Ориентация бурового инструмента – клина-отклонителя или двигателя-отклонителя при забуривании боковых стволов (ЗБС) является одной из основных операций, во многом определяющей успех последующих этапов и конечный результат строительства (восстановления) скважины. Операция ориентирования базируется на измерении направления действия отклонителя (НДО), т.е. вектора, перпендикулярного оси скважины и направленного в сторону действия отклонителя. Измерение НДО при ЗБС из обсадных колонн вертикальных скважин, в сравнении с измерением НДО при ЗБС из обсадных колонн наклонно-направленных скважин, имеет специфику, обусловленную двумя моментами:
а)ЗБС производится на практически вертикальном (с наклоном менее 3° – 5°) отрезке старого ствола скважины;
б)прибор, измеряющий НДО, располагается внутри обсадной колонны или вблизи нее.
Во-первых, используемый для измерения НДО в наклонных (или горизонтальных) скважинах параметр Gravity Tool Face (GTF) в вертикальных скважинах теряет физический смысл и не годится для управления траекторией. В этих условиях необходимо измерять НДО относительно сторон света, т.е. азимут НДО. Наиболее распространенный метод измерения азимута относительно направления магнитного поля Земли (как в обычном компасе) в этом случае также непригоден, поскольку стальная обсадная колонна экранирует магнитное поле и сильно его искажает. Тогда измерение азимута НДО должно производиться гироскопическим инклинометром, в котором измеряется географический азимут без участия магнитного поля Земли.
Во-вторых, искажение магнитного поля Земли, вносимое обсадной колонной, влияет не только на измерения магнитного азимута НДО при установке клина-отклонителя, но и на показания MWD-системы, посредством которой обеспечивается контроль траектории при забуривании бокового ствола скважины. Использование недостоверной измерительной информации о направлении бурения при ЗБС из обсадных колонн вертикальных скважин часто является основной причиной недопустимого отклонения траектории бокового ствола от проектной.
Компания НТ-КУРС, используя собственные разработки измерительного оборудования и технологии, более 20-ти лет участвует в различных проектах ЗБС. Эффективность этих разработок подтверждается обширным фактическим материалом. Его анализ и обобщение представлены в настоящей статье в виде трех аспектов технологии (НТ-КУРС) ориентирования и контроля – инструментального, методического и технологического.
I.Измерительным средством в проектах ЗБС является гироинклинометр «ГИРОКУРСОР», разработанный компанией НТ-КУРС [1] и прошедший несколько модификаций. Последняя из них – модификация «ГИРОКУРСОР» с батарейным электропитанием забойного блока, представляется наиболее удачной для использования в проектах ЗБС.
Конфигурация забойного блока представлена на рис. 1. «ГИРОКУРСОР» состоит из двух блоков – измерительного и батарейного. Электрическое соединение между ними обеспечивается стыковочным контактом. Измерительные датчики, включая гиромотор, акселерометры, электропривод и электронные цепи, обеспечивающие их функционирование, располагаются в измерительном блоке, а батарейное электропитание, включая литиевые батареи, схему коммутации, приемник и транслятор сигнала, – в батарейном блоке. Наконечник забойного блока «ГИРОКУРСОР» – клин-перо оборудован датчиком посадки, сигнализирующим на поверхность о правильной стыковке забойного блока с отклонителем в скважине. Ось чувствительности прибора располагается в диаметральной плоскости, проходящей через вертикальную ось цилиндрического прочного корпуса прибора и через прорезь, перпендикулярно ей (рис. 1). Гироинклинометр измеряет направление оси чувствительности или ее азимут А. Связь с поверхностью производится по одножильному геофизическому кабелю.
Преимущества «ГИРОКУРСОР»:
а)Батарейное электропитание обеспечивает работоспособность прибора независимо от длины геофизического кабеля, на котором он спущен в скважину. Использование литиевых батарей с большой емкостью и низким саморазрядом обеспечивает более 100 циклов измерений азимута и возможность длительного хранения без сокращения срока службы.
б)Наружный диаметр прочного корпуса прибора – 46 мм позволяет пропускать его через бурильные трубы с малым внутренним диаметром (вплоть до 50 мм), обычно используемые при ЗБС.
в)Наличие датчика «ПОСАДКА» в клиновом наконечнике забойного блока «ГИРОКУРСОР» позволяет уверенно зафиксировать момент правильной стыковки гироинклинометра с отклонителем (т.е. расчетную ориентацию его оси чувствительности относительно НДО) и не сомневаться в достоверности измерительной информации.
г)Поскольку забойный блок «ГИРОКУРСОР» не требует электропитания с поверхности, геофизический кабель, на котором он пропускается через бурильную колонну, напрямую (через специальный адаптер) подсоединяется к USB-входу компьютера (ноутбука). Никаких дополнительных приборов, кроме компьютера, для работы «ГИРОКУРСОР» не требуется.
д)Отличительной особенностью «ГИРОКУРСОР» является взаимозаменяемость его блоков и их простая сборка-разборка, это позволяет производить замену любого блока непосредственно на буровой, практически не прерывая работы по ориентированию отклонителя.
II.Для ориентирования отклонителя «ГИРОКУРСОР» на одножильном геофизическом кабеле спускается в бурильную колонну, а для «привязки» результатов его измерений к НДО используется ориентирующий переводник – ОП, установленный над отклонителем. Измерение НДО и ориентирование отклонителя схематично показано на рис. 2. На внутренней цилиндрической стенке ОП имеется шпонка, c которой должен состыковаться клиновой наконечник «ГИРОКУРСОР». Когда «ГИРОКУРСОР» попадает в ОП, клиновой наконечник опирается на шпонку, обеспечивая под действием веса кабеля и гироинклинометра поворот «ГИРОКУРСОР» вокруг продольной оси по наклонно-спиральной поверхности клина-пера таким образом, что шпонка оказывается внутри прорези клинового наконечника; «ГИРОКУРСОР» надежно фиксируется в ОП, после чего срабатывает датчик «ПОСАДКА» – и на поверхность отправляется сигнал об успешной стыковке «ГИРОКУРСОР» со шпонкой ОП. При этом ось чувствительности «ГИРОКУРСОР» – вектор А на векторной диаграмме (рис. 2б), совпадает с направлением шпонки ОП или с измерительной осью ОП – Аоп, а расчет НДО по результатам измерений гироинклинометра производится по формуле:
НДО = А1 + а1,
где А1 – результат измерения направления оси чувствительности гироинклинометра; а1 – угол сдвига между измерительной осью ОП и НДО, измеренный при сборке КНБК; N – направление на север.
Методика измерения НДО и ориентирования отклонителя состоит из следующих операций:
а)установки ОП над отклонителем при сборке КНБК и измерения угла сдвига а1 между измерительной осью ОП и НДО;
б)спуска КНБК с отклонителем на забой скважины;
в)спуска «ГИРОКУРСОР» в бурильную колонну до его «посадки» на шпонку ОП;
г)замера направления оси чувствительности прибора А1 и вычисления НДО;
д)ориентирования отклонителя поворотом бурильной колонны с последующим ее «расхаживанием», замером А1 и вычислением НДО после каждого поворота и «расхаживания», и далее, методом последовательных приближений, вплоть до достижения требуемого (проектного) значения НДО;
е)подъема «ГИРОКУРСОР» и его извлечения из бурильной колонны.
Применение этой методики ограничено следующими факторами:
а)когда температура окружающей среды на забое скважины превышает предельно допустимую рабочую температуру «ГИРОКУРСОР» (обычно около 80 °С). Использование термозащитного кожуха часто оказывается невозможным из-за недопустимого увеличения диаметра забойного блока;
б)когда наклон ствола скважины превышает 50° – 60°, тогда доставка «ГИРОКУРСОР» до ОП под действием веса становится невозможной.
Эти ограничения полностью устраняются, если для ориентирования использовать несколько ОП, устанавливаемых по мере спуска отклонителя на забой скважины (глубиной H) в верхнем участке бурильной колонны на глубине не ниже Hкр ≤ H, где температура и наклон скважины не превышают предельно допустимых значений. Зная сдвиг между измерительными осями всех ОП, установленных в бурильной колонне, для измерения НДО достаточно спустить гироинклинометр в ОП, расположенный не на забое скважины, а в верхнем участке бурильной колонны.
Теоретически количество ОП, установленных в бурильной колонне (n), может быть любым. На рис. 3 в качестве иллюстрации примера показана вертикальная скважина с n = 3. Для наклонной скважины, при той же методике измерения, изменяются расчетные формулы.
Спуск отклонителя на забой скважины делится на n этапов, каждый из которых состоит из установки i-го переводника ОПi в колонну бурильных труб и спуска его на глубину Hi ≤ Hкр. Величина Hi определяется глубиной скважины H и числом используемых ОП – n:
Для измерения угла сдвига а(i+1) между измерительными осями ОПi и ОП (i+1) производятся следующие операции:
а)на глубину Hi в переводник ОП i спускается гироинклинометр и измеряется направление его оси чувствительности Аi;
б)забойный блок гироинклинометра извлекается из бурильных труб и на верхний конец бурильной колонны крепится (i+1)-й переводник – ОП (i+1). Измеряется направление его оси чувствительности – Аверхн. Искомый сдвиг угла определяется по формуле:
а(i+1) = Аверхн – Аi.
Расчет НДО производится после спуска на глубину Hn n-го (последнего) переводника ОП по результатам измерения направления его оси чувствительности – Аn:
Сдвиг угла а1 между НДО и направлением оси чувствительности переводника ОП1 измеряется при сборке КНБК, когда ОП1 устанавливается над отклонителем.
Для примера, показанного на рис. 3, НДО вычисляется по векторной диаграмме (рис. 3в):
НДО = А3 + а1 + а2 + а3.
Таким образом, описанная выше методика измерений и ориентирования, иллюстрированная рис. 2, является частным случаем (при n = 1) более общей методики. Формулы для расчета НДО в наклонных скважинах даны в полном объеме в публикации [2].
III.Негативное влияние стальной обсадной колонны на траекторию бурения наиболее ощутимо при направленном бурении начального участка бокового ствола вертикальной скважины. Эта ситуация иллюстрируется рис. 4.
После спуска бурового инструмента на бурение двигатель-отклонитель располагается в зумпфе, пробуренном в породе после вырезки «окна» в обсадной колонне. Над двигателем-отклонителем установлена телесистема, измерительная информация с которой используется для управления траекторией бурения бокового ствола скважины. При угле наклона ствола и зумпфа, как правило, в вертикальных скважинах не превышающем 2° – 3°, ориентация двигателя-отклонителя может выполняться только по результатам измерения магнитного азимута НДО (относительно магнитного полюса Земли) магнитометрами телесистемы в виде параметра Magnetic Tool Face – MTF. Это стандартная операция забуривания направленного наклонного ствола из необсаженного вертикального ствола при бурении наклонно-направленной скважины. Однако при нахождении вблизи обсадной колонны или внутри нее, когда магнитометры вообще изолированы (экранированы) от магнитного поля Земли, показания и измеренные значения MTF абсолютно недостоверны, т.е. при ЗБС из вертикальной обсадной колонны бурение производится фактически «вслепую». Начало забуривания бокового ствола из вертикальной обсадной колонны проиллюстрировано на рис. 4а, бурение продолжается на всем «слепом» участке до глубины H (рис. 4б), пока магнитометры телесистемы не будут располагаться за пределами обсадной колонны на расстоянии не меньше Δ от нее и влияние обсадной колонны снизится до приемлемого. Обычно H = (20 – 30) м, Δ – не менее (1,5 – 2) м. Возможный рост угла наклона скважины на нижней части «слепого» участка бурения может позволить контролировать положение отклонителя параметром GTF, не зависящим от магнитного поля, однако измеренные значения азимута направления бурения при этом все еще останутся недостоверными.
Таким образом, в начале направленного бурения бокового ствола из обсадной колонны вертикальной скважины – на «слепом» участке траектории ее инструментальный контроль фактически невозможен. Существующее распространенное заблуждение, что ориентация двигателя-отклонителя в скважине соответствует НДО установленного выше клина-отклонителя, не выдерживает критики. Даже поверхностный анализ показывает, что нет никаких объективных причин, базирующихся на принципах механики, заставляющих самоориентироваться двигатель-отклонитель в прямолинейном, практически вертикальном стволе скважины в направлении действия клина-отклонителя, установленного выше в обсадной колонне. После спуска на бурение двигатель-отклонитель на забое располагается относительно клина-отклонителя в случайном положении. Бесконтрольная, случайная ориентация двигателя-отклонителя на «слепом» участке бурения в дальнейшем приводит к недопустимому отклонению результирующей траектории бурения от проектной.
Еще одно распространенное заблуждение – о нормальной работе магнитометров телесистемы внутри (или вблизи) обсадной колонны и допустимости ориентирования двигателя-отклонителя по показаниям MTF, приводит к таким же негативным результатам. Именно этим объясняются часто наблюдаемые траектории боковых стволов скважин в виде их «закручивания» вокруг вертикального обсаженного участка старого ствола скважины и случаи, когда «невозможно отойти» от материнского ствола. В результате возникают необоснованные обвинения операторами наклонно-направленного бурения исполнителей по вырезанию окна в колонне в ошибке ориентирования клина-отклонителя.
Методика НТ-КУРС для бурения таких «слепых» участков обеспечивает требуемый контроль траектории и базируется не на измерительной – недостоверной на данном участке информации магнитных телесистем, а на контроле за углом закручивания бурильной колонны от реактивного момента на валу двигателя-отклонителя. Она заключается в следующем:
а)перед началом бурения «слепого» участка выполняется ориентирование двигателя-отклонителя теми же инструментами и по той же методике, которые использовались для ориентирования клина-отклонителя (рис. 3);
б)при бурении «слепого» участка траектории бурильная колонна принудительно закручивается на угол, равный по величине и обратный по направлению углу поворота двигателя-отклонителя на забое под действием реактивного момента, возникающего при разрушении забоя скважины вращающимся долотом;
в)угол закручивания бурильной колонны поддерживается постоянным в процессе бурения и корректируется в зависимости от изменения реактивного момента – от изменения нагрузки на долото, расхода бурового раствора и других технологических параметров;
г)по окончании проходки «слепого» участка (рис. 4) возобновляется управление траекторией бурения по измерительной информации с MWD-телесистемы. 
Масштабное практическое использование технологии НТ-КУРС в проектах ЗБС происходило в 2016 – 2017 гг. на площадях «РН – Ставропольнефтегаз» в районе г. Нефтекумск. Буровые работы проводила компания АО «Самотлорнефтепромхим» (АО СНПХ), операторами наклонно-направленного бурения являлись пять различных фирм. Глубины установки клина-отклонителя составляли 2500 м – 3000 м, скважинная температура на этих глубинах 125 – 140 °С. Скважины, где применялась методика НТ-КУРС, были вертикальными с углом наклона в месте установки клина не более 3°. Для ориентирования использовалось 3 ОП (n = 3); глубина спуска «ГИРОКУРСОР» (Hi) не превышала 1100 м, скважинная температура на этой глубине составляла 70 °С – 75 °С.
По результатам выполненных компанией работ были сделаны следующие выводы:
1.При использовании технологии НТ-КУРС в полном объеме, включая ориентирование клина-отклонителя перед его установкой и двигателя-отклонителя перед началом направленного бурения бокового ствола скважины, а также контроль траектории бурения на «слепом» участке, отклонение направления начального участка траектории от проектного не превышало 20° – 30°.
2.Ориентация клина-отклонителя на всех скважинах проходила в штатном режиме, без осложнений. Если применение технологии НТ-КУРС заканчивалось установкой клина-отклонителя, то при дальнейшем направленном бурении бокового ствола скважины нередко возникали осложнения, особенно на «слепом» участке в результате «рыскания» траектории.
3.Технология НТ-КУРС «ОРИЕНТИРОВАНИЕ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА И КОНТРОЛЬ ТРАЕКТОРИИ БУРЕНИЯ ПРИ ЗАБУРИВАНИИ БОКОВЫХ СТВОЛОВ ИЗ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ВЕРТИКАЛЬНЫХ СКВАЖИН» подтвердила свою работоспособность, простоту и надежность. Использование технологии НТ-КУРС в полном объеме для ЗБС из обсадных колонн вертикальных скважин является наилучшим решением проектных задач.
