Научно—технические решения по проектированию строительства морских горизонтальных и много забойных скважин

brief description

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение... 4

1 Успехи и проблемы строительства горизонтальных и многозабойных скважин с большим отклонением ствола от вертикали в России и

за рубежом... 11

1.1 Технико-технологические особенности первичного вскрытия продуктивных пластов горизонтальным стволом ГС и МЗС с большим отклонением ствола от вертикали... 19

1.2 Особенности применения и требования к проектированию строительства ГС и МЗС... 23

1.3 Особенности и требования к проектированию профиля направленных скважин с большим отклонением ствола от вертикали... 25

1.4 Технико-технологические аспекты строительства МЗС при зарезке бокового ствола из обсадной колонны... 28

2 Проектирование профилей ГС и МЗС и технологического способа

по зарезке бокового ствола... 34

2.1 Методический подход расчета профиля ГС и МЗС с различными типами завершающего участка в пределах продуктивного пласта... 34

2.2 Технико-технологическое решение для забуривания боковых стволов

из обсадной колонны при строительстве многозабойных скважин... 53

2.2.1 Требования к технологии строительства бокового ствола... 53

2.2.2 Технико-технологические аспекты нового устройства для забуривания боковых ответвлений из обсадной колонны... 55

3 Выбор на стадии проектирования технологии первичного вскрытия продуктивных пластов ГС и МЗС с большим отходом ствола от вертикали ... 65

3.1 Основные параметры, определяющие качество первичного вскрытия... 67 3.1.1 Условия формирования и разрушения фильтрационной корки в процессе бурения... 70

3.2 Технико-технологические аспекты гидродинамического расчета давлений при бурении горизонтальных стволов ГС и МЗС... 72

3.2.1 Проектирование плотности бурового раствора при бурении направленных участков ГС и МЗС... 73

3.2.2 Гидравлический расчет путевых и местных потерь давления при течении бурового раствора в кольцевом затрубном пространстве... 77

3.2.3 Расчет максимально допустимого гидродинамического давления в кольцевом затрубном пространстве из условия недопущения гидроразрыва пород... 81

3.2.4 Задание технологически необходимых значений подачи бурового раствора или дифференциального давления из условия недопущения гидроразрыва пород... 84

3.2.5 Расчет величины рациональной скорости спуска бурильной (обсадной) колонны в скважину... 85

3.3 Влияние репрессии на радиус загрязнения околоствольной зоны продуктивного пласта... 89

3.3.1 Характер формирования радиуса загрязнения в околоствольной зоне продуктивного пласта вдоль горизонтального участка... 92

3.4 Технико-технологические решения по снижению репрессии на продуктивный пласт... 96

3.4.1 Технологические рекомендации по снижению репрессии... 100

3.5 Механическая скорость как технологический параметр и её влияние на величину радиуса загрязнения... 101

3.5.1 Влияние расхода бурового раствора и механической скорости с учетом обеспечения условия выноса шлама... 103

3.5.2 Влияние механической скорости на величину радиуса загрязнения... 109 4 Разработка методического подхода к выбору профиля ГС и МЗС с большим отклонением ствола от вертикали при освоении шельфовых месторождений... 114

4.1 Обоснование выбора параметров профиля ГС... 117

4.2 Обоснование выбора параметров профиля МЗС... 122

4.3 Оценка качества выполнения проектных решений по строительству

ГС и МЗС... 128

Основные выводы... 134

Использованная литература... 136

Список сокращений... 148
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

В настоящее время и в ближайшем будущем поиск и освоение новых месторождений будут являться стратегической задачей государства.

Подтвержденные геологоразведочными работами промышленные запасы нефти и газа на Арктическом шельфе страны создали перспективу их рентабельной разработки. Принимая во внимание особенности освоения месторождений в этом регионе всё большую актуальность приобретает поиск новых и совершенствование существующих подходов, технико-технологических решений по проектированию и строительству скважин, целью которых будет снижение капитальных затрат и увеличение нефтеотдачи пластов.

Указанной тенденции удовлетворяет, находящее всё большее распространение в мировой практике, бурение горизонтальных (ГС) и многозабойных скважин (МЗС). Несмотря на уже ставшую традиционной технику и технологию строительства таких скважин, по-прежнему существуют проблемы, снижающие эффективность их применения.

Разбуривание Приразломного нефтяного месторождения эксплуатационными ГС и МЗС сложными как по конструкции, так и по геометрии профиля, будет являться первым отечественным и зарубежным опытом на Арктическом континентальном шельфе. Необходимость большой площади охвата Приразломного месторождения скважинами, строительство которых предлагается осуществить с одной морской ледостойкой стационарной платформы (МЛСП), расположенной в центральной части залежи, предопределила значительные по величине отклонения ствола от вертикали при сохранении большой протяженности завершающего участка в пределах продуктивного пласта. На Медынско-Варандейском, Колоколморском и Поморском лицензионных участках континентального шельфа Севера страны предполагается бурение ГС и МЗС (с расходящимися в противоположные стороны боковыми стволами) с протяженно-

стью горизонтальных участков от 1300 м до 3800 м при максимальной длине скважины 8200 м.

При освоении месторождений с помощью ГС и МЗС на первый план выдвигаются проблемы, связанные с выполнением геологической задачи, условием безаварийной проводки, достижением проектной протяженности и формы профиля горизонтального ствола в пределах продуктивного пласта, сохранением коллекторских свойств в околоствольной зоне продуктивного пласта (ОЗП). Данные по законченным бурением и введенным в эксплуатацию скважинам свидетельствует, что не всегда достигнутые результаты полностью удовлетворяют перечисленным требованиям.

Актуальность решения этих проблем является ключевым фактором, способным подтвердить эффективность применения ГС и МЗС с большим отходом от вертикали при разработке Приразломного и ряда других морских месторождений. В связи с этим существенно возрастает роль и ответственность такого ( этапа в освоении нефтегазовых месторождений на шельфе как проектирование

строительства скважин, при котором качество и обоснованность в выборе научно-технических решений в конечном счете предопределяет успешное завершение строительства скважин и соблюдение заданных параметров освоения месторождения в целом.

Цель работы

Разработка и внедрение в практику проектирования и строительства скважин научно-методических и технико-технологических решений, направленных на повышение эффективности применения ГС и МЗС при разработке шельфо-вых месторождений.

Основные задачи исследований

1 Разработка методики расчета профилей ГС и МЗС с учетом требований технологии строительства и последующей эксплуатации скважины.

2 Совершенствование технико-технологических способов по забурива-нию бокового ствола и ответвлений с целью повышения эффективности и качества строительства МЗС.

3 Анализ влияния технико-технологических факторов бурения на качество первичного вскрытия продуктивного пласта и разработка рациональной гидравлической программы строительства скважины при проводке завершающего участка профиля ГС и МЗС.

4 Разработка научно-методических решений по выбору типа и параметров профиля ГС и МЗС с большим отклонением ствола от вертикали при освоении шельфовых месторождений с позиции выполнения геологической задачи, возможностей современной техники и технологии по безаварийной и качественной проводке скважин, снижения капитальных затрат и обеспечения проектных эксплуатационных показателей скважины.

5 Разработка и уточнение критериев оценки качества выполнения проектных решений при строительстве ГС и МЗС.

Методы исследований

Методической основой исследований явился комплексный подход к решению основных задач работы, а в качестве инструмента - элементы прикладной математики (дифференциальной геометрии, математической статистики).

Научная новизна

1 Разработан новый методический подход к проектированию профиля ГС и МЗС с различными типами завершающего участка в пределах продуктивного пласта на базе методов дифференциальной геометрии.

2 На основе концепции размещения забоев кустовых скважин на площади шельфового нефтегазового месторождения предложен научно-методический подход по выбору типов профиля ГС или МЗС при проектировании системы разработки.

3 Предложена рациональная гидравлическая программа первичного

вскрытия продуктивного пласта для одновременного решения задач по обеспе-чению уменьшения допустимого значения репрессии на пласт и повышения нефтеотдачи.

4 Разработаны и предложены уточненные критерии оценки точности выполнения проектных решений при производстве буровых работ и качества первичного вскрытия при строительстве ГС/МЗС.

Основные защищаемые положения

1 Методический подход к расчету параметров профиля и в т.ч. завершающего участка ГС и МЗС в пределах продуктивного пласта.

2 Результаты исследования влияния технико-технологических факторов бурения на качество первичного вскрытия.

3 Технико-технологические решения по забуриванию боковых ответвлений из обсадной колонны при строительстве МЗС.

4 Научно-методические решения по выбору типа профиля направленной скважины, протяженности горизонтального ствола, числа боковых ответвлений с учетом технико-технологических условий проводки, эксплуатационных показателей добычи и капитальных затрат при строительстве скважин на примере Приразломного нефтяного месторождения.

5 Метод оценки качества выполнения проектных решений на базе разработанных и уточненных критериев.

Практическая ценность работы

Достоверность выводов и установленных закономерностей теоретических исследований подтверждена разработкой и применением технико-технологических решений и регламентирующих документов.

1 Использование предложенного методического подхода расчета параметров профиля ГС и МЗС и созданного для этого программного обеспечения позволит повысить качество проектирования и осуществлять оперативное управление технологическим процессом проводки стволов и ответвлений.

2 Предложенная усовершенствованная система для забуривания боко-вых ответвлений из обсадной колонны при строительстве МЗС повышает безаварийность выполнения технологических операций и обеспечивает сокращение сроков их проведения.

3 На стадиях проектирования и проводки скважин, особенно горизонтальных участков ГС и МЗС с большим отклонением ствола от вертикали в условиях низких значений давления гидроразрыва пластов, включение в состав расчета гидродинамических давлений гидравлических сопротивлений на элементах КНБК повысит надежность безаварийного ведения буровых работ.

4 Разработанные рекомендации по выбору рациональных параметров углубления при первичном вскрытии и технические решения обеспечивают снижение величины репрессии и радиуса загрязнения продуктивного пласта фильтратом бурового раствора при бурении протяженных завершающих участков скважин с большим отходом ствола от вертикали.

1^ 5 Предложенный комплексный подход позволяет на стадии проектиро-

вания обосновать выбор ГС или МЗС, длины завершающего участка в зависимости от величины отклонения ствола от вертикали, эксплуатационных показателей добычи и капитальных затрат с целью рационализации системы разработки и повышения рентабельности освоения морских нефтегазовых месторождений.

6 Научно-методический подход по определению качества выполнения проектных решений при строительстве ГС и МЗС создает основу для регламентирования допустимых пределов отклонения параметров скважины от проектных и прогнозирования эффективности и качества проводки последующих скважин на данном месторождении.

7 Результаты диссертационной работы использованы:

- при разработке девяти рабочих проектов на» строительство ГС и МЗС, Требований к конструкциям скважин и производству буровых работ, методам вскрытия пластов и освоения ГС и МЗС на шельфовых месторождениях — При-

разломное, Штокмановское, Медынское-море и др.;

^ - в Технологическом регламенте «Технология бурения многозабойных

скважин». Стандарт предприятия СТП ВНИИБТ-1021-2003, ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ, Москва, 2003г.;

- в Регламенте «Разработка типовых технико-технологических решений на бурение боковых стволов из эксплуатационных скважин на основе использования современных технических средств и технологий». ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ, Москва, 2005г.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях, семинарах и научно-технических совещаниях:

- на международной конференции «Освоение шельфа арктических морей России», RAO-03, «Освоение ресурсов нефти и газа российской Арктики и кон-тинентального шельфа стран СНГ», RAO-05, Санкт-Петербург, 2003, 2005 гг.;

- на IV международном семинаре «Горизонтальные скважины», Москва, 2004г.;

-на конференциях Ассоциации Буровых Подрядчиков, Москва, в 2003, 2004, 2005 гг.;

- на Международных научно-технических конференциях «Наука и образование», Мурманск, в 2004,2005 гг.;

- на научной конференции «Молодежная наука - нефтегазовому комплексу», Москва, 2004г.;

- на Ученых Советах ОАО НПО «Буровая техника»-ВНИИБТ, г.Москва, 2004, 2005 гг.;

-на научно-технических совещаниях ЗАО «Севморнефтегаз», г.Москва, 2005г.;

- на технических совещаниях компании Halliburton, г.Москва, 2004, 2005гг.

#

10

Публикации

По материалам диссертации автором опубликовано 15 печатных работ.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка использованных источников из 178 наименований. Изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков и 12 таблиц.

Автор выражает благодарность сотрудникам Центра проектирования строительства скважин ОАО НПО «Буровая техника»-ВНИИБТ за консультации при работе над диссертационным материалом.

f

11

#

1 УСПЕХИ И ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

* И СТРОИТЕЛЬСТВА ГС И МЗС С БОЛЬШИМ ОТКЛОНЕНИЕМ

СТВОЛА ОТ ВЕРТИКАЛИ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ

Последнее десятилетие характеризуется значительным увеличением как числа скважин с большим отходом от вертикали, особенно в морском бурении, так и величиной отклонения. Если на заре развития направленного бурения к категории скважин с большим отклонением от вертикали были отнесены скважины с коэффициентом отклонения (отношение отклонения скважины от вертикали к глубине скважины по вертикали) больше 1,0, то в настоящее время это величина составляет 2,0 - 6,5.

На территории бывшего СССР, нынешней РФ, уже были примеры успешной практики строительства таких скважин - на Каспии, в Западной Сибири, на Сахалине. Вопросам разработки и совершенствования техники и технологии строительства таких скважин посвящен ряд исследований [87, 116, 127, 148, 149, 151, 153, 154, 155, 156 и др.]. Однако, несмотря на определенные успехи, на сегодняшний день в нашей стране число скважин, пробуренных с большим отклонением ствола от вертикали, остается незначительным.

В 1997-1998 гг. ОАО "Роснефть-Сахалинморнефтегаз" была пробурена наклонно-направленная скважина (ННС) 202 Одопту-море (Северный купол) в районе г. Оха на Сахалине с рекордным для РФ отклонением - 4781 м и с протяженностью ствола 5589 м [128]. Способ заканчивания следующий: хвостовик 0168,3x177,8 мм, глубина спуска 3194...5014 м; фильтр 0168,3x177,8 мм с отверстиями 04 мм, глубина спуска 4882,7...5002,5 м. Выбор в пользу бурения такого типа скважин был обусловлен тем обстоятельством, что месторождение было признано нерентабельным для разработки с МЛСП. В последние годы на Одоптинском месторождении пробурен ряд скважин с большими отклонениями ствола от вертикали на уровне мировых достижений [128]. Так, в скважинах 204, 209 соответственно при глубине по вертикали 1491 м отклонение от верти-

12

кали составило 5229 м и при глубине по вертикали 1496 м отклонение - 5335 м. Таким образом коэффициент отклонения приближается к отметке 4, что по мировой классификации характеризует такие скважины как сложные.

С аналогичным коэффициентом сложности в период 2003 - 2004 гг. с помощью компании-оператора Exxon были пробурены скважины на месторождении Чайво (Сахалин). При этом глубины значительно увеличились, что ставит их на верхние позиции среди скважин-рекордсменов; к примеру скважина Z-2 при глубине по вертикали 2600 м имеет отход 10088 м.

За рубежом широкое внедрение направленного метода бурения скважин с большим отклонением ствола от вертикали явилось результатом внедрения в практику новых, оригинальных, технически надежных серийных устройств для набора и стабилизации кривизны; MWD/LWD-аппаратуры для управления и контроля траектории ствола скважины. Это позволило ряду фирм достичь рекордных по величине отклонений ствола от вертикали.

В начале 90-х гг. прошлого века одним из лидеров в области бурения ННС и ГС с большим отклонением ствола от вертикали являлась Норвегия, где бурение таких скважин велось в Северном море. На первоначальных этапах план разработки месторождения Галлафакс строился на бурении ННС с зенитными углами до 60° при максимальном отклонении до 3000 м. Достигнутые значительные успехи в развитии наклонно-направленного и горизонтального бурения предопределили новую тенденцию в строительстве скважин, а именно: в 1993 г. фирма Statoil установила рекорд бурения ННС с удлиненным стволом. Скважина С-1 пробурена с морской платформы Statfiord С, горизонтальное отклонение ствола - 6000 м, длина ствола скважины - 7250 м при глубине по вертикали 2697 м. В 1995 г. с платформы Statfiord С была пробурена скважина С-2 с отклонением ствола от вертикали на 7290 м при глубине скважины по стволу 8761 м, глубина скважины по вертикали - 2783 м [119]. Профиль скважины 3-хинтервальный. Бурение интервала 7409-8761 м осуществлялось забойным двигателем 0171,5 мм с использованием системы MWD. Однако зенитный угол

ш

0

13

уменьшился до 78°. Хвостовик 0 177,8 мм был спущен на глубину 8489 м. По мере углубления скважины увеличивали плотность бурового раствора с 1120 кг/м3 на глубине 1500-2000 м до 1500-1540 кг/м3 на глубине 6000-8761 м. Строительство скважин было закончено за 141 день, из которых на чистое бурение затрачен 91 день. Средняя проходка на долото составила 96,3 м.

Начиная с 1993 г. компания British Petroleum (BP) вела бурение на месторождении Wytch-Farm [121]. Первый успех был достигнут на скважине М-5. Фактическая глубина этой скважины по вертикали 1611 м при протяженности ствола 8715 м и отклонении 8035 м, коэффициент отклонения Ко= 5,0. В 1997 г. компанией ВР совместно с компанией Schlumberger была пробурена скважина M-11Y глубиной 10658 м с отходом от вертикали 10114 м при фактической глубине по вертикали 1605 м, т.е. Ко = 6,3-

При бурении этих скважин осуществлялся эффективный контроль за плотностью бурового раствора во время бурения, непрерывный контроль за направлением бурения (использовалась технология замеров и каротажа в процессе бурения компании Anadrill и управляемая роторная буровая система Cameo, позволяющая войти в коллектор точно на желаемой вертикальной глубине и сохранять нужную глубину, находясь в продуктивном пласте на протяжении почти 2000 м).

В 1997-1998 гг. компания Phillips пробурила скважину А14 в Южно-Китайском море с платформы Сицзян 24-3 глубиной по вертикали 2985 м с отклонением - 8066 м и общей протяженностью ствола скважины - 9244 м [122]. Первоначальный дебит скважины составил 667 м3 нефти в сутки.

Основой технологии, позволившей достичь этих результатов, была новая система управления искривлением ствола с помощью отклонителя с регулируемым углом наклона. Эта система позволяет бурильщику дистанционно регулировать диаметр лопастей стабилизатора, благодаря чему угол наклона ствола можно изменять в реальном масштабе времени в процессе роторного

14

бурения. В результате горизонтальное смещение забоя и скорость проходки увеличиваются. Разработчиком этой технологии является компания Halliburton. Впечатляющих успехов добилась компания Total совместно с компаниями Deminex и Pan American Energy [117, 118], которые с 1996 г. пробурили ряд ГС и ННС с большим отклонением ствола от вертикали на месторождении Tierra del Fuego (Аргентина). Показатели строительства скважин-рекордсменов с большим отклонением ствола от вертикали на различных месторождениях представлены на рис. 1.1.

Ага (Аргентина) Caus (Аргентина) Jtateil

Ко=6: 1

Ко=4: I

3500

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000

отклонение от вертикали, м Рис. 1.1 Мировая статистика скважин-рекордсменов по отходу от вертикали.

Следует отметить, что достигнутые зарубежными фирмами рекордные показатели получены лишь в отдельных скважинах, пробуренных по индивидуальным программам бурения.

Накопленный отечественный и зарубежный опыт строительства скважин с большим отклонением ствола от вертикали представляет практический инте-

15

pec, особенно в связи с намеченными в ближайшие годы перспективами интен-сивного освоения морских нефтегазовых месторождений Арктического континентального шельфа Европейского Севера страны - Приразломное и Медын-ское-море (Печорское море), Штокмановское (Баренцево море), в Обской губе Карского моря.

Строительство многозабойных скважин

Основным преимуществом технологии многозабойного бурения является то, что используя один основной ствол скважины представляется возможность пробурить из него ряд боковых стволов (БС), в том числе горизонтальных и пологих, с различной протяженностью в продуктивном пласте и в различных направлениях (азимутах). МЗС бурятся как при строительстве новых скважин, так и при восстановлении скважин из бездействующего фонда.

Технология строительства МЗС была разработана более 70 лет тому назад [123] в целях повышения производительности скважин. После бурения первых скважин развитие технологии происходило медленно. Но, со временем, экономические аспекты добычи углеводородов видоизменили многие технико-технологические решения и операции в стремлении извлекать больше запасов по меньшей цене за время работы скважины. После проведения нефтегазодобывающими и сервисными компаниями в 1992 году экспериментов с МЗС для этой технологии настал период бурного развития. Рис. 1.2 отражает сегодняшнее видение эффективности применения современных перспективных технологий по строительству скважин, где большая роль в повышении нефтеотдачи и снижении затрат отводится внедрению и совершенствованию технологии многозабойного бурения.

Известно, что строительство ГС и МЗС имеет гораздо большие масштабы за рубежом (в США, Канаде, Северном море, на Ближнем Востоке и других нефтегазодобывающих регионах мира). Для облегчения проектирования и экс-

16

О 2 4 6 8 10

потенциал в снижении затрат

Саморегулирующийся внутрискважинный штуцер/клапан Расширяющаяся обсадная колона/перекрытие

• Контроль и мониторинг МЗС Открытые стволы МЗС Бурение МЗС

• Зарезка БС из существующих скважин

• Неглубокие соединения МЗС Роторное бурение через НКТ

• МоноДиаметр

Рис. 1.2 Потенциал технологий в увеличении нефтеотдачи и снижении затрат.

плуатации МЗС ведущие зарубежные нефтедобывающие компании [138, 147, 76]разработали классификационную матрицу, определяющую типы МЗС (уровень по TAML, т.н. "техническому уровню применения технологии бурения МЗС" [138]) и позволяющую: привести в соответствие тип МЗС и проектируемый режим бурения, улучшить степень сравнения сложности бурения скважин на различных месторождениях, определить рекомендации и требования к эксплуатации МЗС по ее типам.

В [76, 123, 131] приводится подробный анализ опыта и результатов строительства МЗС за рубежом в соответствии с принятой классификацией. В

17

этих работах даны краткие сведения по разработкам всемирно известной фирмы Sperry-Sun (Halliburton) в области строительства МЗС, которые, по существу, являются наиболее эффективными и оригинальными достижениями.

По данным компаний-операторов основой для выбора технологии бурения можно считать горно-геологическое строение конкретного месторождения, т. к. продуктивные пласты различаются по степени пористости, трещиновато-сти, сцементированности и коэффициенту обводненности, а также конструктивные особенности техники для бурения МЗС.

С целью более точного определения характеристик объектов разработки (показателей пористости и проницаемости) принято проводить компьютерное объемное моделирование режимов работы продуктивных пластов.

По имеющимся данным результатов бурения большинство ответвлений в стволах скважин являются горизонтальными. Это подтверждает, что МЗС является современным развитием технологии горизонтального бурения [126].

Метод строительства МЗС, как отмечалось выше, известен давно, и в нашей стране было пробурено достаточно большое число таких скважин [131]. Тем не менее, только в последнее время, благодаря известным достижениям в области техники и технологии бурения направленных скважин с большим отклонением ствола от вертикали, представилась возможность на многих нефтегазовых месторождениях перейти на более широкое его применение.

Основным преимуществом МЗС является то, что, используя один основной ствол, можно пробурить из него ряд БС, в т.ч.ч горизонтальных, пологих, горизонтально-разветвленных с различной протяженностью и на разных уровнях, отличающихся по направлению искривления (азимуту), и за счет этого увеличить площадь дренирования. Известно, что МЗС, в основном, бурятся на месторождениях, находящихся на поздней стадии разработки, с низкими пластовыми давлениями, а также на месторождениях с высоковязкой нефтью [116]. Вместе с тем, область внедрения МЗС все больше расширяется. Высокоэффективно применение МЗС на отдаленных от платформы продуктивных участках

Список литературы