Профили скважин

Книга Бурение горизонтальных скважин

Профили скважин

Горизонтальные скважины редко имеют угол 90 град., так как продуктивные структуры, на которые они закладываются, обычно имеют какой-то угол падения. Нет существенной разницы, с точки зрения буримости горных пород, между скважинами с большим зенитным углом и скважиной с зенитным углом 90 град. Совершенно неважно, какой зенитный угол имеет скважина: 88,90 или 92 град. Однако зенитный угол участка с большим углом и горизонтального участка влияет на схему заканчивания и дальнейшие ремонтные работы.

Рис. 7.1 Сравнение типов горизонтальных скважин.

* Зависит от типа горных пород и бурового раствора.

Горизонтальные скважины характеризуются радиусом искривления криволинейного участка, по которому приходят к горизонтальному участку. На практике обычно выделяют три основных типа скважин (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Скважины с большим радиусом искривления

Горизонтальные скважины с большим радиусом искривления характеризуются интенсивностью набора зенитного угла 2-6 град./30 м (100 фут.), который дает радиус искривления 900-290 м (3000- 1000 фут.). Проводка скважины такого профиля осуществляется с помощью инструмента для обычного направленного бурения. Горизонтальные участки имеют длину до 2500 м (8000 фут.). Скважина с таким профилем хорошо подходит для тех случаев, когда для достижения заданной точки входа в пласт требуется большое горизонтальное отклонение.

Скважины со средние радиусом искривления

Горизонтальные скважины со средним радиусом искривления имеют интенсивность набора зенитного угла 7-35 град./30 м (100 фут.), радиусы искривления 50-300 м (160-1000 фут.) и горизонтальные участки длиной до 2500 м (8000 фут.). Эти скважины бурятся с помощью специальных гидравлических забойных двигателей и обычных элементов бурильных колонн. Компоновки с двойным перекосом рассчитаны на набор зенитного угла с интенсивностью до 35 град./30 м (100 фут.). Горизонтальный участок бурят обычными компоновками, включая забойный двигатель с регулируемым углом перекоса (SMA). Такой профиль скважины обычен для бурения на суше и многозабойного бурения.

На практике скважина считается скважиной со средним радиусом искривления, если компоновку низа бурильной колонны (ВНА) нельзя вращать после проходки участка набора зенитного угла со средним радиусом искривления. Максимальная интенсивность набора зенитного угла при бурении в начале криволинейного участка со средним радиусом искривления при бурении ограничена пределами на изгиб и кручение для бурильных труб по стандарту АНИ. Скважины малого диаметра с более гибкими трубами имеют более высокие допустимые максимальные значения резких перегибов ствола (DLS).

Скважины с малым радиусом искривления

Горизонтальные скважины с малыми радиусами искривления имеют интенсивность искривления набора зенитного угла 5-10 град./метр (1-1/2-3 град/фут), которому соответствует радиус искривления 12,2-6,1 м (40-20 фут.). Длина горизонтального участка находится в диапазоне 60-275 м (200-900 фут.). Скважины с малыми радиусами искривления бурятся с помощью специального бурильного инструмента и по специальной технологии. Такой профиль находит наибольшее распространение при бурении дополнительных стволов из имеющихся скважин.

Скважины со сверхмалым радиусом искривления

Помимо вышеуказанных существует схема со сверхмалым радиусом искривления, по которой можно изменить направление скважины от вертикального до горизонтального по радиусу 0,3-0,6 м (1-2 фут). При этом используется не система бурения в обычном смысле этого слова, а система специального назначения с высоконапорной гидромониторной промывкой, при которой формируется ствол диаметром 3,8-6,4 см (1,5-2,5 дюйма) и длиной 30-61 м (100-200 фут.). Существует мнение, что эта технология экономически не выгодна.

Бурение скважин с большим радиусом искривления

Рис. 7.2 Идеализированный профиль скважины с большим радиусом искривления

На рис. 7.2 показан профиль скважины с большим радиусом искривления. Следует отметить, что скважина должна изменить направление от вертикального до горизонтального на глубине 300-900 м. (1000-3000 фут.) по вертикали. Глубина вертикального участка зависит от интенсивности набора зенитного угла на криволинейном участке и зенитного угла на участке стабилизации, входящих в профиль скважины. Участки стабилизации часто планируются в профилях скважин для того, чтобы обеспечить горизонтальное отклонение, необходимое для входа в пласт в заданной точке. Они также позволяют попасть в заданную точку в случае отклонения фактической интенсивности набора зенитного угла от проектной.

Начальная интенсивность набора зенитного угла обычно менее 4 град./30 м (100 фут) и задается для уменьшения крутящего момента и сил сопротивления при вращении и подъеме бурильной колонны. Зенитный угол скважины на участке стабилизации, если он входит в профиль скважины, находится в диапазоне 25-60 град. и зависит от горизонтального отклонения, необходимого для входа в пласт в заданной точке. Конечная интенсивность набора зенитного угла перед горизонтальным участком часто составляет 4-6 град./30 м (100 фут.), но может быть выше, на уровне 8-10 град./30 м (100 фут.).

Скважины с большими радиусами искривления могут буриться набором компоновок для обычного направленного бурения. Начальное искривление скважин производится компоновками с забойными двигателями. Такие компоновки могут содержать обычный забойный двигатель с кривым переводником, но обычно включают забойный двигатель с регулируемым углом перекоса (SMA). Если SMA используется для бурения участка набора зенитного угла, то его обычно применяют и для бурения участка стабилизации зенитного угла. Если вместо SMA для начального искривления скважины используют забойный двигатель с кривым переводником, участок стабилизации зенитного угла часто бурят роторной компоновкой (ВНА). После проходки участка стабилизации зенитного угла для набора зенитного угла перед горизонтальным участком используют компоновку, включающую забойный двигатель с регулируемым углом перекоса (SMA).

Горизонтальный участок обычно бурят забойным двигателем с регулируемым углом перекоса, рассчитанным на интенсивность резкого перегиба 2-3 /30 м (100 фут.) при ориентированном бурении (установка устройства в положение на бурение с изменением угла). Избегают применять компоновки с большими углами перекоса, чтобы свести к минимуму крутящий момент на роторе и нагрузку на крюк при подъеме и увеличить стойкость долота и межремонтный период забойного двигателя. Рейсы с роторными компоновками осуществлялись успешно в тех горизонтальных участках, где не требовалось управлять азимутом скважины. Вообще же используются компоновки, включающие забойный двигатель с регулируемым углом перекоса, так как они обеспечивают высокое качество управления зенитным углом и азимутом.

Крепление скважин обсадной колонной

При креплении скважин башмак обсадной колонны устанавливают обычно или перед конечным участком набора зенитного угла или после окончания бурения участка набора зенитного угла. Глубина установки зависит от пород геологического разреза и ожидаемых осложнений в открытом стволе. При минимальных осложнениях промежуточную колонну часто спускают до конца последнего участка набора зенитного угла. Это позволяет установить эксплуатационную колонну-хвостовик в прямом участке, а не в зоне изгиба. Если ожидаются осложнения при бурении участка стабилизации зенитного угла, башмак промежуточной колонны можно устанавливать выше последнего участка набора зенитного угла. Это уменьшает протяженность открытого ствола до бурения в заданном объекте.

Достоинства и недостатки профилей с большим радиусом искривления

Достоинства

* Более низкая интенсивность резких перегибов (DLS)

* Длинный горизонтальный участок (по сравнению с профилем с малым радиусом искривления)

* Возможность достижения большого горизонтального отклонения забоя от устья в плане

* Пригодность технологий и оборудования, используемых для обычного направленного бурения

* Увеличение доли роторного бурения позволяет улучшить показатели строительства скважины

* Использование стандартных бурильных и обсадных труб

*Уменьшение ограничений на диаметры скважины и оборудования

* Возможность расширения диапазона схем заканчивания

* Большая приспособленность к геофизическим исследованиям скважины и отбору керна

* Возможность бурения компоновками, включающими забойный двигатель с регулируемым углом перекоса

Недостатки

* Большая протяженность участков скважины, на которых необходимо контролировать траекторию

*Большая протяженность открытого ствола (возможно больше осложнений)

*Увеличивается общая глубина скважины по стволу

* Возможно увеличение стоимости строительства скважины

* Требуется больше обсадных труб

Бурение скважин со средним радиусом искривления

На рис. 7.3 представлен типовой профиль скважины со средним радиусом искривления и стабилизации зенитного угла, которая допускает отклонение фактических значений интенсивности набора зенитного угла от проектных значений.

Рис. 7.3. Профиль скважины с средним радиусом искривления и участком стабилизации зенитного угла.

При средних радиусах траектория скважины может менять положение от вертикального до горизонтального при глубине скважины по вертикали 90-300 м (300-1000 фут.). Известно много систем для бурения скважин со средним радиусом искривления. Они объединяют различные схемы размещения с изогнутым корпусом забойного двигателя, с корпусом с регулируемым углом перекоса кривых переводников и стабилизаторов.

При работах со средним радиусом искривления в участке скважины с высокой интенсивностью набора зенитного угла применяются компоновки с двойным перекосом. Они рассчитаны на набор зенитного угла с интенсивностью до 35 град./30 м (100 фут.) при ориентированном положении компоновки (т.е. без вращения бурильной колонны). Проектная интенсивность набора зенитного угла определяется размерами и размещением отклоняющих устройств и стабилизаторов и обычно для забойных двигателей достигает 16 /30 м (100 фут.). Компоновок с одним отклонителем могут быть использованы как при роторном, так и при бурении с использованием забойного двигателя.

Обсадные колонны

Обычно обсадная колонна устанавливается непосредственно над точкой отклонения скважины от вертикали или новый ствол забуривается из существующей обсадной колонны.

Преимущества и недостатки профилей со средним радиусом искривления

Преимущества

* Уменьшение длины открытого ствола по сравнению с профилем скважины с большим радиусом искривления

* Применение обычного бурового оборудования

*Можно уменьшить крутящий момент и усилие на крюке при подъеме

*Управление траекторией скважины осуществляется на более коротком интервале. Сочетание меньшего изгиба и более редкой смены конструкций компоновки облегчает получение равномерной интенсивности набора зенитного угла

* Возможность обеспечить, по сравнению с искривлением скважины по малому радиусу, большое горизонтальное отклонение

*Более широкий диапазон вариантов заканчивания по сравнению с малым радиусом. Возможность проводить каротаж и отбор керна

*Уменьшение ограничений по диаметру скважин в диапазоне 98-311 мм (3 7/8 - 12 1/4 дюйма)

*Возможность многозабойного бурения из одной скважины

Недостатки

*Могут потребоваться некоторые специальные инструменты, например КНБК с двойным перекосом

* Требуются специальные методы бурения (например, отсутствие вращения бурильной колонны при работе КНБК на участке набора зенитного угла затрудняет очистку скважины). Если требуется вращение бурильной колонны (например, для проработки скважины), большие циклические напряжения изгиба ускоряют усталость материалов элементов

* Могут потребоваться соединения, не соответствующие стандарту АНИ, более дорогие обсадные и бурильные трубы

* Более высокие интенсивности при резком перегибе ствола (по сравнению с профилем скважины, пробуренной по большому радиусу) ограничивают возможности каротажа и схемы эаканчивания скважины.

Бурение скважин с малым радиусом искривлений

В большинстве областей применения скважина бурится вертикально и искривляется по малому радиусу непосредственно в кровле пласта или в самом пласте.

Методика работы состоит в установке пакера с уипстоком и отклонением скважины с набором зенитного угла специальной компоновкой для набора угла (рис. 7.4). При достижении угла в 90 град, спускают специальную компоновку для стабилизации зенитного угла, чтобы бурить горизонтальный участок. Эта специальная компоновка для стабилизации зенитного угла приводится в действие трубами с шарнирными соединениями, позволяющими вращаться им в стесненном пространстве скважины, искривленной по малому радиусу. В последнее время на некоторых скважинах использовались системы с забойным двигателем с шарнирными соединениями для профилей с малым радиусом искривления.

Большинство скважин, пробуренных такой системой, имело глубину по вертикали менее 3000 метров (10 000 фут.) и горизонтальные участки длиной 90-120 м (300-400 фут.), хотя иногда они достигали длины 350 м (900 фут.).

Рис. 7.4. Вырезание окна компоновкой с уипстоком.

Одна из главных проблем при использовании этой системы состоит в необходимости спустить измерительный прибор для каждого каротажа в отдельных рейсах на алюминиевой трубе. Это увеличивает продолжительность и стоимость геофизических исследований скважины.

Конструкция скважины

Так как профиль скважины с малым радиусом искривления используется для многозабойного бурения, большинство скважин с малым радиусом искривления заканчивают открытым стволом. Иногда спускают хвостовик со щелевидными отверстиями.

Варианты бурения боковых стволов из существующих скважин

Существует четыре главных системы бурения бокового ствола горизонтально-разветвленных скважин:

* Технология бурения скважин по сверхмалому радиусу с помощью струи высокого давления

* Система бурения скважин с малыми радиусами искривления, основанная на применении роторной компоновки

* Система бурения скважин с малыми радиусами искривления, основанная на использовании забойных двигателей

* Бурение скважин по среднему радиусу искривления

Все четыре системы пригодны или будут пригодными для бурения бокового ствола. Первые три системы требуют применения специального бурильного инструмента и специальных методов исследований в скважинах. Малые радиусы искривления скважин накладывают также ограничения на возможность оценки продуктивного пласта и методы заканчивания скважин.

В отличие от них при средних радиусах искривления применяется обычный бурильный инструмент, включая систему измерений в процессе бурения для инклинометрии и ориентирования отклонителя. Единственным исключением являются ограничения оценки продуктивного пласта и заканчивания скважины по радиальному зазору, связанные с ограничениями по диаметру скважины. По этой причине ожидается, что на рынке технологий для бурения боковых стволов приоритет за оборудованием для проводки скважин по средним радиусам искривления.

Таблица 7.2

Системы бурения скважин с боковыми стволами

*Возможно также проведение гамма-каротажа

Рынок технологий для бурения бокового ствола будет развиваться, если только скважины с боковыми стволами обеспечат экономически выгодную добычу углеводородов. Скважины с боковыми стволами представляют интерес, так как они позволяют снизить стоимость проектов разработки. Трубопроводы и оборудование для добычи уже смонтировано, разрешение на проводку дополнительных стволов и перевод в эксплуатацию может быть получено в кратчайшие сроки. Имеются также возможности снижения расходов на бурение. Это произойдет по мере освоения промышленностью технологии искривления скважин, и тогда во многих случаях расходы на проходку горизонтальных скважин снизятся на 25-50%. Усовершенствование характеристик оборудования и поощрение буровых контрактов на такие виды работ приведет к еще большему снижению общих расходов на бурение.

С другой стороны, эти скважины должны увеличить дебит скважин, запасы нефти или коэффициент извлечения нефти (EOR). Эти преимущества должны подтвердиться.

Приведенные ниже рисунки иллюстрируют схемы, пригодные при проектировании горизонтальных боковых стволов. На них представлены типичные эксплуатационные скважины с промежуточной колонной, установленной над продуктивным пластом и эксплуатационной колонной-хвостовиком, установленной в наклонном участке, вскрывшем продуктивную зону.

Схема 1.

По схеме 1 в промежуточной колонне вырезается окно и проектируется профиль со средним радиусом искривления, чтобы получить горизонтальный участок в продуктивном пласте. Преимуществом этой схемы является то, что она может быть реализована относительно легко, взаимодействие горных пород с буровым раствором должно быть хорошо известно и можно выбрать максимальный размер эксплуатационной колонны-хвостовика.

К недостаткам схемы 1 относится то, что начало горизонтального участка будет находиться на некотором расстоянии от старой скважины и ориентирование горизонтального участка будет ограничено азимутом старой скважины. Если промежуточная колонна сильно изношена, может потребоваться ремонтная обсадная колонна-надставка. Это может ограничить размер бурильных и насосно-компрессорных труб и отрицательно сказаться на экономических показателях проекта.

Схема 2

По схеме 2 окно вырезается в промежуточной колонне выше, чем предусмотрено в схеме 1, скважина забуривается в нижней стенке старой скважины и новый ствол бурится в форме буквы"S".

Преимуществом схемы 2 перед схемой 1 является то, что она дает большую свободу в приближении горизонтального участка к старому эксплуатационному участку под более строгим геологическим контролем.

Основным недостатком схемы 2 является то, что бурение "S "-образного криволинейного участка сопряжено с большим риском. Это приводит к удлинению и удорожанию скважины, увеличивает крутящий момент и нагрузку на крюке при подъеме и ведет к большему износу промежуточной колонны.

Схема 3

Схема 3 предусматривает вырезание окна в эксплуатационной колонне-хвостовике, забуривание нового ствола и бурение горизонтального участка меньшим диаметром.

Преимуществом здесь является то, что длина нового ствола и его закрепленного участка может быть сведена до минимума и начало горизонтального участка будет ближе к старой скважине, чем в схеме 1.

К недостаткам относится то, что в скважинах малого диаметра можно проводить только гамма- каротаж, а не полный объем измерений в процессе бурения. К тому же ориентация горизонтального участка будет ограничена направлением старой скважины, а эксплуатационная колонна-хвостовик должна иметь малый диаметр.

Схема 4

В схеме 4 промежуточная колонна срезается и извлекается. Новый ствол бурится из точки ниже башмака предыдущей обсадной колонны. Выше продуктивного пласта устанавливается новая промежуточная колонна. Очевидно, что это даёт большую свободу действий при проводке горизонтального участка и работ по заканчиванию скважины, но эта схема является самой дорогой из четырёх.

Главная проблема бурения боковых стволов в настоящее время связана с большими затратами времени на забуривание нового ствола. Усовершенствование конструкций райберов позволило вырезать окно за один рейс. Проблемы с некачественными цементными мостами в скважине были решены предварительным расширением участка установки моста-пробки и установкой уипстока в обсадной колонне без его цементирования.

Заключение

Для любой новой технологии или ее усовершенствования все сложности преодолеваются в ходе её широкого применения. Имеются проблемы с существующей в настоящее время технологией забуривания нового ствола (например, отклоняющие клинья ориентируются неточно или проворачиваются после установки). Существуют также проблемы с вырезанием окна в обсадной колонне и вытеснением цемента при установке цементных мостов. Эти проблемы приводят к перерасходу средств и времени. Затраты времени и средств на забуривание нового ствола по существующей технологии составляют примерно 10-20% общих затрат на строительство скважины. Необходима надежная недорогая технология забуривания нового ствола, включающая вырезание окна и забуривание нового ствола.

Следует увеличить возможности скважинных приборов малого диаметра для ориентирования забурочных приспособлений, геофизических исследований скважины и оценки продуктивного пласта. Это особенно важно для каротажных приборов при забуривании новых стволов из обсадной колонны диаметром 114 мм (4 1/2 дюйма). Некоторые из этих приборов уже имеются, но они станут доступными только в том случае, если в них появится настоятельная необходимость. У некоторых поставщиков есть система измерений в процессе направленного бурения, которая может быть укомплектована прибором для гамма-каротажа для забуривания нового ствола из обсадной колонны диаметром 114 мм (4 1/2 дюйма).

Малый диаметр скважин и высокая интенсивность их искривления будут ограничивать выбор схем заканчивания скважины и возможно длину горизонтального участка. Большинство скважин будут заканчиваться, видимо, открытым стволом или с креплением щелевидным хвостовиком в силу дешевизны и простоты этих схем. Для некоторых случаев потребуются более сложные схемы заканчивания с использованием заколонного пакера. Трудно прогнозировать возможную длину горизонтального участка скважины, но ожидается, что бурение участка длиной 500 м (1625 фут.) не будет представлять проблему. О длине горизонтального участка, необходимой для успешного бурения бокового ствола, говорить немного сложнее.

Как всегда, определение свойств продуктивного пласта будут сдерживающим фактором, связанным с ограниченным ассортиментом каротажных приборов, которые можно использовать в скважинах малого диаметра.

Можно ожидать, что в дальнейшем предпочтительной будет технология бурения по среднему радиусу искривления. Промышленность разрабатывает приборы и методы для бурения скважин малого диаметра, чтобы забуривание новых стволов из обсадной колонны диаметром 114 мм (4 1/2 дюйма) стало возможным и обычным делом. Количество горизонтальных скважин будет непрерывно расти и значительную часть среди них составят скважины с боковыми стволами.