Развитие технологии управляемого роторного
advertisement
БУРЕНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО СКВАЖИН Развитие технологии управляемого роторного бурения при строительстве вертикальных скважин Гвидо Бруско, Eni S.p.A. Falconara, Италия Пит Льюис, Милан, Италия Майк Уильямс, Шугар Ленд, Техас, США Статистические данные свидетельствуют, что увеличение объемов наклонно-направленного бурения, наблюдаемое в последнее десятилетие, не приводит к сокращению объемов строительства новых вертикальных скважин. По различным оценкам, ежегодно в мире бурятся десятки тысяч скважин с вертикальным стволом. Данное обстоятельство сохраняет высокую актуальность исследований, направленных на совершенствование буровых вертикальных технологий. Результатом одного из таких исследований стала новая система PowerV, специально разработанная для вертикального бурения специалистами Schlumberger. Анализ использования системы на месторождениях Италии показал не только ее высокую эффективность, но и широкую область применения. З начительное число сооружаемых на нефть и газ скважин до настоящего времени проектируются как вертикальные. Однако с практической точки зрения почти все из них нельзя рассматривать как строго вертикальные из-за естественной тенденции к искривлению ствола в процессе бурения. Без специальных методов и технологий бурения прохождение пропластков и других геологических структур обычно происходит под прямым углом. До появления технологий измерения параметров ствола скважины специалисты нефтяных компаний, возможно, даже не представляли себе степень искривления скважин. Более того, зачастую сам факт искривления проявлялся лишь тогда, когда при проведении каротажных работ или спуске обсадной колонны возникали проблемы, связанные с неожиданными осложнениями профиля ствола скважины. Помимо естественного смещения, при использовании стандартных буровых технологий возможны участки со значительным отходом или другими отклонениями профиля или направле- ния, которые также могли оставаться незамеченными до тех пор, пока не приводили к возникновению проблем при последующих операциях. Технологии наклонно-направленного бурения и измерений в процессе бурения обеспечили гораздо более высокую степень контролируемости траектории. Методы бурения также постоянно совершенствовались за счет синхронизации по времени, подбора долот, оптимизации нагрузки на долото, более эффективных методов очистки скважины. Появление управляемых роторных систем бурения дополняет этот арсенал усовершенствований, появившихся за последнее десятилетие. При этом технология управляемого роторного бурения (УРБ) продолжает развиваться [1]. Новейшие системы УРБ облегчают бурение протяженных горизонтальных участков, обеспечивая полный контроль направления, возможность бурения с применением бицентричных долот, а также бурения в сложных условиях в рыхлых и неустойчивых породах. Кроме обеспечения возможности проведения сложных и специальных буровых ИЮНЬ 2005 операций, системы роторного управляемого бурения повышает эффективность обычных буровых работ. Новая управляемая роторная система вертикального бурения, разработанная в компании Schlumberger, позволяет исключить отход ствола от вертикали или обеспечить возврат к вертикали. Существуют различные модификации системы для широкого диапазона диаметров ствола. Все они обеспечивают высочайшее качество ствола и эффективную очистку скважины при непрерывном вращении системы, что снижает риск прихвата и предоставляет возможность поддерживать высокую скорость проходки. В настоящей статье приводится описание системы вертикального бурения PowerV и примеры ее применения на углеводородных месторождениях Италии. Прямолинейность траекторий ствола Ежегодно в мире бурится около 70 тыс. простых вертикальных скважин [2]. Как правило, нефтяные компании стремятся максимально сократить затраты на строительство таких №3 43 БУРЕНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО СКВАЖИН скважин и зачастую игнорируют специальные мероприятия по обеспечению вертикальности траектории. Тем не менее, в некоторых ситуациях бурение строго вертикальных скважин с сохранением максимальной прямолинейности ствола скважины не имеет альтернативы. В большинстве случаев предпочтительным вариантом для вертикального вскрытия продуктивного горизонта является вертикальный ствол [1]. Так, в строго вертикальную скважину легче спустить обсадную колонну с минимальным зазором, обеспечив при этом возможность спуска дополнительных обсадных труб на более поздних этапах строительства скважины. Ствол же скважины, отклоняющийся от вертикали, может исключать такую возможность. Дополнительным преимуществом строго вертикальной скважины является возможность использования минимального диаметра ствола и кондуктора. Скважина меньшего диаметра бурится быстрее, требует меньших затрат на удаление шлама, трубы и цементирование. При кустовом бурении сохранение вертикальности верхних секций крайне важно для исключения опасности пересечения стволов, забуриваемых с морской платформы или со стесненного основания наземной площади. Даже небольшое отклонение скважины от вертикали на участке от устья до точки начала набора кривизны может затруднить использование окон для бурения. Помимо этих ограничений сущест퇷Î. 1. венное влияние на конструкцию скважины могут оказывать геологические условия. Например, при наличии разломов, проходке горизонтов с крутым падением или тектонически-активных зон нередко требуются специальные мероприятия для контроля траектории [4]. Применение технологии вертикального бурения является одним из средств обеспечения попадания ствола скважины в заданный круг допуска. Технологии вертикального бурения могут также успешно применяться в специальных проектах. Примером здесь является проект Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland (KTB), Программа сверхглубокого бурения в Германии, предусматривающая бурение 9101-метровой вертикальной скважины до кристаллического фундамента земной коры [5]. Система вертикального бурения ограничивает угол набора, а также позволяет свести к минимуму диаметр ствола и трение. Вертикальность бурения верхних участков ствола важна для успеха буровых операций, предусматривающих значительный отход последующих секций. Значительное искривление верхних секций ствола вызывает увеличение моментов и сопротивления при бурении последующих, что приводит к износу бурильных и обсадных труб. Осложнения траектории создают опасность возникновения таких проблем, как ухудшение очистки скважины, кратковременные при- íÂıÌ˘ÂÒÍË ı‡‡ÍÚÂËÒÚËÍË PowerV Tool PowerV tool 475 Максимальная частота вращения, (об./мин) 675 825 900/1100 250 220 220 200 257/302* 257/302* 257/302* 257/302* Максимальное усилие на долото, (фнт. x 1000) 50 65 65 65 Макс момент на долоте (фт-фнт. x 1000) 4 16 16 48 Максимальная рабочая температура, (°F) Поток (галл./мин) 220-400 320-650 480-1,900 480-1900 Депрессия на долоте (psi) 600-800 600-800 600-800 600-800 Макс. рабочее давление (psi) 20000 20000 20000 20000 Система контроля вертикали авто авто авто авто 53/4 – 61/2 81/2 — 97/8 105/8 121/4 – 22 Возможный диаметр ствола (дюймов) * Существует модификация на высокую температуру 44 çÄìóçé-íÖïçàóÖëäàâ ÜìêçÄã Т Е Х Н О Л О Г И И Т Э К хваты или невозможность достижения проектной глубины из-за высоких крутящих моментов и трения при подъеме. Прямолинейность траектории ствола способствует более качественному проведению каротажа и, как следствие, упрощает оценку пластов. Все эти аргументы, несомненно, указывают на важность обеспечения прямолинейности траектории бурящихся скважин. В прошлом для обеспечения минимального отхода ствола применялись простейшие маятниковые компоновки, но их эффективность значительно ограничивалась при прохождении твердых пород или крутопадающих горизонтов. Коррекция отхода от вертикали была дорогостоящей и не исключала возникновения повторных отклонений. Появление новой системы управляемого роторного бурения позволило решить проблему обеспечения вертикальности скважины. Новая система обеспечивает сохранение вертикальности ствола при высокой механической скорости проходки, а непрерывное вращение уменьшает вероятность прихвата при наличии не вращающихся частей компоновки. Новая технология вертикального бурения В табл. 1 приведены характеристики новой управляемой роторной системы PowerV. Система используется для поддержания вертикальной траектории ствола скважины и программируется на поверхности перед спуском. После спуска в скважину она самостоятельно без участия оператора управляет процессом бурения, сохраняя вертикальность траектории. PowerV снабжена трехосевой системой датчиков, регистрирующих любые отклонения от заданной траектории, а также азимут и величину отклонения. При возникновении отклонения система автоматически определяет направление, необходимое для возврата к вертикали. Возврат осуществляется с помощью отклонителей, отталкивающихся от стенок скважины. Именно такой режим исключает необходимость конт- БУРЕНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО СКВАЖИН Система вертикального бурения PowerV 750 900 Базируется на технологии управляемого роторного бурения PowerDrive. Опыт использования показал, что эта простая и надежная система может быть скомпонована на длину не более 4 м (12 футов) для бурения скважин с диаметром от 5 3/4 дюйма до 22 дюймов. Стандартная модель работает при температурах до 125°C (257°F), а специальная модель — до 150°C (302°F). Все модели работают при гидростатическом давлении до 138 МПа (20 000 psi). 1,050 1,200 1,350 1,500 ÇÂÚË͇θ̇fl „ÎÛ·Ë̇, Ï 1,650 1,800 1,950 2,100 2,250 2,400 2,550 2,700 2,850 3,000 3,150 3,300 3,450 3,600 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 éÚıÓ‰ ÓÚ ‚ÂÚË͇ÎË, Ï ÄÁËÏÛÚ=288° äÓÓ‰Ë̇Ú˚ ÛÒÚ¸fl ı=0, Û=0 Рис. 1. Диаграмма поддержания угла отклонения от вертикали роля и регулировки работы PowerV с поверхности. Работа PowerV также не зависит от наличия системы измерений зенитного угла и азимута в процессе бурения. Тем не менее, использование несложной системы для измерения зенитного угла в процессе бурения обеспечивает возможность получения данных об отклонении ствола в режиме реального времени. Скорость вращения может регулироваться для обеспечения оптимальной эквивалентной плотности раствора и параметров очистки скважины. Вращение всех компонентов обеспечивает высокую эффективность очистки и позволяет достичь оптимальной эквивалентной плотности раствора даже при бурении вертикальных скважин, когда мощности насосов имеют ограничения по давлению. Эти факторы играют важную роль при бурении глубоководных скважин, где возможны ограничения по удельному весу бурового раствора, а также при проходке напряженных, трещинноватых или неустойчивых пород [6]. Надежная система PowerV обеспечивает также высокую точность размещения скважины, высокое качество ствола, высокую скорость проходки и эффективную очистку скважины. Помимо повышения эффективности бурения при использовании системы возможно сокращение численности буровой бригады, что позволяет снизить затраты и создает дополнительные преимущества при ограниченной площади буровой площадки. Использование новейшей технологии вертикального бурения позволяет поддерживать угол отклонения в пределах 0,18° при глубине 2,796 м [9,173 ft] и секциях 16 и 12 1/4 дюйма (рис. 1). Так, при бурении 16-дюймовой секции за один рейс и 12 1/4-дюймовой секции за 8 рейсов с помощью PowerV скорость проходки скважины Eni Мильянико-2 была на 20% выше, чем при бурении соседних скважин обычным методом. Вертикальное бурение в сложных пластах Компания Eni ведет бурение разведочных скважин на месторождении Мильянико. Карбонатный коллектор простирается под зоной вязкопластичных аргиллитов, обуслов- Фото 1. Панорама месторождения Мильянико, Италия ИЮНЬ 2005 №3 45 БУРЕНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО СКВАЖИН ма использовалась при бурении аллювиальных пород, богатых глиной, а от отметки установки кондуктора — твердый известняк. Средняя скорость проходки была значительно выше, чем у традиционных КНБК. 0 500 Ň¯Ï‡Í ÍÓ̉ÛÍÚÓ‡ (185/8 ‰˛Èχ) 1,000 ÉÎÛ·Ë̇ ÔÓ ÒÚ‚ÓÎÛ, Ï Экономичное решение 1,500 ëÂ͈Ëfl (16 ‰˛ÈÏÓ‚) èÎ‡Ì î‡ÍÚ 2,000 2,500 3,000 Ň¯Ï‡Í ÔÓÏÂÊÛÚÓ˜ÌÓÈ ÍÓÎÓÌÌ˚ (131/2 ‰˛Èχ) CÂ͈Ëfl (121/4 ‰˛Èχ) 3,500 ÉÎÛ·Ë̇ ÓÍÓ̘‡ÌËfl Ô‰ÓÒÚ‡‚ÎÂÌËfl Ò‚ËÒ‡ (3600 Ï) 4,000 0 20 40 60 80 ÑÌË Ò ÏÓÏÂÌÚ‡ ̇˜‡Î‡ ·ÛÂÌËfl 100 120 Рис. 2. Бурение с использованием системы PowerV ливающих трудности при бурении стволов большого диаметра. В частности, глинистый шлам затрудняет оптимизацию гидравлических характеристик раствора. Для бурения скважины Мильянико-2 компания Eni выбрала систему PowerV. Преследовалась цель повысить эффективность бурения и качество ствола, улучшить его очистку. Инструмент телеметрии во время бурения SlimPulse контролировал вертикальность траектории в режиме реального времени. Для повышения эффективности бурения и увеличения проходки в компоновку низа буровой колонны (КНБК) включили забойный двигатель PowerPack. Инструментом PowerV за один рейс был пробурен ствол диаметром 16 дюймов и глубиной 1736 метров. Скорость проходки на 21% превышала средний показатель по соседним скважинам. Интервал диаметром 12 1/4 дюйма и длиной 1060 м был пробурен за 8 рейсов, при этом скорость проходки была на 24% выше, чем на соседних скважинах. Оба интервала пройдены без замечаний к 46 çÄìóçé-íÖïçàóÖëäàâ ÜìêçÄã оборудованию на 15 суток раньше срока, установленного планом (рис. 2). Основываясь на успешных результатах при бурении на месторождении Мильянико-2, компания Eni приняла решение применить систему PowerV диаметром 22 дюйма для бурения верхней секции скважины Монте Энок-5 на месторождении Грумента Нова (южная Италия). Данная систе- Хотя технология вертикального бурения может показаться относительно простой, иногда решаемые с ее помощью задачи сравнимы с практикой наклонно-направленного бурения. Применение технологии востребовано на дорогостоящих проектах, например при разведке подсолевых залежей на акватории с большой глубиной. Управляемая роторная система в исполнении для вертикального бурения открывает новые возможности по сокращению затрат на строительство скважин добывающими компаниями. В первую очередь, за счет исключения корректировочных спусков для устранения отклонений и ускоренной проходки, или двух указанных факторов совместно. Как и в других роторных управляемых системах, разработанных Schlumberger, непрерывное вращение, предусмотренное в PowerV, минимизирует риски и повышает качество ствола. Работа опубликована в журнале Oilfield Review Autumn 2004 Литература 1. М. Уильямс. «Повышение эффективности управляемого бурения», Oilfield Review 16, no. 1 (весна 2004): 4-9. 2. «Эффективность бурения продолжает повышаться», World Oil 225, no. 2 (февраль 2004): 41, 43-45, 47. 3. «В ряде областей сохраняется высокая активность» World Oil 225, no. 2 (февраль 2004): 63-65,69. 4. К проблеме бурения в тектонически-активных зонах: Addis T, Last N, Boulter D, Roca-Ramisa Land Plumb D: «Проблема обеспечения стабильности ствола скважины на н/м Кузиана, Колумбия», Oilfield Review 5, no. 2/3 (апрель/июль1993): 33-43. 5. По проекту KTB: К. Брэм, Дж. Дрекслер, Г. Хиршуманн, Г. Зот, С. Хайрон и М. Кийр: «Скважина KTB — самая глубокая скважина в мире» Oilfield Review 7, no. 1 (январь 1995): 4-22. 6. А. Кальдерони, А. Савини, Дж. Тревиранус и Дж. Оппельт. «Экономические преимущества новой технологии вертикального бурения — практическое подтверждение на опыте различных месторождений». Материал SPE 56444, представлено на ежегодной технической конференции SPE в Хьюстоне, 3-6 октября, 1999. Т Е Х Н О Л О Г И И Т Э К
