручивания бурильной колонны, возникающий из-за реактивного момента турбобура, что в некоторой степени отражается на точности ориентирования.
Аналитические исследования технологий бурения скважин с забойными двигателями
... Направленное бурение. Том 3. Безориентированная технология. Бурение винтовыми забойными двигателями.- Алматы. 2005 - 204с. 13. Кейн, С. А. Современные технические средства управления траекторией наклонно направленных скважин [Текст ... №3. - С.28-31. 20. Абнян Х.Л. Турбобуры для наклонного бурения и пути их модернизации // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2010. - №7. - ...
В 80-х гг. распространяются системы телеконтроля, позволяющие в процессе бурения контролировать направление действия отклоняющей силы.
В настоящее время для скважин под добычу нефти используют три метода:
-
Роторное наклонно-направленное бурение. Технология имеет прерывистый характер, который заключается в бурении скважины меньшего диаметра под определённым углом с использованием шарнирного устройства и дальнейшего бурения долотом нужного диаметра по плановому направлению. Согласно методу, дальнейшее бурение производится после заглубления бурильной колонны нужного диаметра по этому же направлению с помощью шарнирной установки или клиновой. Буровая оборудуется стабилизаторами для обеспечения полного контроля процесса.
-
Забойное наклонно-направленное бурение с применением турбобура или двигателя забойного типа. Способ является непрерывным при формировании отклонения от вертикального положения ствола скважины. По технологии поворот ствола осуществляется за счёт воздействия отклоняющей долото силы в колонне, способствующая его отклонению в заданном направлении. То есть управление осуществляется за счёт контроля искривляющей силы бура, действующей в нужном азимуте. Создание такой силы осуществляется с использованием специальных переводников с нарезанной резьбой. Турбобур при наклонно-направленном бурении за счёт сил деформации стремится выровняться , но из-за наличия изгиба образуется момент силы, которая зависит от момента вращения бура. То есть, чем больше вращающий момент, тем больше угол наклона бурения. Предельный угол при этом составляет до 300. Для увеличения угла применяют шпиндели, позволяющие перенести момент отклоняющей силы в точку размещения долота. Горизонтальные участки скважины можно получить при использовании эксцентриковых ниппелей.
-
Наклонно-направленное бурение с применением различных сочетаний буровых инструментов. В соответствии с методом, при изменении порядка бурения с применением разных инструментов создаётся скважина с необходимым направлением без использования отклонителей. Однако при этом данная технология имеет существенные ограничения по скорости бурения на максимальных оборотах, что считается значительным её недостатком.
Технология бурения скважин
... скважины; 3) углом наклона скважины; 4) азимутом скважины; 5) глубиной (рис. 1.2.). По направлению бурения скважины, форме ствола и их количеству скважины делятся на следующие группы: 1- вертикальные; 2- наклонные; ... или с целью изоляции водоносного пласта от нефтегазоносного. 7. Установки фильтра и водоподъемника в гидрогеологической скважине и производство гидрогеологических исследований (замеры ...
Рисунок 4. – Различные типы скважин, созданные с помощью наклонно- направленного бурения
Кустовое бурение наклонно-направленных скважин
При добыче нефти или газа методом наклонно-направленного бурения может возникать необходимость увеличения скорости откачки и уменьшения времени освоения продуктивных горизонтов во время создания новых или ремонта старых скважин. Если жёсткие ограничения по способу проходки до заданной области отсутствуют, то бурение может осуществляться путём продольного прохождения пласта. Протяжённость горизонтального участка при этом может превышать 1 км.
Кустовое наклонно-направленное бурение конструктивно представляет собой наличие единого устья и разветвлённой серии забоев, которые расположены в нескольких продуктивных пластах. Применяется при необходимости попадания в заданный продольный участок пласта или нескольких пластов, расположенных относительно недалеко друг от друга, а также для прокладки проводных и трубных коммуникаций под надземными и подземными препятствиями.
Минимальное число скважин при кустовом наклонно-направленном бурении в одном кусте составляет два, а максимальное — ограничено техническими и геологическими факторами. Способы бурения кустовым методом следующие:
-
Двуствольное последовательное;
-
Двуствольное параллельное;
-
Трёхствольное.
Ответвления скважин от устья при наклонно-направленном бурении могут выполняться в пирамидальном или конусном виде , а основания иметь округлую или многоугольную форму. При освоении многопластовых месторождений возможно радикальное увеличение числа скважин в кусте, относительно существующего количества. При этом количество работающих буровых установок выбирается с учётом обеспечения максимальной производительности освоения продуктивного пласта [5].
Многозабойный метод бурения скважин
Многозабойное наклонно-направленное бурение используется для проходки базового ствола и дальнейшего забуривания с выполнением проходки нижней части пласта. Технология применяется в основном для разведки и разработки нефтяных месторождений. Осуществляется в пластах, отличающихся высокой устойчивостью и имеющие не менее 20 м монолитного пласта из твёрдых скальных пород. При глубине более 1500 м и отсутствии газового слоя многозабойное бурение сокращают из-за увеличения дренирования поверхности продуктивного пласта.
Преимуществом данного метода наклонно-направленного бурения является использование одного и того же ствола для пробуривания нескольких дополнительных стволов, что позволяет сократить время на проведение буровых работ и ускорить добычу нефти. По форме дополнительных стволов многозабойные скважины могут быть следующих видов:
-
Радиальные. Состоят из горизонтального основного ствола, который разветвляется на несколько вспомогательных, расположенных радиально.
-
Разветвлённые. Согласно технологии, дополнительные стволы располагаются под определённым наклоном к основному.
-
Разветвлённые по горизонтали. Отличаются от предыдущего вида только наличием дополнительных стволов, расположенных под углом в 90°.
68 стр., 33662 словТехнология и техника строительства нефтяной эксплуатационной ...
... экономической части. При разработке дипломного проекта был подробно рассмотрен вопрос: вскрытие продуктивных пластов в процессе бурения, буровые растворы для вскрытия продуктивного пласта и ... месторождения Одопту-Море. Данный дипломный проект составлен на основе широко применяемых технологий, которые направлены на качественное проведение работ с сохранением минимальных затрат на скважину. Дипломный ...
Многозабойное наклонно-направленное бурение дополнительных стволов выполняется сверху вниз или снизу вверх. Первый метод используется при переносе работ от разрабатываемого пласта к неизвестному. Он эффективен при обнаружении полезного пласта ниже исследованного уровня, поэтому основное назначение метода — исследование близкорасположенных пластов. Технология бурения снизу вверх позволяет выполнить сгущение сети разведки пласта при необходимости выяснения или уточнения оставшегося запаса полезных ископаемых [5].
Заключение
Методы наклонно-направленного бурения позволяют наиболее эффективно разведывать и разрабатывать продуктивные пласты. Их выбор зависит от технических возможностей буровой установки, геологических особенностей, а также от типа залегающих пластов. Основным их преимуществом является быстрое прохождение сложных твёрдых пород за счёт изменения направления бурения, а также облегчение сгущения сети скважин в сильно пересеченной , или, вовсе, недоступной местности.
Список используемых литературных источников.
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/burenie-naklonno-napravlennyih-skvajin/
-
Наклонно-направленное бурение // Горная энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. Под редакцией Е. А. Козловского. 1984—1991.
-
Гибридная роторная управляемая система бурения — сочетание лучшего // Нефтегазовое обозрение, зима 2011—2012, том 23, № 4; Sclumberger — краткая история
-
ИЗ КОГОРТЫ ПЕРВОПРОХОДЦЕВ. газета «Бакинский рабочий» (2011.- 24 февраля).
-
Технология бурения нефтяных и газовых скважин // Курс лекций Томского национального исследовательского политехнического университета. Епихин А.В. 2015.
-
Технология бурения наклонно-направленных скважин // Компания СНК ОЙЛ 2016.
