Геолого-технологическис исследования в процессе бурения
Лукьянов Э. E., Стрельченко В. В.
Для увеличения запасов и добычи нефти и газа необходим существенный рост темпов разведки новых нефтяных и газовых месторождений, повышение эффективности геологоразведочных работ, ускоренное разбуривание вводимых в разработку месторождений при резком повышении технико-экономических и качественных показателей буровых работ.
Важнейшим резервом в реализации этой задачи является развитие и внедрение в практику геологоразведочных работ прогрессивного направления промысловой геофизики — геологотехнологических исследований (ГТИ) в процессе бурения.
ГТИ в процессе бурения в отличие от традиционных методов геофизических исследований скважин (ГИС) проводятся непосредственно в процессе бурения скважины, без простоя буровой бригады и бурового оборудования. Они способны решать комплекс геологических и технологических задач, направленных на оперативное выделение в разрезе бурящейся скважины перспективных на нефть и газ пластов-коллекторов* изучение их фильтрационно-емкостных характеристик р характера насыщения, оптимизацию отбора керна,.»экспрессного опробования и изучения методами ГИС выделенных объектов,/обеспечения безаварийной проводки скважин и оптимизацию режима бурения с целью достижения оптимальных технико-экономических показателей процесса бурения. Эти особенности ГТИ делают их весьма перспективным направлением промысловой геофизики, способным существенно улучшить геологическую и экономическую эффективность буровых работ на нефть и газ.
Комплексное изучение влияния процесса разбуривания горных пород на естественные физические поля (электрические, тепловые, геохимические, гидродинамические) в околоскважинном пространстве с учетом возникающих при этом искусственных физических полей (виброакустических, гидродинамических, геохимических и др.) позволяет по-новому подойти к буровой скважине как объекту исследований и управления, используя наборы (комплексы) параметров, изучаемых в процессе бурения для зондирования исследуемого разреза, а полученную информацию — для оптимального управления процессом углубления скважины.
Первоначально опробованные и внедренные под руководством одного из авторов в Западной Сибири, сегодня ГТИ широко используются во многих районах страны в организациях нефтяной и газовой промышленности, а позже — и в геологических организациях.
Данные наблюдений за параметрами бурового процесса с целью получения оперативной информации о геологическом разрезе скважин используются уже давно.
Впервые идея об использовании газов, содержащихся в буровом растворе при бурении скважин, для выявления нефтегазона — сыщенности разреза была высказана в 1933 г. В. А. Соколовым и М. В. Абрамовичем.
Промысловые исследования в этом направлении были проведены путем анализа газов в эпизодически отбираемых пробах раствора в 1934 г. М. Н. Бальзамовым под руководством В. А. Соколова.
В 1935—36 гг. Г. А. Могилевским впервые была проведена газометрия по керну, а в 1938—39 гг. им же проведены газометрические исследования по буровому раствору с непрерывным выделением газа.
В 1933—36 гг. советские геологи-нефтяники (П. И. Левуцкий и др.) применили для исследования геологических разрезов метод измерения продолжительности бурения (механический каротаж), а в 1938 г. В. Н. Дахнов предложил автоматический прибор и разработал методику регистрации продолжительности проходки при бурении, существенно дополнившую данные, получаемые при проведении газометрии.
В 1938—1941 гг. по предложению К. П. Фроловской и других российских специалистов были осуществлены исследования скважин люминесцентно-битуминологическим методом (люминесцентный каротаж).
В 1939—1941 гг. серьезные работы по созданию и опробованию приборов для анализа газа проводились под руководством В. А. Соколова в Московском нефтяном институте.
Сообщение об использовании газового каротажа скважин в США относится к 1938 г. (И. Хайвард). Широкое развитие газо — метрии в СССР началось в 1941 г. после создания специализированной конторы — «Нефтегазосъемка».
В 1949 г. появились первые полуавтоматические газокаротажные станции, из которых наиболее массовой была станция ГКС-3 (ВНИИгеофизика — завод «Нефтеприбор»), которой оснащалась в 50-е годы широко создаваемая служба газового каротажа.
Существенный качественный скачок газовый каротаж притерпел с внедрением в практику работ газовой хроматографии, разработанной в 1951 —55 гг. В. А. Соколовым, А. М. Туркель — таубом и В. А. Жуховицким. На основе этих работ были существенно улучшены теория и методика газового каротажа, разработаны и выпущены автоматические газокаротажные станции (АГКС-55/59, АГКС-65, АГКС-4АЦ), большая роль по созданию которых принадлежит Л. И. Померанцу, Г. И. Эпштейну, В. В. Владимирову и др.
Кроме вышеперечисленных исследователей, в развитие теории, методики измерений, интерпретации данных газового каротажа, каротажа по шламу и создание аппаратуры значительный вклад внесли отечественные исследователи Ю. М. Юровский, А. М. Левит, К. Н. Соколова, П. А. Левшунов, Л. М. Че — калин, О. А. Черемисинов, В. М. Кузьмин, В. В. Масюков, Л. А. Гал-кин, Г. Г. Григорьев, Б. П. Ясенев, А. М. Мелик-Шахназаров, А. С. Моисеенко, В. Д. Неретин, Я. Р. Белорай, И. Г. Мельников, В. В. Стрельченко и многие другие.
Переход от газового каротажа к ГТИ характеризуется попыткой расширить комплекс геохимических исследований в процессе бурения путем введения дополнительных датчиков технологических параметров и свойств промывочной жидкости (ПЖ), большинство из которых было опробовано в промысловых условиях к 1968 году [52].
В 1968 году в тресте «Тюменнефтегеофизика» была создана опытно-методическая партия, которая в период 1968—1971 гг. под руководством Э. Е. Лукьянова решала вопросы получения геоло — го-технологической информации в процессе бурения с помощью методов промысловой геофизики. В этот период создана аппаратура для получения новой информации в процессе бурения (станция контроля параметров бурения АСПБ), прошли промысловую проверку новые методы исследования скважин в процессе бурения: детальный механический каротаж (ДМК), фильтрационный каротаж (ФК), каротаж по давлению (КД), позволяющие получить дополнительную геологическую информацию. В результате опытно-методических работ была показана высокая технико-экономическая эффективность применения станции АСПБ для оперативного управления процессом бурения. Разработанные методики рациональной отработки долот позволили поднять проходку на долото в 1,5 раза с одновременным увеличением скорости бурения.
Комплексом работ 1968—1971 гг. была убедительно показана необходимость создания при промыслово-геофизических предприятиях специализированной службы контроля параметров технологии бурения, совмещенной с газокаротажными исследованиями.
В начале 1972 года приказом по Главтюменнефтегазу такая служба впервые в стране была создана при Мегионской промыслово-геофизической конторе. Первым начальником партии контроля параметров процесса бурения был назначен Л. Я. Цыглеев. Этим было положено начало производственным геолого-технологическим исследованиям в процессе бурения в Западной Сибири.
"’■’"Большую поддержку в становлении службы ГТИ в Западной Сибири оказало руководство Главтюменнефгегаза (В. И. Мурав — ленко, М. Н. Сафиуллин, Ю. Б. Файн), треста «Тюменнефтегео- физика» (И. М. Довгополюк) и Главнефтегеофизики (Н. А. Савостьянов, А. А. Мухер).
Период 1972—1976 гг. характеризуется увеличением объемов работ по ГТИ, созданием производственных партий в других предприятиях треста «Тюменнефтегеофизика», совершенствованием техники и методики проведения работ, оказанием технико-ме — тодической помощи ряду трестов Управления промысловой и полевой геофизики Миннефтепрома («Саратовнефтегеофизика», «Пермнефтегеофизика», «Коминефтегеофизика» и др.), что способствовало развитию этих работ в других районах страны.
На основе обобщения полученных за этот период материалов были созданы технико-методические пособия для работников службы ГТИ Западной Сибири [23, 24].
Ключевым моментом в постановке проблемы создания службы геолого-технологических исследований в масштабе страны послужило «Объединенное заседание секций геологии, нефтепромысловой и полевой геофизики, бурения нефтяных и газовых скважин НТС Миннефтепрома и НТО «Горное», проходившее 21—24 апреля 1975 года в г. Грозном.
В работу по созданию технико-методических средств ГТИ включились институты ВНИИнефтепромгеофизика, ВНИИгео — физика, ВНИИКАиефтегаз, Андижанское СГТКБ ВО Союзнеф — теавтоматика, ЦГЭ Главнефтегеофизики Миннефтепрома и ряд производственных геофизических трестов.
В 1975 г. институтами ВНИИНПГ, ВНИИ5Т, трестами «Тю — меннефтегеофизика» и «Саратовнефтегеофизика» были разработаны совместные технические требования на автоматизированную систему сбора и обработки технологической и геолого-гео — физической информации в процессе бурения скважин и намечены этапы НИР и ОКР на период 1975—1980 гг. К этой же работе было привлечено Андижанское СПКБ с целью разработки комплекса приборов контроля технологических параметров процесса бурения Б-7 (Б-11) и целого ряда приборов для отбора, дегазации и анализа шлама (совместно с трестом «Саратовнефтегеофизика»).
В 1978 г. ЦГЭ «Главнефтегеофизики» (Ю. И. Островский) и трестом «Саратовнефтегеофизика» (Л. М. Чекалин, А. И. Толчин- ский, Б. А. Головин и др.) разработаны технические требования на дооборудование газокаротажной станции аппаратурой для технологического и геологического контроля в процессе бурения, получившей шифр «Старт-1». Аппаратура эта некоторое время выпускалась Саратовским опытным заводом «Сейсмоаппарат» для оснащения производственных партий ГТИ.
В 1978 г. «Главтюменнефтегазом» (В. М. Шенбергер), трестом «Тюменнефтегеофизика» (Э. Е. Лукьянов, Л. Я. Цыглеев) и институтом ВНИИНПГ (В. В. Лаптев, Б. Н. Славнитский) было составлено техническое задание на опытно-конструкторскую разработку передвижной лаборатории в процессе бурения скважин — «Геотест-1», необходимость в которой возникла в связи с дальнейшим развитием службы ГТИ в системе «Главтюменнеф — тегаза» и заменой станций АСПБ-1 на более совершенные.
Техническая документация на «Геотест-1» была разработана ВНИИНПГ (Б. Н. Славнитский, В. Н. Марков), серийный выпуск осуществлялся на СОЗ «Сейсмоаппарат» с 1981 по 1986 год.
Положительную роль на развитие ГТИ сыграло создание в 1976 году в системе треста «Тюменнефтегеофизика» Самотлор — ской специализированной экспедиции, руководимой до 1981 г.
Э. Е. Лукьяновым, а с 1981 г. В. Ф. Антроповым. Экспедиция была опорной базой для наращивания объемов ГТИ в Западной Сибири, здесь осуществляется подготовка кадров, изготовление первичных преобразователей, станций АСПБ-1, АСПБ-2, АСПБ-3;
подготовка методических рекомендаций и их промысловое опробование; оказание помощи производственным организациям управления «Запсибнефтегеофизика» и «Главнефтегеофизики» МНП, а также организациям Мингео СССР; опробование новых технических средств ГТИ, выпускаемых промышленностью (первичные преобразователи СКУБ, станции СГТ-1, газоанализаторы ГИАМ-5М, уровнемеры ЭХО-За и др.).
В 80-е годы разработка отдельных перспективных направлений ГТИ ведется в ГАНГ им. И. М. Губкина (инфракрасные информационно-измерительные системы и методы изучения керна и шлама — А. М. Мелик-Шахназаров, А. С. Моисеенко, Л. С. Лаш — кевич, И. Г. Мельников, В. В. Стрельченко) [68, 94, 106, 153]; во ВНИИгеоинформсистем (сейсмоакустические наблюдения в процессе бурения — О. Л. Кузнецов, В. Н. Рукавицин) [72, 100, 132], (исследование свойств горных пород и пластовых флюидов методами ЯМР и нейтронно-активационного анализа — Ю. С. Ши — мелевич, В. Ф. Горбунов, В. Д. Неретин, Я. Л. Белорай) [12, 108]; ВНИИНПГ (технология комплексного изучения разрезов скважин — В. В. Лаптев, М. Г. Адлер, П. П. Муравьев и др.) [77, 161]; СПКБ БАВПО «Союзгеотехника» (система САОБ, програм-мно — алгоритмическое обеспечение систем ГТИ — Л. Г. Шраго, Э. Г. Карапетян, В. И. Дмитриев и др.) [113, 125, 150]; ЗапсиббурНИ — ПИ и НПО «Промавтоматика» (станция сбора и обработки геоло — го-технологической информации «Гелиус»— А. И. Та-расов, К. Б. Тимофеев, Е. А. Киселев, А. А. Симонов) [147] и в ряде других организаций.
Проблемами ГТИ с 1983 г. успешно занимается Нижневартовский отдел Тюменского СКТБ управления «Запсибнефтегеофизика» (В. Г. Горожанкин, А. В. Барычев, Ю. П. Смышляев, В. Г. Трифонов, А. В. Мосин, В. Г. Тимченко), разработавший целый ряд технических средств ГТИ [6, 123, 162].
Большие работы по получению геологической информации в процессе бурения на основе экспрессного исследования образцов керна и шлама, образцов, отобранных сверлящим керноот — борником велись в трестах «Саратовнефтегеофизика» (Л. М. Че — калин, А. И. Толчинский, Б. А. Головин) и «Татнефтегеофизика» (В. М. Кузьмин и др.), в МГУ (Ю. А. Горбачев, Б. А. Никулин), во ВНИГИК (Л. И. Орлов и др.) [34, 35, 36, 115].
В НПО «Союзпромгеофизика» проведена разработка комплекса «Разрез», представляющего собой совмещение компьютеризированной ИИС ГТИ с компьютеризированной каротажной станцией (Э. Е. Лукьянов, С. Н. Шерстнев, Ю. П. Быстров и др.).
Заводами Минприбора был освоен серийный выпуск технических средств ГТИ (станции СГТ, комплекты первичных преобразователей СКУБ, СКУБ-М, информационно-управляющие комплексы КИУ).
В Центральной геофизической экспедиции треста «Саратов — нефтегеофизика» была начата подготовка кадров ГТИ для трестов Главнефтегеофизики МНП, для Мингео СССР подготовка кадров для ГТИ велась силами специалистов ВНИГИКчерез ИПК Мингео СССР.
Потребности технологии бурения и необходимость оперативного решения геологических задач привели к созданию в конце 60-х начале 70-х годов в ряде зарубежных стран (США, Франция, ФРГ) сложных приборных комплексов, оперирующих набором технологических и геолого-геофизических параметров. Опыт работы ведущих фирм по геолого-технологическому контролю показал, что наибольшую эффективность при бурении глубоких поисковых, разведочных, опорно-технологических и эксплуатационных скважин в сложных геологических условиях имеют информационные скважинные системы, позволяющие одновременно измерять, регистрировать и анализировать технологические параметры режимов бурения и промывки, параметры промывочной жидкости, шлама, керна и пластового флюида [133, 183, 184, 185].
Созданием и эксплуатацией автоматизированных систем сбора и обработки геологической и геолого-геофизической информации в процессе бурения скважин занимаются многие зарубежные фирмы. К настоящему времени в США, Франции, ФРГ и других странах находится в эксплуатации несколько сот информационно-измерительных систем (ИИС) различной сложности, обеспечивающих поисковое, разведочное и эксплуатационное бурение на суше и на море.
Наиболее распространенными зарубежными автоматизированными информационными скважинными системами являются системы фирмы «Геосервис» (Франция), «ИНТЕГ»—«Бейкер Хьюз» (США), «Дейталог» (Канада), «Халибертон», «Геодейта» (ФРГ), «Мартин Деккер-Тотко» (США), «БАРОИД» (США) и целый ряд других [158, 183, 184 и др.]. Системы имеют различную степень сложности и свой подход к решению поставленных задач, но объединены общими целями — оптимальная проводка скважин и получение наиболее полной геологической информации о вскрываемых пластах.
В последнее время (с конца 70-х голов’! по причине унепиуе — ния объемов наклонно-направленного
ния на море и на суше в ряде зарубежных стран (США, Франции и др.) началась интенсивная разработка систем скважинных измерений в процессе бурения в реальном времени (MWD и LWD-систем), включающих в себя дополнительно к комплексу наземных параметров (до 24) комплекс глубинных параметров (параметры траектории ствола скважины, практически полный комплекс геофизических исследований скважин, температура на забое скважины, крутящий момент на долоте, нагрузка на долото и др.), получаемых с помощью телесистемы, скомпонованной в буровом инструменте и передающей данные непрерывно на дневную поверхность по беспроводному каналу связи [133, 184, 188]. Наибольших успехов в этом направлении достигли фирмы «Анадрил Шлюмберже», «Сперри-Сан», «Бейкер Хьюз» и «Халибертон» (США), «Геосервис» (Франция), эксплуатирующие сотни сложных систем, оснащенных бортовыми вычислительными средствами [184, 185]. В России первые телесистемы для контроля параметров траектории ствола наклонно-направленной скважины разрабатываются во ВНИИГИС, ВНИИНПГ и Томском СКТБ [55, 79].
С 1984 года по инициативе и под руководством Э. Е. Лукьянова в Западной Сибири проводится промышленный эксперимент по закреплению за передовыми буровыми бригадами, имеющими годовую выработку более 60—80 тыс. метров, комплексных каротажно-технологических партий, выполняющих все виды промыслово-геофизических исследований в бурящейся скважине (включая ГТИ) и находящихся на буровой постоянно с обеспечением круглосуточного бесперебойного дежурства. Партии оснащены комплексными каротажно-технологическими лабораториями, разработанными и изготовленными в управлении «Запсибнефтегео — физика» (а с 1986 года — и на заводе «Сейсмоаппарат»), каротажными подъемниками и комплектом скважинной аппаратуры. Такая организационно-технологическая форма промыслово-геофизического обеспечения скоростного эксплуатационного бурения позволяет поднять выработку на одного линейного работника на 150%, снижает стоимость метра исследования, повышает качество и полноту геофизического материала и существенно повышает качество построенных скважин и технико-экономические показатели буровых работ [29, 134, 143].
Новая организационно-технологическая форма является прообразом будущей службы информационного геолого-техноло — гического обеспечения буровых работ. Для задач непрерывного управления траекторией наклонно-направленной скважины в комплексных каротажно-технологических партиях проходят испытания телеметрические забойные системы ЗИС-4 (ВНИИ — ГИС) и ЗИТ-1 (ВНИИНПГ), для поисково-разведочных работ успешно отрабатывается методика комплексного использования станций ГТИ совместно с испытателями пластов на трубах (ИПТ) [77, 121].
С целью реализации принципиально новых возможностей промысловой геофизики на новом уровне ее развития управлением «Запсибнефтегеофизика» совместно с ВНИИНПГ и Саратовским СКВ СП была начата разработка компьютеризированной каротажно-технологической лаборатории ЛКТ-4К «Сибирь», серийный выпуск был освоен на заводе «Сейсмоаппарат» с 1989 года; управлением «Запсибнефтегеофизика» и комбинатом «Гамма» (ВНР) разработан программно-управляемый стационарный каротажный подъемнике электроприводом (СКПЭ); институтами ВНИГИК, ВНИИНПГ и НИИГИ разработана агрегатированная система скважинных геофизических приборов.
Новая форма промыслово-геофизического обеспечения буровых работ в полной мере может быть рекомендована и для условий поисково-разведочного бурения, где ее геолого-эко — номическая эффективность может быть значительно выше. Именно с этой целью в НПО «Союзпромгеофизика» совместно с рядом других организаций проводилась разработка комплекса «Разрез».
"’ Период 90-х годов характеризуется увеличением объемов бурения горизонтальных скважин (ГС), при исследовании которых роль ГТИ многократно возрастает, а также резко возросшими возможностями элементной базы, вычислительной техники и программно-методического обеспечения.
Эти обстоятельства обусловливают новый этап развития ГТИ — существенное расширение возможностей ИИС ГТИ за счет компьютеризации и увеличения на этой основе количества решаемых задач как в области получения новой геологической информации, так и в области технологии и автоматизации процесса бурения.