Наклонно-направленных и горизонтальных скважин с использованием забойных телеметрических систем

наклонно-направленных и горизонтальных скважин с использованием забойных телеметрических  систем

  Квалификационная  работа

  Решетников  П.М.

  Уральский государственный горный университет

  Екатеринбург 2005

Введение.

  Потребности человечества в углеводородном сырье, отсутствие надежной альтернативы нефти  и газу как топливу требуют  совершенствования технологий по извлечению разведанных запасов.

  Основным  средством изучения горных пород, вскрытых скважинами, стали в настоящее  время геофизические методы исследований – измерения различных физических параметров, позволяющие определять геологические характеристики пород  и контролировать режим работы пластов  в процессе бурения скважин.

  Рост  объемов наклонно-направленного  бурения скважин с углами отклонения ствола скважин от вертикали более 50° обусловили ограничения по применению традиционных методов исследований с помощью аппаратуры, спускаемой в скважину на кабеле, и вызвали  необходимость разработки специальных  технологий доставки скважинных приборов в интервал исследований. Решение  этой проблемы возможно с помощью  бескабельных измерительных систем, доставляемых на забой с помощью  бурового инструмента.

  Накопленный фактический материал по естественному  искривлению скважин позволил установить ряд общих закономерностей, учитывая которые буровики научились проходить  скважины в строго заданном направлении. Такие скважины получили название наклонно- направленных и горизонтальных. Искусственное  отклонение — это направление  ствола скважины в процессе бурения  по определенному плану доведением забоя до заданной точки. Искусственное  отклонение скважин подразделяется на наклонное многозабойное (разветвленно-направленное) и кустовое (многоствольное) бурение.

  Кустовое  бурение. Под кустовым бурением понимается способ, при котором устья скважин  группируются на общей площадке, а  конечные забои находятся в точках, соответствующих проектам разработки 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 и в болотистых местностях. Впервые в СССР кустовое бурение  было осуществлено под руководством Н.С. Тимофеева на о-ве Артема в Азербайджане. В настоящее время в кустах бурят 8 — 24 скважины и более. Одна из основных особенностей проводки скважин  кустами — необходимость соблюдения условий непересечения стволов  скважин.

  К недостаткам кустового наклонно направленного способа бурения  следует отнести вынужденную  консервацию 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.

  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 многократно. 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. Разработаны технические средства и методы, позволяющие достаточно надежно проводить горизонтальные стволы в заданном направлении.

  Бурение этих скважин ускоряет освоение новых  нефтяных и газовых месторождений, разведку полезных ископаемых, снижает  капиталовложения и уменьшает затраты  дефицитных материалов.

  В связи с все возрастающими  объемами направленного бурения  весьма актуальной становится проблема контроля за направлением ствола скважины в процессе ее бурения, проблема возможности  управления этим процессом по намеченной программе. Комплекс измерительных  датчиков контроля направления ствола скважины должен состоять из датчиков измерения угла наклона скважины и ее азимута. Для управления процессом  направленного бурения измерительную  систему оборудуют датчиком положения  отклонителя. Описанные две группы датчиков объединены в одной телеизмерительной системе для оптимизации процесса бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

  Уже давно стало известно, что горизонтальные скважины являются более выгодными  с точки зрения добычи нефти, дебит  которой зависят от длины горизонтального  участка скважины.

  Появились идеи совмещения процесса бурения с  геофизическими и технологическими измерениями с помощью датчиков, установленных в бурильной колонне  вблизи долота.

  Необходимость расширения геофизического комплекса  методов на различной физической основе обусловила создание цифровой комплексной скважинной аппаратуры, когда измеряются большое количество различных геофизических параметров, передаваемых по беспроводным каналам  связи к наземной обрабатывающей и регистрирующей аппаратуре.

  Однако, как бы не были совершенны зарубежные и отечественные инклинометрические телесистемы, большой процент наклонно направленных и горизонтальных скважин  проводится не по продуктивному пласту и, с точки зрения геофизики, вслепую. Причиной этого является отсутствие геофизической информации в процессе бурения.

  Есть  два подхода его решения:

  1) При бурении проводить привязочные  каротажи.

  2) Использование системы, регистрирующие  геофизические параметры и передающие  их на поверхность в режиме  реального времени (непосредственно  при бурении), так называемые LWD-системы.  Данный подход обладает преимуществом  по сравнению с первым, так  как возможна более оперативная  корректировка траектории скважины  и не затрачивается дополнительное  время на привязочные каротажи.

  Научно-производственное предприятие ВНИИГИС предлагает комплексную технологию управления траекторией бурящих боковых  стволов и горизонтальных скважин  телеметрическими системами с беспроводным электромагнитным каналом связи.

  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.

  Прием и обработка информации на поверхности  при работе с телесистемами осуществляется с помощью IBM PC, что гарантирует  качество и надежность приема и обработки  скважинной информации. Основное преимущество систем с дистанционной передачей  заключается в возможности немедленного поступления глубинной информации к оператору.

  В основу данной работы легли отчеты и материалы ООО ВНИИГИС отдела №15 по разработке, в разработке и  испытаниях которых автор принимал участие.

1. История развития  бескабельных систем  для исследований  скважин.

  В настоящее время бескабельные телесистемы  и автономные приборы широко применяются  для решения различных геологических, технологических и технических  задач в процессе бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин, изучения параметров геологического разреза, их освоения в сложных геолого-технических  условиях и эксплуатации нефтегазовых, угольных, рудных и специальных скважин  месторождений различных полезных ископаемых.

  Для геофизических исследований скважин  применяют около двадцати различных  методов каротажа. Как правило, измерения  свойств горных пород, проходимых скважиной, производят часто много времени  спустя после их вскрытия. За это  время проникновение фильтрата  бурового раствора оказывается настолько  значительным, что порой полностью  маскирует истинный характер пласта. Ухудшается и отбивка границ пластов. Желательно проводить каротаж в  момент вскрытия пласта или вскоре после окончания бурения, когда  бурильные трубы еще не извлечены  из скважины.

  Измерения в процессе бурения были впервые  осуществлены введением в практику работ метода газового каротажа. Однако недостатком этого метода было то, что выбуренные породы разбуриваемого пласта с потоком промывочной  жидкости достигают поверхности  через 30 и более минут после  вскрытия пласта, и в районах с  высокой скоростью бурения приходилось  иногда останавливать процесс бурения  для оценки характера вскрытых скважиной  пластов. Кроме того, применение этого  метода не исключало необходимости  проведения электрического каротажа после  бурения аппаратурой на кабеле.

  Были  проведены значительные поисковые  работы по разработке метода и аппаратуры для непрерывного в реальном масштабе времени получения оператором информации о различных свойствах проходимых скважиной пород в процессе ее бурения. При этом основной упор был  сделан на разработку метода электрического каротажа и канала связи забоя  скважины с поверхностью.

  50-е  гг. характеризуются появлением  нового направления — разработкой  автономно действующих скважинных  приборов со встроенным в них  регистратором для записи измеряемых  величин. Предложения, связанные  с устройствами, использующими канал  связи, сводятся к выбору типа  канала, соответствующих источников  питания, передающей и приемной  аппаратуры, зондовых устройств  и др. При этом предусматривается  проведение электрического, радиоактивного  и иногда других методов каротажа. В качестве источников питания  предполагается использование химических  источников тока или турбогенераторов.

  Сложность изготовления специальных бурильных  труб со встроенными в них отрезками  кабеля, сложность их стыковки на буровой, высокая стоимость эксплуатации такого канала связи, потребность в  специальном оборудовании и низкая надежность его работы привели к  необходимости поиска других каналов  связи. Одним из этих поисков является использование колонны бурильных  труб в качестве электрического канала связи. Передача электрических сигналов — электромагнитных колебаний по трубам в принципе обладает рядом  существенных преимуществ перед  другими способами передачи информации. В первую очередь, это простое  преобразование измеряемой величины в  электрический сигнал.

  В одном из первых предложений по проведению каротажа в процессе бурения с  применением беспроводного электрического канала связи предполагалось проводить  одновременное измерение и передачу нескольких величин путем изменения  длительности передаваемого импульса, паузы и частоты следования импульсов.

  Устройство  для каротажа в процессе бурения  состояло из скважинной аппаратуры и  наземного приемного и регистрирующего  блока. Скважинный прибор находился  в специальном буровом переводнике, а долото и колонна труб использованы как измерительные электроды, измерялась разность потенциалов (КС и ПС) между  долотом и колонной труб. Электрическое  соединение измерительной и передающей аппаратуры, находящейся в скважинном приборе, осуществлялось с помощью  щеточных контактов, изолированных  от окружающих проводящих материалов. В измерительной аппаратуре разность потенциалов преобразовывалась  в пропорциональные длительности электрических  импульсов и пауз между ними. В  наземном приемном блоке производилось  декодирование измеряемых величин  и их запись. Недостатком предложенного  беспроводного канала связи было сильное затухание сигнала с  ростом глубины скважины, особенно в низкоомных разрезах.

2. Цели и задачи  направленного бурения  скважин.

  Вскрытие  продуктивной толщи направленными, в том числе горизонтальными  и разветвленно-горизонтальными  скважинами, позволяет следующее:

  повысить  продуктивность скважины за счет увеличения площади фильтрации;

  продлить  период безводной эксплуатации скважин;

  увеличить степень извлечения углеводородов  на месторождениях, находящихся на поздней стадии разработки;