Полная версия

Главная arrow Строительство

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Сведения об истории развития направленного бурения

Первые сведения о применении направленного бурения относятся еще к XVII в., но интенсивное развитие направленного бурения связано с общим развитием промышленности и самого бурового дела со второй половины XIX в. В это время были изобретены алмазные коронки и созданы первые станки для алмазного бурения, что позволило бурить не только вертикальные, но и наклонные и горизонтальные стволы.

В 1864 г. алмазным инструментом были пробурены первые горизонтальные скважины при строительстве железнодорожного тоннеля в Альпах.

В России впервые наклонная скважина была пробурена в 1894 г. ударным способом, работами руководил горный инженер С. Г. Войслав.

Первые публикации об искривлении скважин относятся к 1883 г. В 1907 г. Дж. Китчин опубликовал представительные данные об искривлении глубоких (до 1 000 м) скважин в Южной Африке. В России первые публикации об измерении искривления нефтяных скважин на Апшероне относятся к 1900 г. К этому времени в США, Швеции и России уже появились первые приборы на основе плавиковой кислоты, магнитной стрелки и желатина (прибор Мааса) для контроля положения ствола скважины в пространстве. Подобные приборы в России были изготовлены и использованы инженерами А. Шимановским и В. К. Згленицким в 1893 г.

В 1890 г. инженером К. Г. Симченко была предложена идея гидравлического двигателя - турбобура.

В конце XIX - начале XX в. на рудниках Урала. Джезказгана, Алтая, Забайкалья уже было известно заложение скважин с учетом залегания рудного тела, а горизонтальное бурение применялось при строительстве тоннелей при сооружении Кругобайкальской железной дороги Трансиба. Работы выполнялись в основном зарубежными мастерами.

В 1902 г. появляется первый патент, в котором предложено техническое средство, обеспечивающее отклонение вращающейся компоновки низа бурильной колонны от оси скважины.

В 1906 г. инженером П. Н. Потоцким был разработан проект бурения с берега Каспийского моря на шельф с целью разработки нефтяного месторождения.

В 1912 г. на юге Африки впервые для искривления скважины алмазного бурения был использован клин.

Начиная с 1910-1920 гг. В России появляются работы по теории искривления скважин - И. С. Васильев в 1916 г. издал работу, в которой привел данные об искривлении скважин на Урале, где утверждал, что это явление происходит в основном под влиянием геологических особенностей буримых горных пород.

Академик А. Н. Динник (1920 г.), будучи механиком и крупным специалистом по теории сопротивления материалов, занимался исследованием устойчивости бурильной колонны и отмечал в своих работах, что искривление скважин - в основном результат деформации бурильной колонны.

Несколько позже проблемой искривления скважин в СССР занимались Н. В. Бобков, Ч. Л. Мочульский, Т. В. Ключанский. Они выделяли ряд причин искривления скважин, среди которых называли прогиб буровых штанг, неправильное центрирование снаряда, частую смену твердых и мягких слоев горных пород, их слоистость, сланцеватость и трещиноватость. На основании проведенного анализа давались рекомендации по технологии бурения и использованию центровочных фонарей, центрированных буровых компоновок при бурении дробью и коронками с вооружением из «суррогатного» твердого сплава - «победита».

Рост объемов геолого-разведочных работ после революции в России вызвал необходимость развития направленного бурения. Оно в те годы было связано с именами профессоров В. М. Крейтера и Ф. А. Шамшева. В 1930-1940 гг. большой вклад в разработку приборов для измерения искривления скважин внес Н. О. Якоби, а в теорию искривления скважин Е. В. Боровский. Эти работы в 1934 г. способствовали решению задачи смещения забоя вертикальной скважины в заданном направлении.

В США и других странах с высокоразвитой промышленностью методы направленного бурения начали применять с 30-х гг. прошлого столетия, чему способствовало создание инструментов и приборов, позволяющих точно определять азимут и угол наклона скважин, а также возможность ориентирования отклонителей в скважине. При этом в США получили распространение отклонители клинового типа, так как преимущественно применяли роторное бурение.

В 1930 г. на Хантингтонском пляже в Калифорнии было осуществлено бурение первой зарегистрированной направленной скважины с берега под морское дно. Этот опыт стал развиваться и использоваться, в частности, для бурения скважины под запретные зоны. Например, под чужие участки месторождения, что вызвало проблемы юридического плана.

В 1934 г. для глушения открытого выброса из скважины близ каньона Дикого потока в США была пробурена разгрузочная направленная скважина, забой которой был подведен близко к фонтанирующей скважине. Посредством нагнетания бурового раствора в направленную скважину под высоким давлением были созданы каналы в направлении фонтанирующей скважины, что позволило заглушить фонтан. С этих пор бурение наклонных скважин стали использовать для ликвидации аварийных фонтанирующих скважин.

В 1923 г. инженер М. А. Капелюшников изобрел одноступенчатый турбобур с редуктором.

В 1935 г. по предложению М. А. Геймана турбобур с редуктором М. А. Капелюшникова и с установленной над ним «кривой» трубой стал использоваться для искусственного искривления скважин, но только после усовершенствования турбинного редуктора в 1941 г. отклонитель на базе забойного гидродвигателя получил развитие в промышленности.

Начиная с этого момента развитие технологий направленного бурения становится более интенсивным, так как производительность работ по искусственному искривлению скважин резко возросла, повысились качество и надежность этих работ.

В США с 1950 г. при колонковом бурении начали применять стационарный отклоняющий клин Холл-Роу, съемный клин и устройство фирмы «Томсон», а также различные конструкции электрических, гироскопических и фотоинклинометров. Эти разработки стали широко известны в СССР из книги Дж. Камминга, посвященной технологии алмазного бурения, развитие которого стало приоритетным в 50-60 гг. XX в.

Значительный вклад в развитие теории направленного бурения глубоких скважин в 50-60 гг. прошлого века внесли американские специалисты А. Лубинский и Г. Вудс, Д. Брентли, работы которых получили широкое признание и дали импульс развития техники и технологии направленного бурения и в СССР. В этот период А. Лубинским и Г. Вудсом были предложены теория «маятниковых» компоновок и методика их применения для проходки вертикальных и наклонных стволов в анизотропных горных породах, вызывающих значительное искривление скважин.

В СССР наряду с турбобурами с кривым переводником в это время стали использовать электробуры с кривым переводником, а в последующем и специализированные турбинные отклонители типа ТО.

Активное совершенствование и развитие отклоняющих систем происходит в 70-80-е гг. прошлого столетия с использованием для бурения созданных винтовых забойных двигателей (ВЗД). В этот период развиваются теория и методика применения компоновок нижней части бурильной колонны (КНБК) для снижения интенсивности естественного искривления вертикальных и наклонных стволов, для управления направлением скважин малого диаметра в анизотропных породах. Наряду с маятниковыми компоновками, которые оказались эффективны только при бурении скважин большого диаметра (не менее 200 мм), были разработаны разнообразные жесткие компоновки, наддолотные стабилизирующие устройства, специальные УБТ, в том числе УБТ-стабилизаторы, такие как квадратные УБТ, УБТ увеличенного диаметра со спиральными канавками, а также компоновки динамической стабилизации - эллиптические УБТ (УБТЭ), созданные в СевКазНИПИнефть для роторного бурения.

Развитие техники и технологии направленного бурения, применение отклонителей на базе турбобуров позволили решать сложные задачи по бурению скважин с протяженными интервалами набора кривизны и проходкой длинных наклонных и горизонтальных участков ствола.

Развитием техники и технологии направленного бурения скважин на нефть и газ в СССР активно занималась лаборатория направленного бурения ВНИИБТ, отраслевые институты СевКазНИПИнефть, ЗапСибНИПИ- нефть и др. Разработки этих институтов широко использовались и используются при производстве буровых работ на площадях Каспия, Башкирии, Западной и Восточной Сибири, Сахалина, они послужили основой создания новых технологий интенсификации добычи нефти и газа вертикальногоризонтальными скважинами, получившими широкое развитие в мире за последние два десятилетия (первая работа в этом направлении - монография А. М. Григоряна «Вскрытие пластов многозабойными и горизонтальными скважинами», 1969), помогли пробурить самую глубокую скважину в мире - СГ-3 на Кольском полуострове, которая является многоствольной (4 дополнительных ствола, один из которых (ствол № III) достиг максимальной глубины - 12 262 м).

Первая вертикально-горизонтальная скважина на нефтяном месторождении пробурена в СССР в 1953 г. в Башкирии (скважина 66/45). В 1968 г. на Марковском месторождении (Иркутская область) пробурена скважина с рекордной для того времени протяженностью горизонтального ствола 632 м.

За рубежом активное начало промышленного бурения горизонтальных скважин начато в 70-х гг. XX в. Лидером бурения горизонтальных скважин стали Французский институт нефти и фирма «Эльф-Атикен». За короткие сроки за рубежом были сконструированы, прошли промышленные испытания и появились на рынке новые забойные двигатели, долота, телеметрические системы, системы геофизических исследований в горизонтальных стволах и другое оборудование, позволяющее достигнуть высоких техникоэкономических показателей при бурении горизонтальных скважин.

К сожалению, в СССР из-за того, что резко увеличилась добыча относительно дешевой нефти в Западной Сибири, снизился интерес к бурению разветвленно-горизонтальных и горизонтальных скважин.

Активное развитие технологии бурения вертикально-горизонтальных скважин происходит в 80-е гг. прошлого столетия в связи с открывающейся возможностью резкого повышения коэффициента извлечения нефти (КИН) и возможностью извлечения нефти из истощившихся месторождений и месторождений с тяжелой нефтью. Начиная с 80-х гг. резко возрос интерес к бурению горизонтальных скважин в США. Горизонтальные скважины бурятся на месторождении Прадхо-Бей (Аляска), сложенного низкопроницаемыми известняками. Резко возросли объемы бурения горизонтальных скважин в шельфовой зоне Северного моря.

Проходка вертикально-горизонтальных стволов позволила:

  • • получать начальные дебиты в 20 раз выше, чем дебиты обычных скважин, при повышении стоимости бурения только в 2-3 раза;
  • • обеспечить накопленную добычу за 10-15 лет эксплуатации в 10 раз выше при себестоимости добытой нефти в 3-5 раз ниже, чем по обычным соседним скважинам;
  • • на 20-30 % увеличить общую нефтеотдачу из продуктивных пластов;
  • • повысить эффективность разработки высоковязкой нефти, процессов заводнения, прогрева пластов и др.

В настоящее время развитие технологии и технических средств направленного бурения вертикально-горизонтальных скважин позволило осуществлять добычу трудно извлекаемых так называемых сланцевых газа и нефти. В данном случае добыча углеводородов возможна только за счет сгущения сети буримых горизонтальных стволов с последующим гидроразрывом непроницаемого или слабопроницаемого пласта-коллектора.

Значительное развитие технология и техника направленного бурения получили в процессе освоения методов бурения вертикальногоризонтальных скважин. Это прежде всего развитие забойных телеметрических систем (ЗТС), включающих средства дистанционного контроля положения забоя скважины и управления направлением скважин. В качестве датчиков положения скважины в пространстве недр стали использоваться электронные средства: акселерометры, магнитометры и гироскопы, а в качестве средств дистанционного контроля параметров беспроводные - гидравлические, электромагнитные, кабельные и другие системы связи.

Забойные телеметрические системы, имея автономный источник энергии (гидрогенератор или аккумуляторы), позволяют определять зенитный и азимутальный углы, углы установки отклонителя, свойства горных пород, в том числе степень их анизотропии и ориентации направлений анизотропии пород, слагающих стенки скважины, на поверхность посредством различных каналов связи (акустический каротаж). ЗТС управляются с поверхности посредством передачи управляющих сигналов, что позволяет ориентировать отклоняющие системы в соответствии с текущими задачами по корректировке направления скважины.

В настоящее время созданы интеллектуальные роторные ЗТС, которые запрограммированы на автономную работу по бурению ствола скважины с использованием алгоритмов управления траекторией скважины.

При этом если на начальном этапе развития ЗТС использовались отклонители на базе винтовых забойных двигателей с дистанционно управляемыми кривыми переводниками, то в настоящее время активно развиваются rotary steerable system (RSS) - роторные управляемые системы (РУС), в которых разрушение горной породы осуществляется вращением долота с бурильной колонной верхним приводом буровой установки, а также отклоняющие системы, сочетающие применение винтовых забойных гидродвигателей и РУС, позволяющие осуществлять бурение существенно более протяженных горизонтально ориентированных стволов - более 10 км.

Системы RSS созданы такими компаниями, как Halliburton, Baker Hughes, Nobl Drilling, Schlumberger, и др. Разработанные ведущими компаниями отклоняющие системы отличаются по конструкции, но основным их принципом является использование вращающейся вместе с колонной труб телеметрической системы, на которой установлены внешние или внутренние отклоняющие элементы. Отклоняющие элементы управляются электроникой, синхронизируются с вращением бурильной колонны и находятся в постоянном контакте со стенкой скважины, скользя по ней в процессе проходки. Разрабатываются РУС, обеспечивающие изменение угла перекоса долота в процессе проходки, что позволяет вести непрерывное управление траекторией ствола скважины.

Системы RSS позволяют бурить пологие и горизонтальные скважины с более плавным профилем из-за отсутствия перегибов ствола (обычных при использовании забойных двигателей) с большей протяженностью за счет снижения сил трения и лучшей очисткой ствола от шлама. Более высокая проходка с постоянным вращением бурильной колонны предотвращает вероятность прихватов бурильного инструмента, сокращает время на очистку ствола от выбуренной породы и дает ряд дополнительных преимуществ по качеству вскрытия продуктивного горизонта.

В 2010 г. в Чили применение буровых технологий, а именно проходка технической скважины, направленной в заваленную породой при обрушении горную выработку на глубине 700 м, позволило спасти 33 горняка, которые были извлечены на поверхность через скважину. Этот опыт применения направленного бурения достоин особой оценки и позволяет отметить новые возможности технологий направленного бурения.

Примером проходки протяженных горизонтальных участков вертикально-горизонтальных скважин служит ствол, пробуренный в Южной Англии на месторождении Вич Фармс с применением роторно-управляемых систем. Длина горизонтального участка составила 10 км.

В 2010 г. на шельфе Сахалина Exxon Neftegas Limited (ENL) пробурена самая протяженная скважина в мире - суммарная длина стволов вертикально-горизонтальной эксплуатационной скважины на месторождении газа составила 12 345 м. Бурение самой протяженной скважины осуществлено за 60 дней. В 2013 г. в рамках данного проекта пробурена скважина протяженностью более 13 км.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>