Прогрессивные технологии в бурении нефтяных и газовых скважин

Подъем и спуск колонны можно выполнять не при максимальной подаче технологической жидкости, а при некотором минимально возможном ее значении, обеспечивающем безопасное выполнение работ. Поэтому при расчетах принимают и минимальную, и максимальную величины подачи.

Колтюбинговые технологии, связанные с ликвидацией отложений в скважинах, поинтервальной обработкой, борьбой с обводнениями, доставкой и извлечением внутрискважинного оборудования, ловильными операциями, основательно утверждаются в нефтегазовом комплексе. Одновременно, несмотря на существующий дефицит оборудования и специалистов, данное перспективное направление динамично развивается и в области строительства скважин. При этом темпы развития чрезвычайно высоки: первое коммерческое бурение с колтюбингом произошло в начале 90-х, а уже к середине десятилетия колтюбингом бурилось по несколько сотен скважин в год по всему земному шару.

Колтюбинг может быть использован для бурения новых скважин, для повторного вскрытия пласта, но наибольшую техническую и экономическую эффективность он имеет при бурении вторых наклонных или горизонтальных стволов из существующих скважин. Гибкие трубы позволяют проводить бурение на депрессии и увеличить дебит скважины в 3-8 и более раз. Популярность применения колтюбинга объясняется высокой эффективностью и безопасностью проведения операций.

Технологический процесс состоит:

а) транспортные операции по доставке оборудования на место проведения работ;

б) спуск и подъем колонны гибких труб;

в) подготовка технологической жидкости, применяемой при ремонте скважины, – доставка жидкости,  ее подогрев и т.д.;

г) бурение скважин;

д) собственно подземный ремонт – промывка пробок, сбивка клапана и т.д. К этой же группе операций относится и закачка жидкости в скважину;

е) операции по восстановлению свойств технологической жидкости, использованной в процессе подземного ремонта, – дегазация, очистка и подогрев. При определенной организации работ эта группа операций может не выполняться.

Проведение буровых работ с использованием колтюбинговой трубы позволяет выполнять процесс в режиме депрессии, при котором давление бурового раствора на забое скважины меньше пластового давления. Подобный режим позволяет интенсифицировать процесс разрушения породы, снижает вероятность поглощения бурового раствора, исключает кальматацию пор вскрываемого продуктивного пласта.

Для бурения новых, преимущественно вертикальных, скважин используются колтюбиновые установки. Для увеличения нагрузки на долото и обеспечения устойчивости колтюбинговой трубы, она снабжает­ся тяжелым низом из утяжеленных бурильных труб. Аналогичный прием используется при бурении с использованием традиционных буровых установок, однако замена основной части колонны бурильных труб на колтюбинговую трубу позволяет:

•        исключить все операции, связанные с наращиванием колонны;

•        вести бурение в режиме депрессии.

В результате становится возможным:

•        увеличить скорость проводки скважины;

•        сократить время развертывания и свертывания комплекса для бурения:

•              сократить трудоемкость буровых работ и численность персонала;
повысить безопасность ведения работ;

•         существенно улучшить экологические показатели процесса бурения, полностью исключив разлив нефти, химических реагентов и другие виды загрязнения окружающей среды;

•         сократить площадь поверхности, занимаемой буровой установкой;

•         сократить общее время обустройства скважины и ускорить ее введение в эксплуатацию.

1.3.    Оборудование, применяемое для осуществления буровых и ремонтных работ при помощи колтюбинга, принцип его действия, основные параметры и характеристики.

Колтюбинговый буровой комплекс. Комплекс для бурения в стандартном исполнении состоит из следующих составных частей (на примере КМ4001):

Контрольно-силовой модуль предназначен для обеспечения всех составных частей комплекса гидравлической, пневматической и электрической энергией, а также для контроля и управления работой комплекса. Модуль состоит из силового блока и кабины оператора. Конструктивно он может быть смонтирован на отдельном полуприцепе или входить в состав колтюбинговой установки. В состав силового блока входит силовая установка с дизельным двигателем и станция гидропривода. В кабине оператора установлены пульт управления колтюбинговой установкой и рабочее место оператора системы телеметрии и бурильщика.

Модуль намотки безмуфтовой длинномерной трубы (БДТ) состоит из барабана с приводом и механизмом укладки трубы — манифольда. Этот модуль может быть смонтирован на полуприцепе большой грузоподъемности или входить в состав колтюбинговой установки. На барабан может быть намотана безмуфтовая длинномерная труба диаметром до 89 мм. Внутри трубы может устанавливаться геофизический кабель для съема сигнала с системы телеметрии и управления КНБК. На раме узла намотки установлен манифольд с вертлюгом для подачи технологической жидкости внутрь трубы. Максимальное давление закачки до 70 МПа.

В состав вышечно-лебедочного модуля входит П-образная самоподъемная вертикально стоящая вышка с талевой системой грузоподъемностью 80 т. Вышка имеет возможность работать со свечами труб длиной до 13 м и предназначена для спуска или подъема НКТ, обсадных колонн или хвостовиков.

Модуль основания предназначен для установки и позиционирования механизма подачи трубы (инжектора) над устьем скважины, а также служит подвышечной рабочей площадкой. Металлоконструкция основания воспринимает все нагрузки, возникающие при работе инжектора.

Модуль приготовления, подачи и очистки бурового раствора состоит из циркуляционной системы закрытого типа (ЦСЗ), насосного блока, установки для подачи и приготовления инертного газа (азота, выхлопных газов, природного газа), а также автоматизированной системы контроля и управления скважиной (основная функция — управление дросселем в линии слива бурового раствора из скважины для поддержания необходимой депрессии на пласт).

Состав комплекта противовыбросового оборудования зависит от условий конкретной скважины. В его задачи, помимо обеспечения герметизации устья скважины для предотвращения выбросов и фонтанирования, входит обеспечение возможности проведения работ по спуску-подъему КНБК и забойного оборудования в скважину, находящуюся под давлением. Для этих целей используется шлюз-лубрикатор с лебедкой и кабельным герметизатором.

Состав компоновки низа бурильной колонны (КНБК) определяется выполняемой операцией и условиями конкретной скважины. В общем случае он состоит из комплекта оборудования для вертикального бурения (долото, винтовой забойный двигатель и утяжеленные бурильные трубы), комплекта для зарезки окон в обсадной колонне существующей скважины, комплекта оборудования для направленного бурения горизонтального участка и комплекта оборудования для заканчивания скважин под давлением.

Почти все это оборудование может быть скомплектовано из уже существующих узлов. Поскольку основное применение колтюбинга — бурение вторых стволов из существующих скважин, наибольший интерес представляет КНБК для направленного бурения горизонтального участка, которая состоит из долота, винтового забойного двигателя, системы телеметрии, ориентатора, переходников с обратными и переводными клапанами, предохранительного разъединителя и соединительного элемента.
Долота, винтовые забойные двигатели могут использоваться как импортные, так и серийно выпускаемые отечественные.

Система телеметрии также может использоваться уже выпускаемая. Однако в настоящее время отсутствуют качественные и надежные отечественные телесистемы малого диаметра. Телесистемы, применяемые для бурения горизонтальных скважин традиционным способом, обычно включают в себя датчики углов (азимутальный и зенитный). При бурении колтюбингом дополнительно устанавливаются датчики температуры и давления на забое, датчик нагрузки на долото. Также устанавливаются датчики гамма-каротажа. По типу передачи сигнала от датчиков различают системы телеметрии с гидравлическим (сигнал передается буровым раствором внутри трубы) и проводным каналом связи. Проводная система телеметрии является более предпочтительной, т.к. позволяет снимать показания в реальном масштабе времени. Все эти приборы устанавливаются внутри немагнитной утяжеленной буровой трубы для снижения помех от магнитного поля металлических частей КНБК.

Качественно новым узлом по сравнению с традиционным бурением является ориентатор — механизм, поворачивающий по команде с поверхности КНБК и долото в желаемом направлении. Привод этого механизма может быть гидравлический (через капиллярные трубки внутри трубы) или электрический (по кабелю). Самый простой и уже устаревший — по перепаду давления бурового раствора. Предохранительный разъединитель позволяет отсоединить прихваченный буровой инструмент от гибкой трубы и извлечь дорогостоящую систему телеметрии.

Комплекс оборудования, внутрискважинного инструмента и КИП для бурения скважин с использованием колтюбинга существенно отличается от традиционного принятого. Существуют два класса мобильных колтюбинговых установок, применяемых для бурения и заканчивания скважин: традиционные и так называемые гибридные.
       Традиционная колтюбинговая установка, например, М-40 с тяговым усилием инжектора 40 т, гибкой трубой диаметром 60,3 мм и длиной до 3500 м или диаметром 73 мм и длиной 2200 м производства группы компаний Белорусского фонда развития и поддержки изобретательства и рационализации (ФИД) представляет собой комплексную установку, смонтированную на полуприцепе с седельным тягачом повышенной проходимости. Она включает барабан с гибкой трубой, механизм подачи трубы (инжектор), направляющую трубу ("гусак") с изменяющимся радиусом для подачи труб в инжектор, кабину оператора с панелью управления и автономный силовой блок для обеспечения энергией барабана, инжектора и органов управления поста оператора. В состав комплекса входит: устьевое сборное основание под инжектор с самоподъемной вышкой, комплект устьевого противовыбросового оборудования с шлюз-лубрикатором. Вышка и шлюз-лубрикатор предназначены для проведения работ по спуску и подъему компоновки низа бурильной колонны (КНБК) в скважину под давлением.
Отсутствие необходимости глушения скважин, а также значительное уменьшение времени проведения работ сразу определили особую привлекательность нового подхода, связанного с использованием гибких непрерывных стальных труб (колтюбинга).

Комплекс внутрискважинного оборудования включает породоразрушающий инструмент, забойный двигатель, управляемый отклонитель, комплекс приборов для измерения расхода бурового раствора, осевого усилия на долоте, частоты вращения долота, систему ориентации, комплект каротажного оборудования, систему передачи информации на поверхность.

Обычно для буровых работ используются колтюбинговые трубы с условным диаметром 60, 73 и 89 мм. Основным ограничением диаметра труб является размер барабана для их транспортировки.

Система приготовления и очистки бурового раствора включает в себя газовый сепаратор, вибросито, гидроциклоны, илоотделитель и центри­фугу.

Бурение боковых стволов с наклонным или горизонтальным профи­лем выполняется в уже имеющейся вертикальной скважине через предварительно прорезанное окно в эксплуатационной колонне.

После прорезки бокового окна (или нескольких окон) бурильная труба извлекается и в скважину спускается колонна лифтовых труб. Эта колонна
по окончании бурения используется для эксплуатации скважины.

В процессе бурения колтюбинговая труба спускается через лифтовую колонну. Совместимость бурового раствора с пластовой жидкостью и бурение в режиме депрессии и исключает кальматацию пор продуктивного пласта и позволяет периодически исследовать скважину на приток. После бурения отвода заданной длины в скважину опускается перфорированная эксплуатационная колонна.

Ограниченная гидравлическим сопротивлением колтюбинговой трубы и ее прочностью максимальная подача бурового раствора может привести к снижению эффективности выноса частиц выбуренной породы нисходящим потоком жидкости. Особенно актуальной данная проблема становится при бурении горизонтальных участков скважины. Для преодо­ления этого применяются различные добавки в буровой раствор или использование пен.

К настоящему времени сформировалось несколько определенных и отличающихся друг от друга направлений в проектировании и изготовлении комплексов оборудования.

Все элементы, входящие в комплекс рассматриваемого обо­рудования, выполняются мобильными. Отличаются они лишь количеством единиц, входящих в комплекс, типами транспортных средств, используемых для их перемещения, и компоновками основных узлов на последних. Столь пристальное внимание к средствам транспортирования обусловлено тем, что именно они в значительной степени определяют общую компоновку машин и их основные показатели.

Рассмотрим наиболее характерные и достаточно хорошо отработанные в настоящее время конструктивные решения.

Наиболее типичным из описываемых комплексов является оборудование фирмы "Dreco". Оно представляет собой два агрегата, один из которых осуществляет операции с трубой, второй обеспечивает подачу технологической жидкости.

Агрегат, обеспечивающий работу с КГТ (рис.1), смонтирован на специализированном шасси с формулой "10  10". Оно включает два передних и три задних моста, которые все являются ведущими. В конструкции используют серийно изготавливаемые мосты, установленные на раму, специально спроектированную для данного агрегата. Для перемещения последнего и привода его механизмов во время работы служит дизельный двигатель, расположенный за кабиной водителя. Крутящий момент от двигателя передается карданным валом к раздаточной коробке, находящейся в средней части рамы, а от нее – к группе передних и задних мостов. Над двигателем смонтирована кабина управления агрегатом, которая может перемещаться вертикально по спец. направляющим на высоту около 1 м.