Применение модулей геофизических исследований скважин и методика обработки данных в процессе бурения

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;

повысить эффективность закачки агентов в пласты;

вовлечь в разработку пласты с низкими коллекторскими свойствами и с высоковязкой нефтью;

освоить труднодоступные нефтегазовые месторождения, в том числе морские;

улучшить технологию подземных хранилищ газа.

Направленной будем называть такую скважину, которую пробурили вдоль запроектированной пространственной трассы и попали в заданную цель, а ее забой и фильтровая зона не только располагаются в заданной области горных пород, но и ориентированы в соответствии с проектом относительно простирания пласта.

Кроме совершенствования технологии разработки нефтяных и газовых месторождений направленные скважины эффективны во многих других случаях:

при бурении в обход осложненных зон горных пород;

при бурении под недоступные или занятые различными объектами участки земной поверхности;

при глушении открытых фонтанов;

при вскрытии крутопадающих пластов и т.д.

Частными случаями направленной скважины являются вертикальная и горизонтальная.

Горизонтальная скважина — это скважина, которая имеет достаточно протяженную фильтровую зону, соизмеримую по длине с вертикальной частью ствола, пробуренную преимущественно вдоль напластования между кровлей и подошвой нефтяной или газовой залежи в определенном азимутальном направлении. Основное преимущество горизонтальных скважин по сравнению с вертикальными состоит в увеличении дебита в 2— 10 раз за счет расширения области дренирования и увеличения фильтрационной поверхности.

Первоочередными объектами использования направленных скважин являются:

морские месторождения углеводородов;

месторождения на территории с ограниченной возможностью ведения буровых работ;

залежи высоковязких нефтей при естественном режиме фильтрации;

низкопроницаемые, неоднородные пласты-коллекторы малой мощности;

карбонатные коллекторы с вертикальной трещиноватостью;

переслаивающиеся залежи нефти и газа;

залежи на поздней стадии разработки.

Основной недостаток направленных скважин — их сравнительно высокая стоимость. В начале 1980-х годов стоимость горизонтальной скважины превышала стоимость вертикальной скважины в 6 — 8 раз. В конце 1980-х годов это соотношение понизилось до 2 — 3 раз. По мере накопления опыта бурения в конкретном районе стоимость направленных скважин уменьшается и может приблизиться к стоимости вертикальных скважин. С позиций добычи нефти и газа экономически целесообразно, если извлекаемые запасы из направленной скважины во столько раз больше, во сколько раз дороже направленная скважина по сравнению с вертикальной, причем это количество нефти должно быть добыто в более короткие сроки.

При кустовом бурении профиль направленных скважин должен обеспечить заданную сетку разработки месторождения и экономически рациональное число скважин в кусте. Проектирование конфигурации направленной скважины заключается в выборе типа и вида профиля, в определении необходимых параметров:

- глубины и отклонения ствола скважины от вертикали;

- длины вертикального участка;

- значений предельных радиусов кривизны и зенитных углов ствола скважины в интервале установки и работы внутрискважинного оборудования и на проектной глубине.

Конфигурацию направленной скважины выбирают с учетом:

назначения скважины;

геологических и технологических особенностей проводки ствола;

установленных ограничений на зенитный угол ствола скважины в интервале установки и работы внутрискважинного оборудования, связанных с его конструктивными особенностями и условиями работы;

установленных ограничений на угол наклона ствола скважины на проектной глубине.

Профили направленных скважин, как правило, подразделяют на три основных типа (рис.2.1):

- тангенциальные скважины;

- S-образные скважины;

- J-образные скважины.

Скважины типа 1 отклоняют вблизи поверхности до угла, соответствующего техническим условиям, затем продолжают проходку до проектной глубины, сохраняя неизменным угол наклона. Такой тип часто применяют для скважин умеренной глубины в простых геологических условиях, когда не используют промежуточные колонны. В более глубокой скважине, когда требуется большое смещение, промежуточная обсадная колонна может быть установлена внутри интервала искривления или за ним, а необсаженный ствол бурят под неизменным углом наклона до проектной глубины. Тангенциальный профиль обеспечивает максимальное отклонение ствола скважины от вертикали при минимальном зенитном угле, поэтому его предпочитают применять в случае кустового бурения.

Тип 2 скважин предусматривает после бурения вертикального участка ствола отклонение забоя до некоторого зенитного угла, по достижении которого скважину бурят при постоянном угле наклона, а затем отклонение уменьшают до полного восстановления вертикального положения ствола. Промежуточная колонна может быть установлена в интервале второго отклонения, после чего скважину добуривают вертикальным стволом; S-образный профиль используют там, где наличие газовых зон, соленой воды и другие геологические факторы требуют использования промежуточных обсадных колонн. Этот тип иногда используют для бурения направленной скважины в целях глушения другой, фонтанирующей, скважины. Он также рационален, когда необходимо развести забои скважин при бурении их с одной платформы (например, при бурении в открытом море).

Тип 3 скважин предполагает отклонение забоя от вертикали на значительно больших глубинах, чем типы 1 и 2. Угол наклона ствола постоянно растет, пока не достигнута проектная глубина или продуктивный пласт. Как правило, этот тип скважин используют для бурения на пласты, расположенные под солевыми куполами, для кустового бурения, а также вскрытия глубоко залегающих объектов. К J-образным можно отнести также горизонтальные скважины.

Особые проблемы в направленном бурении. Направленные скважины бурить труднее, чем вертикальные. Почти все обычные операции при бурении усложняются, когда скважины бурят под углом. При подъеме и спуске бурильной колонны требуется большая мощность, необходимо большее усилие на роторе для преодоления силы трения; буровой раствор и гидравлическая система требуют более внимательного отношения; прихваты труб и поломки оборудования становятся более типичными, обсадные колонны труднее спускать и цементировать. Хотя все эти трудности окупаются в будущем.

2.1. Задачи скважинных измерений телесистемами

Задачи скважинных измерений системами, использующими каналы связи забой - устье, можно разбить на три основные группы:

оперативный технологический контроль за режимом бурения скважин с целью его оптимизации;

2) контроль направления бурения скважин с целью управления процессом направленного бурения по заданной траектории;

3) литологическое расчленение геологического разреза скважины, исследование параметров пластов, не искаженных проникновением фильтрата промывочной жидкости в пласт, выделение пластов-коллекторов, прогнозирование зон аномальных пластовых давлений.

Имея с забоя данные о частоте вращения долота и истинной осевой нагрузке на долото, можно поддерживать режим таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная механическая скорость проходки, следить за износом долота, не допуская критических режимов его работы.

В связи с все возрастающими объемами кустового, направленного и горизонтального бурения (в том числе для