5.6. Особенности бурения и навигации горизонтальных скважин

Как уже отмечалось, горизонтальные скважины являются частным случаем наклонно направленных скважин. В последние несколько лет в мире было пробурено большое число горизонтальных скважин. Основная

298

задача горизонтальных скважин - увеличение поверхности контакта с коллектором и, таким образом, повышение их производительности. Ана­логичную задачу решают для нагнетательных скважин.

Следует понимать, что любая скважина, которой пересекают пласт вдоль напластования, может называться горизонтальной, в то время, когда вертикальные скважины бурят перпендикулярно к напластованию, а на­клонные - под углом к напластованию. Таким образом, скважины, вскры­вающие вертикально расположенные пласты вертикальным стволом, яв­ляются в сущности горизонтальными. Для горизонтальной скважины ее продуктивность не столько зависит от мощности пласта, сколько от дли­ны фильтровой зоны скважины. В настоящее время возможно бурение горизонтальных участков скважины длиной более 3000 м. Горизонталь­ный участок может вскрыть как однопластовую, так и многопластовую залежь в виде лестницы или путем последующего гидроразрыва в верти­кальном направлении.

Утверждение о том, что бурить горизонтальные скважины всегда целесообразно и выгодно, - неверное. Так, в гомогенном пласте большой мощности без газовой шапки и подстилающей воды при низкой верти­кальной и высокой горизонтальной проницаемости фильтровую часть скважины лучше бурить наклонно или даже вертикально. Аналогичен подход к вскрытию скважиной многопластовой или тонкослоистой тол­щи, а также зоны с естественной системой равномерной трещиноватости. Очевидно, что крутопадающий пласт надо вскрывать вертикальной или наклонной скважиной. Часто многопластовую залежь вскрывают много­забойными горизонтальными скважинами. Такие скважины предпочти­тельнее бурить в пласте с высокой вертикальной проницаемостью или при наличии подошвенной воды. Таким образом, выбору горизонтальной скважины должен предшествовать анализ геологической ситуации.

Горизонтальные скважины эффективно используют в следующих случаях: в трещиноватых коллекторах с их помощью лучше дренируют неф­тяные пласты; в коллекторе с подошвенной водой или с газовой шапкой го­ризонтальные скважины используют, чтобы уменьшить опасность обводне­ния или прорыва пластового газа в скважину; в низкопроницаемых коллек­торах горизонтальные скважины лучше дренируют пласт, что позволяет со­кратить число скважин; в высокопроницаемых газовых коллекторах горизон­тальные скважины позволяют уменьшить скорость движения газа и сокра­тить потери пластовой энергии на турбулентное трение; для увеличения неф­теотдачи термическим воздействием, так как создается возможность сущест­венно повысить приемистость по теплоносителю.

Рассмотрим некоторые практические особенности бурения гори­зонтальных скважин по сравнению с наклонными.

1. Опасность прихвата и обрыва колонн:

- в горизонтальных скважинах опасность прихвата и обрыва бу­рильных труб меньше, так как искривление скважины происходит в ниж-

299

ней части разреза, который характеризуется, как правило, сравнительно устойчивыми породами;

• желобообразование имеет место в перегибах ствола, когда бу­рильная колонна находится в растянутом состоянии, но в горизонтальных скважинах обычно большая часть колонны при бурении сжата и не выра­батывает желоб в одном и том же месте;

• обычно техническая колонна спускается перед разбуриванием продуктивной зоны пласта, что уменьшает опасность прихвата в горизон­тальной скважине.

2. Трение:

• горизонтальные скважины характеризуются высоким уровнем трения бурильных колонн о стенки скважины, особенно на ее горизон­тальном участке;

• трение усиливается с увеличением протяженности горизонталь­ного участка, так как нагрузка на долото в этом случае обычно создается почти всем весом бурильной колонны; не последнюю роль играет качест­во бурового промывочного раствора, прежде всего его смазывающая спо­собность.

3. В отличие от наклонной скважины забойная компоновка при бу­ рении горизонтального стола следующая:

- долото - забойный двигатель - стабилизатор - LWDвместо MWD- немагнитная УБТ - толстостенные бурильные трубы - ясс – тол-­ стостенная бурильная труба - тонкостенные бурильные трубы до устья.

Важнейшая задача при горизонтальном бурении - не допустить скручивания бурильных колонн, поэтому на горизонтальных участках стремятся как можно меньше использовать УБТ и тем самым уменьшать сопротивление трению. Лучшее правило: компоновка должна быть по воз­можности простой.

В зарубежной практике в составе бурильных колонн при горизон­тальном бурении применяют один или два ясса, причем верхний ясс сра­батывает как вверх, так и вниз, а нижний должен срабатывать только вверх во избежание его срабатывания в процессе бурения. Надо избегать спуска ясса в искривленные части скважины. Иногда ясс не применяют вообще.

4. Фактическая вертикальная глубина скважины. При бурении го-­ризонтальной скважины большая ответственность ложится на исполните­лей работы при определении глубины скважины по вертикали по данным меры бурового инструмента. Незначительная ошибка в глубине может оказаться роковой, так как исключается вхождение долота в пласт в за­данной точке. А это приведет к ошибке в размещении фильтровой части скважины в пласте (например, разместят фильтр в водоносной или в газо­носной части нефтесодержащего пласта).

300

5. Контроль траектории скважины. Бурение горизонтального участка будет медленным или даже невозможным, если некачественно пробурена направляющая часть ствола. Здесь не допустимы ошибки в навигации.

При бурении непосредственно горизонтальной части скважины от­ветственность за правильную навигацию повышается, хотя управление траекторией по показаниям инклинометра и магнитометра или гироскопа становится неэффективным. На первый план может выступить контроль за параметрами проходимого пласта (проницаемость, нефтенасыщенность, фациальный состав, пористость, водонасыщенность, термодинами­ческие параметры). Контроль этих параметров осуществляют системы LWD(каротаж во время бурения).

6. Горизонтальный участок сопоставим с направляющим участком как по длине, так и по продолжительности бурения.

7. Буровые промывочные и тампонажные растворы должны обла­дать седиментационнои устойчивостью, так как существует опасность осаждения на нижней стенке скважины шлама и тяжелых компонентов раствора, что осложнит бурение и крепление горизонтальной скважины.

8. Нагрузка на долото. При бурении горизонтального участка сква­жины нагрузка на долото создается не нижней, а верхней частью бурильной колонны, причем определить ее по индикатору веса затруднительно. В связи с этим в горизонтальном бурении остро стоит вопрос измерения режимных параметров бурения непосредственно на забое скважины.

Как указывалось, основная цель бурения горизонтальных скважин - создание фильтровой зоны по простиранию пласта. Поэтому проектиро­вание горизонтальной скважины следует начинать с определения протя­женности, формы и направления горизонтального участка, которые непо­средственно зависят от степени неоднородности продуктивного пласта, его мощности и литологии, распределения горной породы по твердости и устойчивости разреза. Следует предусмотреть мероприятия по минимиза­ции загрязнения пласта буровыми и тампонажными растворами с учетом длительности и протяженности интервала их воздействия.

Эксплуатационная характеристика пласта должна включать:

• запасы нефти, извлечение которых вертикальными или наклонными скважинами затруднено или практически невозможно;

• пластовое давление;

• состояние разработки залежи;

• режим работы пласта;

- способы эксплуатации, предполагаемая частота ремонтов, их причины и характер;

- эффективность других методов интенсификации добычи и мето­дов увеличения нефтеотдачи.

Горизонтальная скважина состоит из направляющей части и горизон­тального участка. Направляющая часть включает вертикальный участок, уча­сток начального искривления, тангенциальный (прямолинейный) участок и участки увеличения зенитного угла или состоит только из вертикального уча­стка и участка увеличения зенитного угла. Одним из главных участков такой

301

скважины является вертикальный. В процессе бурения вертикального участ­ка его ось отклоняется от вертикали и скважина приобретает вид спирали. Такое искривление препятствует дальнейшему нормальному ходу бурения скважины: ухудшаются условия продвижения инструмента в ней в процессе спускоподъемных операций, создания достаточной нагрузки на забой, про­ведения инклинометрических и геофизических работ и т.д.

Для уменьшения отклонения применяют компоновки низа буриль­ных колонн (КНБК) самых разнообразных конструкций, подразделяю­щихся на три основных типа: маятниковые, жесткие и опорные.

Эффективность работы КНБК при этом определяют три основных элемента: жесткость, зазор между компоновкой и стенками скважины и длина компоновки, В настоящее время применяют в основном жесткие КНБК, расчет места установки в них опорно-центрирующих элементов проводят с допущением, что отклоняющая сила на долоте равна нулю и угол между осью компоновки и осью скважины также равен нулю.

При проводке искривленных и прямолинейных участков горизон­тальных и разветвленно-горизонтальных скважин в отечественной прак­тике используют КНБК и их элементы, приведенные на рис. 5.16.

КНБК для набора зенитного утла по большому радиусу представ­лена на рис. 5.16, а. В ней используются турбинные отклонители ТО2-240 и ШО-195. В зависимости от угла искривленного переводника и диаметра долота обеспечивается интенсивность искривления 0,8-2,0° на 10 м. КНБК для набора зенитного угла по среднему радиусу собирается в соответст­вии со схемами на рис. 5.16, а, б.

При использовании в качестве отклонителя винтового двигателя Д2-172 (см. рис. 5.16, а) в зависимости от угла искривленного переводни­ка обеспечивается интенсивность искривленного ствола скважины в диа­пазоне 2,9-3,8° на 10 м. В случае применения двигателей ДГ-172, ДГ-155 и искривленного переводника с подпором (см. рис. 5.16, б) интенсивность искривления в пределах 5,7-10,0° на 10 м.

При бурении горизонтальной скважины по малому радиусу КНБК собираются в соответствии со схемами на рис. 5.16, в, г. При исполь­зовании отклонителей ДГ2-106, ДГ-155, ОШ-172 с шарнирным соедине­нием (см. рис. 5,16, в) обеспечивается интенсивность искривления в диа­пазоне 1,1-1,4° на 1 м. Применение отклонителей ДГ-106, ДГ2-106 и ДГ-155 в сочетании с корпусным шарниром (см. рис. 5,16, г) дает возмож­ность получить интенсивность искривления в пределах 1,9-2,9° на 1 м.

Схемы КНБК для стабилизации, малоинтенсивного увеличения и уменьшения зенитного угла представлены на рис. 5,16, д, е. КНБК базируют­ся на использовании серийных турбобуров и винтовых забойных двигателей с центратором на корпусе забойных двигателей. Конструкция КНБК обеспе­чивает ее проходимость в искривленном стволе скважины и бурение гори­зонтального участка с интенсивностью искривления 0-5° на 100 м. Ориенти­рование отклонителя и постоянный контроль параметров искривления ствола скважины при наборе зенитного угла проводятся телеметрической системой.

302

При забуривании дополнительного ствола из обсаженной скважи­ны ориентирование отклонителя проводится с помощью устройств, вклю­чающих гироскопические инклинометры ИГ-50, ИГ-36.

Оперативный контроль параметров искривления ствола скважины осуществляется одноточечными инклинометрами с часовым механизмом сбросового и встроенного типов. Инклинометры и геофизические прибо­ры доставляются по бурильной колонне к точке измерения потоком буро­вого раствора с помощью специального устройства (КТГ).

Многозабойные и горизонтально-разветвленные скважины бурят обычными буровыми установками с помощью серийно выпускаемого обо­рудования. Мощность и грузоподъемность буровой установки необходи­мо выбирать с учетом дополнительных сил сопротивления, возникающих на участках резкого искривления и на горизонтальных участках при взаи­модействии бурильной и обсадной колонн со стенками скважины при осе­вых перемещениях. Напряженность бурильных и обсадных колонн до­полнительно возрастает вследствие изгиба труб на участках резкого ис­кривления стволов. Колонны для этого вида бурения следует выбирать по

303

допустимым напряжениям, возникающим в теле трубы, при их деформи­рованном положении в скважине. При этом выбираемый при расчете ко­эффициент запаса прочности должен быть минимальным, равным 1,25. В монолитных устойчивых породах дополнительные стволы не закрепляют обсадными трубами. Верхнюю часть разреза при этом закрепляют до кровли продуктивного пласта. Такая конструкция позволяет облегчить проходку и освоение всех ответвлений скважин. В продуктивных пластах, сложенных неустойчивыми породами, основной ствол должен быть за­креплен хвостовиком (разъемным). На хвостовики устанавливают ворон­ки для облегчения ввода труб. Это необходимо в том случае, если сква­жина многозабойная. Если скважина заканчивается одним пологим ство­лом, пройденным в продуктивном пласте, проблема крепления скважины упрощается. Ствол до продуктивного пласта закрепляют обсадной колон­ной и цементируют. В горизонтальную часть скважины спускают заранее перфорированный хвостовик с таким расчетом, чтобы его верхний конец оставался внутри основной эксплуатационной колонны.

Кустовое бурение. Под кустовым бурением понимается способ, при котором устья скважин группируются на общей площадке, а конеч­ные забои находятся в точках, соответствующих проектам разработки пласта, месторождения.

При кустовом бурении скважин значительно сокращаются строи­тельно-монтажные работы в бурении, уменьшается объем строительства дорог, линий электропередачи, водопроводов и т.д. Наибольший эффект от кустового бурения обеспечивается в условиях моря, в болотистых ме­стностях и др. Впервые в б. СССР кустовое бурение было осуществлено под руководством Н.С. Тимофеева на о-ве Артема в Азербайджане. В на­стоящее время в кустах в бурят 8-24 скважины и более.

Основными подготовительными работами являются подготовка пло­щадки к строительству наземных сооружений и прокладка коммуникаций. На заболоченной или затопляемой территории технически возможны сле­дующие методы их освоения: сооружение дамб, ограничивающих площадку; сооружение искусственных островов; при высоком уровне вод - сооружение эстакад, платформ, других сооружений. Применяют различные типы и вари­анты кустований в зависимости от природных условий.

Одна из основных особенностей проводки скважин кустами - не­обходимость соблюдения условий непересечения стволов скважин.

К недостаткам кустового наклонно направленного способа бурения следует отнести: вынужденную консервацию уже пробуренных скважин до окончания некоторой скважины данного куста в целях противопожарной безопасности; увеличение опасности пересечения стволов скважин; труд­ности в проведении капитального и подземного ремонтов скважин, а также в ликвидации грифонов в условиях морского бурения и др.

Многозабойное бурение. Сущность этого способа бурения состоит в том, что из основного ствола скважины с некоторой глубины проводят один или несколько стволов, т.е. основной ствол используется многократ-

304

но. Полезная же протяженность скважин в продуктивном пласте и, следо­вательно, зона дренирования (поверхность фильтрации) возрастают. Пер­вая многозабойная скважина была пробурена в 1953 г. на Карташевском рифовом месторождении Башкортостана. Первая горизонтальная скважи­на, проходящая 130 м непосредственно по пласту мощностью около 30 м, была проведена в 1957 г. на Яблоновском месторождении Куйбышевской (ныне Самарской) области. Несмотря на то что скважина была пробурена на сильно дренированный пласт, ее суточный дебит составил 40 т, что многократно превышало дебиты вертикальных скважин.

Во ВНИИБТ в результате работ по многозабойному и горизон­тальному бурению разработаны специальные укороченные турбобуры Т12М2К, в которых впервые была применена проточная пята, отработана технология безошибочного попадания в дополнительные стволы, разрабо­тана система доставки геофизических приборов в горизонтальные стволы, которая используется с некоторыми модификациями по настоящее время как в РФ, так и за рубежом (система «Симфор»). ВНИИБТ разработаны технические средства и методы, позволяющие достаточно надежно про­водить горизонтальные стволы в заданном направлении. При использова­нии электробура в качестве забойного двигателя имеющийся набор се­рийно выпускаемых технических средств позволяет проводить интенсив­ное искривление скважины по радиусу 120 м и менее и вести горизон­тальное бурение при постоянном контроле за пространственными пара­метрами ствола.

Большая часть горизонтальных скважин в стране пробурена с по­мощью гидравлических забойных двигателей. В этой области основным направлением работ в последние годы было создание технических средств и отработка технологии бурения стволов горизонтальных скважин с ми­нимальными отклонениями от расчетной траектории. ВНИИБТ созданы комплексы технических средств «Горизонт-1», включающие отклонитель на основе укороченного забойного двигателя объемного типа диаметром 172 мм, и специальные средства для доставки геофизических приборов в скважину при больших углах наклона ствола. Создан универсальный от­клонитель ОШ-172, который используют как при искривлении ствола скважины, так и при бурении горизонтальных участков ствола, что дости­гается путем замены сменных деталей отклонителя в условиях механиче­ского цеха или буровой. Обеспечивается радиус искривления ствола скважины 275,9-мм долотом, равный 40 м и более.

Отработана технология выхода на горизонтальное направление и проводки горизонтального ствола длиной 150-200 м с отклонением от вер­тикальной отметки в пределах 4 м. Это достигается за счет высокой сте­пени совпадения расчетной и фактической интенсивности искривления ствола при работе с отклонителем ОШ-172, непрерывного контроля за по­ложением отклонителя при помощи прибора с кабельной линией связи, использования специальных шарнирных компоновок при проводке гори-

305

зонтального ствола, а также периодических инклинометрических измере­ний. Крепление стволов скважин проводится эксплуатационной колонной диаметром 140-146 мм, оборудованной в продуктивной зоне фильтром такого же диаметра. Эксплуатационная колонна цементируется выше башмака 245-мм промежуточной колонны с применением пакера типа ПДМ-140 (ПДМ-146). Геофизические исследования горизонтального ствола проводят с применением радиационных методов. В зарубежной практике этот метод, а главное узел управления, сбора информации и кор­ректировки ствола скважины и, кроме того, специальные трубы и другой инструмент разработаны в нескольких вариантах, которые обеспечивают проводку скважин по пласту мощностью всего несколько метров. Система измерений при бурении позволяет осуществлять процесс в автоматиче­ском режиме.

306