За последние несколько лет благодаря оптимизации были значительно сокращены сроки строительства скважин протяженностью более 5000 метров в Республике Коми, но для дальнейшего повышения эффективности требовались новые идеи и инженерные решения. В качестве таких решений было предложено применение вращающегося элемента ограничения глубины внедрения PDC резца в породу, снижающего чрезмерное внедрение резцов при смене пород, таким образом, весь доступный момент используется резцами для более эффективного резания породы, в то же время улучшается управляемость за счет равномерной глубины резания породы. Проведены технические расчеты, анализ геологических условий, а также осуществлен подбор оптимальных конструкций PDC долот с ограничением глубины внедрения резцов в породу и параметров бурения. Совместно с компанией-оператором успешно проведены опытно-промышленные работы, доказавшие эффективность и экономическую целесообразность применения новой технологии.
Применение новых технологий позволило увеличить эффективность строительства скважин за счет снижения числа спускоподъемных операций и увеличения механической скорости проходки. Благодаря применению опытных конструкций долот, скважина № 3Р была пробурена до проектного забоя 6361 м, что является абсолютным рекордом по протяженности скважины для Республики Коми. Данная статья представляет технические решения для эффективного бурения скважин в переслаивающихся твердых карбонатах с протяженностью ствола более 6000 метров.
Введение
Тимано-Печорская нефтегазовая провинция, находящаяся на Востоке Восточно-Европейской равнины, несмотря на имеющуюся долгую историю развития нефтяной отрасли, до сих пор является перспективным нефтегазоносным объектом с позиции разбуривания введенных в эксплуатацию и освоения новых месторождений. В тектоническом отношении провинция приурочена к северо-восточной части Восточно-Европейской платформы и прилегающим с востока Предуральскому и Предпайхойскому краевым прогибам. Ограничена на западе и юго-западе поднятиями Тимана, на востоке и северо-востоке – Уралом и Пай-Хоем, на севере открывается в Баренцево море. В платформенной части провинции выделяют: Ижма-Печорскую и Хорейверскую впадины, Печоро-Колвинский авлакоген, Варандей-Адзьвинскую структурную зону и Восточно-Тиманский мегавал; в области передовых прогибов – Верхнепечорскую, Большесынинскую, Косью-Роговскую, Коротаихинскую впадины, передовые складки западного склона Урала. Фундамент сложен верхнепротерозойскими породами.
Для бурения эксплуатационной секции на девонские и силурские отложения в данном регионе, как правило, применяются долота 219,1 мм. Основные трудности, возникающие при бурении на данные горизонты — это преждевременный износ долот, недостаточная управляемость, высокий показатель крутящего момента при бурении скважин глубиной более 5000 метров и низкая МСП. Вышеперечисленные факты, прежде всего, обусловлены наличием окремнелостей в карбонатных породах, встречающихся в данном интервале секции с протяженностью более полутора тысячи метров. Чередование в секции эксплуатационной колонны известняков, мергелей, песчаников, аргиллитов и глин приводит к катастрофическому износу как режущей структуры PDC долот, так и элементов – ограничителей глубины резанья, что в итоге приводит к падению механической скорости проходки и замене долота на новое, таким образом, для бурения всего интервала требовалось от трех до пяти PDC долот. Повышение МСП, увеличение проходки на долото, сокращение количества спуско-подъемных операций (СПО), связанных с заменой долота при бурении интервала 219,1, являлись первостепенными задачами для компаний, предоставляющих долотный сервис в данном регионе. Основываясь на успешном опыте бурения твердых переслаивающихся пород, было предложено решение в виде применения вращающегося элемента (RDOCC), ограничивающего погружение резцов в породу [1], имеющего большую износостойкость по сравнению с другими неподвижными элементами (DOCС) – ограничителями, применявшимися ранее в данных условиях.
Элементы, ограничивающие внедрение резцов в породу
Глубина внедрения резцов (DOC) в породу (рис. 1) для PDC долот является одной из ключевых при бурении, т.к. она влияет на агрессивность долота, МСП и реактивный момент на долоте при бурении различных пород. Факторы, влияющие на величину DOC: нагрузка на долото (WOB), твердость породы, скорость вращения долота (RPM).
DOC – есть функция, прямо пропорциональная мех. скорости проходки и обратно пропорциональна скорости вращения долота, которая может быть рассчитана по формуле (1):
где:
DOC – глубина резанья за один оборот долота, единица измерения (дюйм/оборот)
МСП – механическая скорость проходки (фут/час)
RPM – скорость вращения долота (оборот/мин)
Следует отметить, что фактическая глубина резанья во время бурения не является постоянной величиной, т.к. зависит от нескольких переменных параметров. Ограничение глубины резанья DOC позволяет контролировать, достигнуть равномерного распределения нагрузки по режущей структуре всего PDC долота. Поэтому наличие элементов, ограничивающих глубину резанья, позволяет защитить режущую структуру долота от ударных нагрузок и преждевременного износа, а также достичь более высоких показателей средней МСП по сравнению со стандартным долотом PDC без данной опции за счет снижения амплитуды колебания реактивного момента и более высоких значений средней МСП (рис. 2).
Долота с элементами, ограничивающими погружение резцов в породу, бурят с меньшим риском вибраций и ведут себя предсказуемо при наклонно-направленном бурении ровно до того момента, пока опции по ограничению глубины резанья не имеют износа. В случае износа или повреждения данных элементов (рис. 3), происходит ситуация, когда DOC гораздо выше требуемого для данных условий бурения значения и возникают скачки реактивного момента и, как следствие, долото становится менее управляемым [2]. Из-за скачков реактивного момента происходит преждевременное повреждение резцов за счет ударных нагрузок и в процессе бурения возникают различные виды вибраций.
Вращающийся элемент ограничения внедрения PDC резцов в породу (RDOCC)
Для предотвращения преждевременного износа элементов ограничения DOC, благодаря многочисленным исследованиям, был разработан вращающийся элемент ограничения глубины резанья (RDOCC) [1], состоящий из карбид вольфрамового подшипника качения и вращающегося цилиндрического элемента из нескольких слоев алмаза и карбид вольфрамового сплава, показанного на рис. 4.
Основными преимуществами данного прототипа RDOCC относительно неподвижных пассивных элементов DOC является увеличенная износостойкость и меньшая генерация момента на долоте за счет вращения цилиндрического многослойного ролика [1]. Благодаря наличию подшипника качения с повышенной несущей способностью и низким коэффициентом трения, вращающийся ограничитель эффективно противодействует истиранию и фрикционной коррозии. Включение в конструкцию стального удерживающего крепежа с твердосплавным покрытием, фиксирующего элемент в его посадочном кармане, позволяет минимизировать степень абразивного и эрозионного износа, а также противостоять вибрациям и ударам во время бурения. За счет указанных выше конструктивных особенностей вращающийся элемент ограничения внедрения резцов в породу имеет большую износостойкость по сравнению с пассивными статичными элементами DOCC.
Для детального изучения поведения долота на забое в одном из полевых испытаний, помимо RDOCC, долото было дополнительно оснащено набором забойных датчиков, установленных непосредственно в ниппельную часть долота, состоящими из гироскопов, акселерометров и магнитометров, позволяющим измерить и записать фактический уровень вибраций, возникающих на долоте для последующей их интерпретации и анализа [3]. Результат, полученный после анализа данных, показал существенное снижение вибраций всех уровней до минимальных значений во время бурения с рабочими режимами нагрузки на долото и включения в работу вращающегося элемента ограничения глубины резанья (рис. 5).
Первые испытания в Тимано-Печорском регионе
Для разработки усовершенствованной конструкции долота [4] для определенных условий бурения должен применяться комплексный подход и непрерывный цикл, включающий в себя этапы, представленные на рис. 6. По итогам бурения, на основании данных геофизических (ГИС) и геолого-технологических исследований скважин (ГТИ), в специализированном ПО производится ретроспективный анализ. Это позволяет выполнить моделирование прочности пород по разрезу, что крайне важно для выбора дизайна долота [5–6]. Детальное расчленение разреза на литотипы помогает оптимизировать режимы бурения посредством прогнозирования и оценки эффективности бурения [7] с помощью представления графического сравнения данных, полученных на соседних скважинах.
С учетом вышеуказанной схемы был разработан новый дизайн долота с применением элементов RDOCC (рис. 7), первые полевые испытания которого показали результат, превосходящий ожидания.
Шести-лопастное долото с двойным рядом резцов и вращающимся ограничителем глубины резанья обеспечило высокую МСП и пробурило весь интервал 219,1 мм в один рейс, установив новый уровень показателей эффективного бурения для данной группы месторождений Тимано-Печорского региона. За счет применения инновационного дизайна было достигнуто сокращение времени, затрачиваемого на строительство данной секции, до 12 суток. После рейса износ долота был незначителен 0-1-WT-S/G-X-I-CТ-TD (рис. 8), что характеризует большой запас по износостойкости данного долота, который позволит в дальнейшем бурить интервалы с большей протяженностью.
Анализ условий бурения каменноугольных, девонских и силурских отложений показал, что долото с инновационной технологией успешно пробурило интервал экс. колонны 2272–3799 м (TVD 2180–3648 м) с МСП 13,1 м/час, установив новый рекорд в указанном интервале при бурении скважин с данным профилем (рис. 9), во время бурения долото отлично управлялось, за счет чего был произведен сброс угла с 20 до 2 градусов и выполнен разворот по азимуту с 273 до 210 градусов.
Целью следующего полевого испытания в Тимано-Печорском регионе являлось эффективное бурение скважин глубиной более 5000 метров с меньшим количеством СПО и увеличением плановых показателей МСП. Применявшиеся ранее PDC долота для данных условий бурения имели износы ограничителей глубины резания, вследствие чего происходил преждевременный износ режущей структуры долот и, как следствие, недостаточная управляемость и низкая МСП. Вышеперечисленные факты, прежде всего, обусловлены наличием окремнелостей в карбонатных породах, встречающихся в данном интервале секции с протяженностью более двух с половиной тысяч метров. Чередование в секции эксплуатационной колонны известняков, мергелей, песчаников, аргиллитов и глин приводит к катастрофическому износу как режущей структуры PDC долот, так и элементов ограничения глубины внедрения, что в итоге приводит к падению механической скорости проходки и замене долота на новое, таким образом, для бурения всего интервала требовалось от трех до пяти PDC долот.
Для оптимизации бурения секции эксплуатационной колонны 219,1 мм на базе шести-лопастного PDC долота, применявшегося ранее в данной секции, с учетом вышеуказанной методики (рис. 6), была создана новая конструкция долота (рис. 10) с вращающимися ограничителями внедрения RDOCC с учетом геологических особенностей.
Первое же испытание показало отличный результат: при бурении скважин глубиной более 4500 м в секции 219,1 мм позволило сократить количество СПО с трехчетырех до двух и увеличения средней МСП на 15 %. Была пробурена секция эксплуатационной колонны в интервале 2527–4735 м, средняя МСП за секцию составила 15,4 м/ч. Последующие отработки данной конструкции PDC долота закрепили стабильный результат и на всех последующих скважинах аналогичные секции были пробурены в два рейса (рис. 11).
Стоит отметить, что степень износа долот усовершенствованной конструкции с вращающимися элементами RDOCC после бурения интервала эксплуатационной колонны была существенно ниже, чем у долот, применявшихся ранее (рис. 12).
После удачных отработок PDC долот с элементом RDOCC в условиях бурения каменноугольных, девонских и силурских отложений, заказчиком была поставлена задача пробурить скважину глубиной более 6000 метров. Скважина № 3P с проектным забоем 6361 м является самой глубокой скважиной в Тимано-Печорском регионе. Данная задача была решена за счет применения технологии долот PDC с вращающимся элементом ограничения внедрения PDC резцов в породу (RDOCC). Скважина 3Р была успешно пробурена до проектного забоя и стала самой глубокой пробуренной скважиной в Тимано-Печорском регионе (рис. 13).
Заключение
Внедрение инновационной технологии в виде вращающегося элемента ограничения погружения резцов в породу позволило достичь нового уровня в процессе бурения и строительства скважины для нефтегазовых компаний различных регионов.
Применение новой конструктивной особенности RDOCC позволяет бурить скважины сложных профилей с высокими механическими скоростями проходки, минимизирует количество СПО и снижает общее время, затрачиваемое на строительство скважины.
Благодарности
Авторы выражают благодарность представителям руководства и специалистам компаний ООО «ЛУКОЙЛ-ПЕРМЬ» и ООО «БурСервис» за поддержку и предоставленную возможность использования информации и данных, опубликованных в этой статье.
