5.2. Основы проектирования направленных скважин

Направленное бурение используется широко и разнообразно. Про­ект на каждую скважину составляют применительно к конкретной ситуа­ции. Расположение глубинной цели (например, коллектора), поверхност­ный ландшафт, экологические условия, геологические и технические пре­пятствия, характеристика проходимых пород, потенциальные возможно­сти оборудования - все это играет роль при создании проекта на сооруже­ние направленной скважины. Направленная скважина представляет собой сложное подземное сооружение, включающее вертикальную или наклон­ную выработку в глубь земной коры, переходящую в горную выработку любой направленности в продуктивной зоне горных пород, крепь в виде обсадных колонн и цементных оболочек, фильтр в зоне разрабатываемого нефтяного или газового пласта. Сконструировать направленную скважину значит выбрать элементы ее конструкции такими, чтобы достичь глубин­ной цели и при этом обеспечить безаварийную проходку ствола, его креп­ление обсадными колоннами и тампонажным материалом, надежную гид­родинамическую связь с продуктивным горизонтом, длительную безава­рийную эксплуатацию. Проект на сооружение направленной скважины включает все разделы стандартного проекта: геологическое и технико-технологическое обоснование координат места заложения и глубинной цели, конструкцию скважины и фильтра, поверхностное оборудование и бурильный инструмент, режимы бурения различных интервалов, техноло­гию вскрытия продуктивных горизонтов и заканчивания скважины. Обсу­дим особенности проектирования направленных скважин.

Выбор конфигурации (трассы) направленной скважины

Конфигурация ствола скважины обусловливается многими причи­нами, главные из которых следующие:

• одиночная скважина или куст скважин сооружается в данном месте;

• наличие препятствий для заложения устья над забоем скважины;

• расположение фильтра (вертикально, наклонно или горизонтально).

267

Конфигурация ствола скважины должна обеспечить:

- высокое качество скважины как эксплуатационного объекта;

• минимальные нагрузки на буровое оборудование при спуско-подъемных операциях;

• свободное прохождение по стволу скважины приборов и уст­ройств;

• надежную работу внутрискважинного оборудования;

• возможность применения методов одновременной эксплуатации нескольких горизонтов в многопластовых залежах;

• минимальные затраты на сооружение скважины.

При кустовом бурении профиль направленных скважин должен обеспечить заданную сетку разработки месторождения и экономически рациональное число скважин в кусте.

Проектирование конфигурации направленной скважины заключается в выборе типа и вида профиля, в определении необходимых параметров:

• глубины и отклонения ствола скважины от вертикали;

• длины вертикального участка;

• значений предельных радиусов кривизны и зенитных углов ство­ла скважины в интервале установки и работы внутрискважинного обору­дования и на проектной глубине.

Конфигурацию направленной скважины выбирают с учетом:

• назначения скважины;

• геологических и технологических особенностей проводки ствола;

• установленных ограничений на зенитный угол ствола скважины в интервале установки и работы внутрискважинного оборудования, свя­занных с его конструктивными особенностями и условиями работы;

• установленных ограничений на угол наклона ствола скважины на проектной глубине.

Профили направленных скважин, как правило, подразделяют на три основных типа (рис. 5.1):

Рис. 5.1. Основные типы (1-3) вертикальных проекций наклонно направ­ленных скважин

268

Тип 1 - тангенциальные скважины Тип 2 - S-образные скважины Тип 3 - J-образные скважины

Скважины типа 1 отклоняют вблизи поверхности до угла, соответ­ствующего техническим условиям, затем продолжают проходку до про­ектной глубины, сохраняя неизменным угол наклона. Такой тип часто применяют для скважин умеренной глубины в простых геологических ус­ловиях, когда не используют промежуточные колонны. В более глубокой скважине, когда требуется большое смещение, промежуточная обсадная колонна может быть установлена внутри интервала искривления или за ним, а необсаженный ствол бурят под неизменным углом наклона до про­ектной глубины. Тангенциальный профиль обеспечивает максимальное отклонение ствола скважины от вертикали при минимальном зенитном угле, поэтому его предпочитают применять в случае кустового бурения.

Тип 2 скважин предусматривает после бурения вертикального уча­стка ствола отклонение забоя до некоторого зенитного угла, по достиже­нии которого скважину бурят при постоянном угле наклона, а затем от­клонение уменьшают до полного восстановления вертикального положе­ния ствола. Промежуточная колонна может быть установлена в интервале второго отклонения, после чегоскважину добуривают вертикальным стволом; S-образный профиль используют там, где наличие газовых зон, соленой воды и другие геологические факторы требуют использования промежуточных обсадных колонн. Этот тип иногда используют для буре­ния направленной скважины в целях глушения другой, фонтанирующей, скважины. Он также рационален, когда необходимо развести забои сква­жин при бурении их с одной платформы (например, при бурении в откры­том море).

Тип 3 скважин предполагает отклонение забоя от вертикали на зна­чительно больших глубинах, чем типы 1 и 2. Угол наклона ствола посто­янно растет, пока не достигнута проектная глубина или продуктивный пласт. Как правило, этот тип скважин используют для бурения на пласты, расположенные под солевыми куполами, для кустового бурения, а также вскрытия глубоко залегающих объектов. К J-образным можно отнести также горизонтальные скважины.

Приведем несколько примеров применения направленных скважин различных типов. Направленное бурение делает возможным добычу неф­ти из пластов, расположенных под морским дном на большом удалении от берега. Для эффективной разработки большинства морских нефтяных и газовых месторождений необходимо пробурить много скважин. Стои­мость эксплуатационных платформ в открытом море намного больше стоимости добытой нефти или газа из одиночной скважины. Метод на­правленного бурения позволяет бурить много скважин с одной платфор­мы в разные точки коллектора, располагая забои скважин по оптимальной сетке. Для этого случая наиболее предпочтителен 2-й тип скважин.

Многие месторождения под дном открытого моря достаточно близки к берегу и могут быть достигнуты с суши направленными скважи­нами. Однако в этом случае применимы скважины не только 2-го, но и 1-го типа.

269

Обоснование проекций ствола направленной скважины

Приняв во внимание информацию о типе скважины, ее назначении, глубине вертикальной части ствола, горизонтальном расстоянии до цели, специалист по направленному бурению использует компьютер для по- строения горизонтальных и вертикальных проекций, демонстрируя, как можно пробурить скважину с наименьшими затратами при соблюдении правил безопасности и сохранении окружающей среды. Среди других факторов, которые учитываются при окончательном выборе конфигура­ции скважины, основными являются:

1. состав проходимых пород;

2. подъемные, вращательные и гидравлические мощности буровой установки;

3. тип бурового раствора и конструкция скважины;

4. размеры ствола;

5. потенциальные возможности оборудования.

На рис. 5.2 показан план ствола скважины по 1-му типу. На плане изображены две проекции ствола: вертикальная и горизонтальная. Верти­кальную проекцию вычерчивают на плоскости, проходящей через устье и точку, обозначающую глубинную цель. Отклонение забоя - это горизон­тальное расстояние от ротора до глубинной цели. Его вычерчивают в мас­штабе глубины.

Рис. 5.2. Плановые проекции наклонно нап­равленной скважины:

а - вертикальная;

б - горизонтальная.

На рис. 5.2 отклонение составляет 900 м, а истинная вертикальная глубина (TVD) - 3000 м; измеренная глубина (MD) - длина ствола сква­жины - 3100 м. Значение MDвсегда больше значения TVD, причем раз-

270

ность между ними зависит от угла наклона, скорости набора кривизны и выполаживания, незапланированных отклонений.

Вид в плане показывает расположение проекции скважины на го­ризонтальной плоскости с истинным направлением севера (географиче­ского) вверх листа. В прямоугольной системе координат горизонтальное направление ствола скважины указывают числом градусов на восток или запад по отношению к северу или к югу. Рассматриваемая скважина имеет ствол, направленный к юго-востоку под углом 20-45°. Направление сква­жины можно также обозначить азимутом - числом градусов по часовой стрелке от севера (север - 0, юг - 180, восток - 90, запад - 270). На гори­зонтальном плане также показывают в масштабе величину отклонения, при этом горизонтальный масштаб может отличаться от вертикального (в данном случае горизонтальный масштаб больше вертикального в 2 раза).

Скважина, изображенная на рис. 5.2, бурится вертикально до глу­бины 600 м, после чего ее забой отклоняют до конечного угла 20° 45' на юго-восток (точка начала отклонения обозначается аббревиатурой КОР -kickoffpoint). Этот угол отклонения набирают на длине 300 м в интервале 600-900 м и достигают его конечного значения на глубине 900 м. Сред­нюю скорость набора кривизны можно определить по формуле

10 (конечный угол - начальный угол)/(конечная MD- начальная MD).

Для данной скважины

10(22,5 - 0,0)/(900-600) - 0,8°/10 м.

Дуга окружности, по сравнению с другими формами профиля, по­зволяет достичь минимального сопротивления участка скважины движе­нию труб при одинаковом изменении ее зенитного угла на данном участ­ке, поэтому целесообразно все искривленные участки профиля направ­ленной скважины проектировать в виде дуги окружности. Направленные скважины, которые бурят по 2-му типу профиля, имеют следующие тех­нологические недостатки:

• требуется увеличенный интервал бурения с отклонителем, что ухудшает технико-экономические показатели;

• интервал уменьшения зенитного угла реализуется за счет фрезе­рования стенки скважины боковой поверхностью долота, что сокращает ресурс его работы;

• при подъеме бурильной колонны из скважины возникают боль­шие нагрузки на талевую систему;

• значительные суммарные углы охвата и изменение знака кривиз­ны профиля приводят к появлению прижимающих усилий, способствую­щих желобообразованию и изнашиванию обсадных колонн.

Расчеты показывают, что нагрузка при подъеме колонны буриль­ных труб из скважины в случае бурения по 2-му типу скважин на 35 %

271

выше, чем при бурении по 3-му типу, и на 20 % выше, чем при бурении по 1-му типу скважин.

Применение 1-го и 3-го типов направленных скважин взамен 2-го позволяет на практике:

• уменьшить суммарный угол охвата и связанные с ним нагрузки на буровое оборудование;

• минимизировать длину участка начального искривления;

• осуществить проходку скважин с большими отклонениями от вертикали;

• наиболее полно использовать вес бурильной колонны для созда­ния осевой нагрузки на долото.

К сожалению. 1-й и 3-й типы направленных скважин требуют бо­лее сложной технологии для проходки ствола по сравнению со скважина­ми 2-го типа.

Выбор элементов конструкции направленной скважины

Геометрические размеры обсадных колонн, глубины их спуска, нали­чие цементной оболочки за ними определяют так же, как и для вертикальных скважин, исходя из геологической и промысловой характеристик конкретной площади. Однако выбор элементов конструкции направленной скважины должен включать дополнительно: а) выбор рациональной глубины верти­кального участка ствола; б) выбор допустимой величины выхода ствола на­правленной скважин из-под башмака предыдущей обсадной колонны; в) вы­бор конструкции фильтра (для горизонтальных скважин).

При сооружении направленных скважин с большим отклонением забоя от вертикали при глубине залегания продуктивного горизонта, со­измеримой с величиной отклонения, проектировщик сталкивается с необ­ходимостью выполнения противоречивых требований. Для обеспечения эффективной нагрузки на долото глубина вертикальной части ствола сква­жины должна быть по возможности больше, но при этом зенитный угол достигает больших значений. В то же время, чтобы сократить число рей­сов с применением отклонителя и обеспечить проектное отклонение, не­обходимо начинать искривление ствола как можно ближе к устью. Но то­гда возникает необходимость спуска кондуктора в ствол, искривленный до 70 °. В связи с этим приходится решать вопрос о технической оптими­зации глубины вертикального участка ствола скважины. Как правило, под кондуктор бурят вертикальный ствол, если коэффициент отклонения, рав­ный отношению горизонтального смещения забоя к длине вертикального участка скважины, не более 0,7. Выбор глубины спуска первой техниче­ской колонны необходимо увязывать не только с геологическими усло­виями разреза и степенью осложненности условий бурения, но и с конфи­гурацией направленной скважины, определяющей возможность спуска обсадной колонны на заданную глубину в необсаженном наклонном ство­ле с учетом действующих на нее сил сопротивления.

272

Особенности профилей горизонтальных скважин

Профиль горизонтальной скважины состоит из двух сопряженных между собой частей: направляющего и горизонтального участков ствола. Под направляющим участком ствола будем понимать его участок от устья до точки с заданными координатами на кровле и непосредственно в самом продуктивном пласте. Назначение направляющей части горизонтальной скважины заключается в выведении скважины под определенным углом в точку продуктивного пласта с заданными координатами.

При расчете профиля этой части горизонтальной скважины кроме

проектной глубины и отклонения забоя от вертикали необходимо задавать

значение зенитного угла на проектной глубине. Методика расчета направ-

ляющей части профиля горизонтальной скважины основана на решении

системы уравнений проекций участков профиля на вертикальную и гори-

зонтальную плоскости.

По радиусу кривизны ствола различают три типа профиля гори-зонтальной скважины: с большим, средним, коротким (ультракоротким) радиусом.

Горизонтальные скважины с большим радиусом кривизны (>190 м) могут быть сооружены при кустовом бурении на суше и море, а также при бурении одиночных скважин со значительной протяженностью горизон-тального участка (600-1500 м). Для таких скважин используются стан-дартная техника и технология направленного бурения, позволяющая создать максимальную интенсивность искривления (0,7-2° на 10 м проходки).

Горизонтальные скважины со средним радиусом кривизны (60-190 м) применяют как при бурении одиночных скважин, так и для восстановле-ния эксплуатационной характеристики действующих скважин. Макси-мальная интенсивность искривления таких скважин 3-10° на 10 м при длине горизонтального участка 450-900 м. Горизонтальные скважины со средним радиусом кривизны позволяют точнее попадать в глубинную цель, что особенно важно для вскрытия нефтяных и газовых пластов ма-лой мощности.

Горизонтальные скважины с малым радиусом искривления (10-60 м) обеспечивают наибольшую точность попадания в глубинную цель. Ин-тенсивность искривления достигает 25° на 1 м проходки при длине гори-зонтального участка 90-250 м.

С уменьшением радиуса кривизны ухудшаются условия работы бурильных труб, затрудняется прохождение в ствол забойных двигателей, геофизических приборов и обсадных труб, поэтому даже при бурении скважин со средним радиусом кривизны в компоновку низа бурильной колонны включают специальные трубы и укороченный двигатель. Про- водка скважин с коротким и ультракоротким (<10 м) радиусом кривизны невозможна без специальных труб и инструмента.

273

Большое разнообразие геолого-технических условий эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, различное состояние их разработки требуют индивидуального подхода к проектированию горизонтальных скважин даже в пределах одного месторождения. Проектирование гори­зонтальной скважины целесообразно начинать с определения протяжен­ности, формы и направления горизонтального участка ствола. Эти харак­теристики скважины зависят от степени неоднородности продуктивного пласта, его мощности и литологии, прочности пород и устойчивости раз­реза. В продуктивных пластах небольшой мощности (5-15 м) при глубине их залегания до 2000 м рекомендуется вписывать горизонтальный участок ствола в среднюю часть пласта по траектории, параллельной кровле и по­дошве. Низкопроницаемые пласты значительной мощности с преимуще­ственно вертикальной трещиноватостью целесообразно разбуривать па­раллельными горизонтальными стволами. Если продуктивный пласт име­ет небольшую мощность и неоднородную структуру, когда продуктивные зоны чередуются с непродуктивными прослойками, причем сведения о таком «слоеном пироге» недостаточно точные, то такие пласты рекомен­дуется вскрывать волнообразным стволом. В условиях слоисто-неоднородных пластов небольшой толщины, расчлененных непроницае­мыми прослойками, рекомендуется продуктивную часть разреза пересе­кать полого-наклонным стволом от ее кровли до подошвы. В этом случае гарантируется вскрытие всех продуктивных пластов и пропластков.

Скважины с горизонтальным участком протяженностью более 500 м планируют с большим радиусом кривизны, чтобы минимизировать силы сопротивления бурильной колонне и обеспечить достаточную нагрузку на долото.

Скважины с коротким и ультракоротким радиусами кривизны ис­пользуют для проектирования профиля дополнительного ствола, бурение которого производится через окно, вырезанное в обсадной колонне, а также для вскрытия горизонтальным стволом пластов малой мощности.

Проектирование траектории направленных скважин

Профиль направленной скважины должен удовлетворять скорост­ному и качественному сооружению скважины при обязательном достиже­нии поставленной цели. При этом следует иметь в виду применение трех основных типов профилей, описанных выше:

1. тангенциальный, состоящий из трех участков - вертикального, набора зенитного угла и наклонного прямолинейного;

2. S-образный, состоящий из пяти участков - вертикального, набо­ра зенитного угла, наклонного прямолинейного, уменьшения зенитного угла и вертикального;

3. J-образный, состоящий из двух участков - вертикального и на­бора зенитного угла.

274

Любые другие профили скважин являются либо промежуточными, либо комбинацией упомянутых трех типов.

Расчет профиля указанных типов сводится к определению зенит­ного угла ствола скважины, длин вертикальных и горизонтальных проек­ций профиля, радиуса кривизны участков набора и уменьшения зенитного угла.

При проектировании любого профиля направленной скважины не­обходимо располагать следующими исходными данными:

• глубина проектного забоя;

• отклонение проектного забоя от вертикали, проходящей через устье скважины;

• азимут цели по отношению к устью;

• конструкция скважины с поинтервальным указанием диаметров ствола и глубин спуска обсадных колонн.

Первый (вертикальный) интервал для 1-го и 2-го типов профилей должен быть по возможности коротким, что позволяет свести к минимуму затраты времени на ориентированный спуск бурильной колонны; для 3-го типа профиля длина вертикального участка должна быть максимальной, что позволяет минимизировать длину второго участка и тем самым сокра­тить время работы в скважине с отклоняющими устройствами.

Наиболее целесообразно начинать искривление скважины (КОР) и заканчивать его в устойчивых сравнительно твердых породах, причем тра­ектория набора и уменьшения кривизны должна соответствовать окруж­ности определенного радиуса. Это позволит свести к минимуму опасность образования желобов и силы трения при спускоподъемных операциях.

Интервалы набора и уменьшения кривизны ствола скважины должны быть по возможности минимальными, чтобы обеспечить мини­мальные затраты времени на их проходку. С этих позиций радиус искрив­ления ствола должен быть как можно меньше, однако его значение часто ограничено снизу следующими требованиями:

• при спуске и подъеме бурильного инструмента в нем не должны возникать запредельные напряжения;

• обсадные колонны должны быть спущены в скважину и зацемен­тированы без осложнений;

• должны быть обеспечены спуск и нормальная работа как в от­крытом стволе, так и в обсадной колонне глубинных приборов и погруж­ного оборудования.