Остановка промывки скважины перед наращиванием и последующий запуск циркуляции являются наиболее критическими моментами для состояния ствола скважины из-за импульсов давления, сопровождающих пуск и остановку буровых насосов. Это может вызвать ряд нежелательных явлений и осложнений, например:
– в вертикальных скважинах с гидростатическим контролем давления эти осложнения включают обвалы пород, потерю циркуляции, дифференциальные и механические прихваты бурильной колонны и пр.;
– при бурении баженовской свиты поддержание устойчивости стенок скважины становится проблемой — даже при небольшом отклонении от оптимальных величин плотности бурового раствора и скорости бурения импульс давления при запуске и остановке циркуляции повышает вероятность обвала стенок;
– при бурении с динамическим контролем давления (Managed Pressure Drilling – MPD) остановки циркуляции вызывают необходимость использования дорогостоящего оборудования для измерения и контроля давления на забое;
– при бурении с депрессией на пласт (Underbalanced Drilling – UBD), при восстановлении циркуляции после наращивания в скважине возникает давление, превышающее пластовое, что может обесценить результаты и затраты предшествующего бурения при депрессии;
– в горизонтальных и наклонно-направленных скважинах при прекращении циркуляции перед наращиванием формируются шламовые подушки, отрицательно влияющие на качество ствола.
Чтобы исключить все эти негативные явления, необходимо обеспечить непрерывную промывку скважины, без перерывов на наращивание.
В настоящей статье рассмотрено одно из перспективных направлений для создания отечественной системы непрерывной промывки (СНП), потребность в которой на рынке бурения достаточно высока.
Практическое использование СНП в мировой практике началось сравнительно недавно – с начала 2000-х гг. Во многом это объясняется технической и технологической сложностью, высокой стоимостью как самих СНП, так и их эксплуатации.
Практическое использование СНП в мировой практике началось сравнительно недавно – с начала 2000–х гг. Во многом это объясняется технической и технологической сложностью, высокой стоимостью как самих СНП, так и их эксплуатации.
В полной мере это относится к СНП камерного типа, где формируется герметизированный «шлюз», в котором размещается замковое соединение перед наращиванием. Этот «шлюз», состоящий из 3-х камер, оборудован боковым портом, через который ведется промывка скважины во время наращивания. Такие системы (например, СНП компании Varco Internationale) являются сложными и дорогими.
Существуют альтернативные камерным – крановые СНП, где вместо камеры-шлюза используется переводник, входящий в состав бурильной колонны – переводник непрерывной промывки (ПНП), в котором имеются боковое отверстие и краны, перекрывающие и перераспределяющие поток промывочной жидкости
Крановые СНП, представленные на мировом рынке – система Non-Stop Driller компании MPO и система e-CD компании eni, значительно проще и дешевле камерных, однако имеют существенный недостаток, а именно низкую надежность запорных элементов – кранов бокового отверстия ПНП. Эта проблема может быть успешно решена при использовании шаровых кранов, например, по патенту США №8201804 от 19 июня 2012 г. [1], где ПНП создан на базе трехходового шарового крана – ТШК.
Именно этот кран целесообразно использовать для создания СНП – обладая высокой функциональностью, ТШК на данный момент имеет достаточно глубокую конструкторскую проработку и испытанные макетные образцы. Существенным также является и тот факт, что ЗАО «НТ КУРС», в дополнение к своим разработкам в этой области, владеет правом на исключительное использование патента [1] на территории РФ, что создает предпосылки к реализации импортозамещения технологии и оборудования мирового уровня.
Конструкция ТШК показана на фотографиях: рис. 1 – сборка и рис. 2 – составные части. Принцип действия ТШК иллюстрирует рис. 3. Кран может использоваться в двух положениях:
Именно этот кран целесообразно использовать для создания СНП – обладая высокой функциональностью, ТШК на данный момент имеет достаточно глубокую конструкторскую проработку и испытанные макетные образцы. Существенным также является и тот факт, что ЗАО «НТ КУРС», в дополнение к своим разработкам в этой области, владеет правом на исключительное использование патента [1] на территории РФ, что создает предпосылки к реализации импортозамещения технологии и оборудования мирового уровня.
Положение 1 на рис. 3-а соответствует бурению. В положение 2 на рис. 3-б кран переводится при наращивании. При этом поток бурового раствора поступает в кран по боковому каналу через отверстие в стенке ПНП. Верхний осевой канал перекрыт, что позволяет производить наращивание, не прекращая промывку скважины.
Функциональная схема СНП показана на рис. 4. Режим обычной промывки, т.е. когда ТШК во встроенном в бурильную колонну ПНП открыт для потока жидкости вдоль его оси (положение 1 на рис. 3), схематично представлен на рис. 4-а; режим промывки при наращивании, когда ТШК находится в положении 2, показан на рис. 4-б. Манифольд непрерывной промывки состоит из байпасной линии и блока задвижек для переключения потока – задвижка 1 и задвижка 2. В системе имеется линия сброса давления, включающая задвижки сброса 3 и 4 и контейнер (или линию) сброса. Байпасная линия оборудована боковым портом промывки (БПП), герметично стыкующим байпасную линию с боковым отверстием ПНП.
При наращивании бурильной колонны выполняются следующие операции:
– удаляется пробка из бокового отверстия ПНП (на рисунке не показана);
– боковой порт ПНП герметично соединяется с байпасной линией промывки;
– открывается задвижка 2, обеспечивая подачу раствора в байпасную линию промывки;
– ТШК переводится в положение 2, открывая доступ бурового раствора из байпасной линии промывки в бурильную колонну и закрывая его подачу из основной линии манифольда;
– задвижкой 1 останавливается подача бурового раствора в основную линию манифольда и в верхний силовой привод (ВСП), далее задвижкой 4 стравливается давление в линии манифольда;
– ВСП отсоединяется от бурильной колонны, поднимается за очередной наращиваемой свечей с ПНП, ТШК в котором установлен в положение 1;
– наращиваемая свеча соединяется с бурильной колонной и ВСП;
– задвижкой 1 восстанавливается подача бурового раствора в линию манифольда и в верхнюю свечу;
– ТШК переводится в положение 1, перекрывая доступ бурового раствора из байпасной линии промывки и открывая его подачу в бурильную колонну из основной линии манифольда;
– закрывается задвижка 2 на байпасной линии, прекращая подачу в нее бурового раствора;
– задвижкой 3 стравливается давление в байпасной линии промывки;
– боковой порт (вместе с байпасной линией) отсоединяется от ПНП;
– пробка бокового отверстия ПНП заворачивается на место (в боковое отверстие ПНП);
– возобновляется углубление скважины.
Аналогичным образом, но в другой последовательности, выполняются операции при подъеме бурильного инструмента с непрерывной промывкой.
Таким образом, при бурении, наращивании, СПО и спуске хвостовиков СНП создает преимущества колтюбинга при сохранении преимуществ составной бурильной колонны при роторном бурении или при бурении с гидравлическими забойными двигателями:
• Снижается вероятность прихвата бурильной колонны;
• Исключаются затраты времени на промывку скважины до остановки насосов перед наращиванием и после включения насосов;
• Снижается закупорка продуктивных горизонтов глинистым раствором и выбуренной породой;
• Увеличивается скорость бурения за счет использования маловязких растворов минимального удельного веса при управляемом противодавлении на устье (MPD);
• Повышается эффективность и снижается стоимость бурения на депрессии (UBD);
• Увеличивается протяженность горизонтальных стволов, повышается точность навигации и качество ствола;
• В скважинах с повышенной температурой исключаются перегрев бурового раствора и ухудшение его свойств;
• При бурении горизонтальных и пологих стволов исключается формирование шламовых подушек в «лежачей» части ствола. Это увеличивает скорость проходки, повышает точность навигации, улучшает качество ствола;
• При бурении в «сланцевых» отложениях (бажен и т.п.) минимизируются риски обвалов, связанные с «узким окном бурения».
При бурении, наращивании, СПО и спуске хвостовиков СНП создает преимущества колтюбинга при сохранении преимуществ составной бурильной колонны при роторном бурении или при бурении с гидравлическими забойными двигателями.
Рассмотренная на рис. 4 схема достаточно полно иллюстрирует функционирование системы и взаимодействие составляющих ее элементов. Конфигурация и состав СНП, показанные на рис. 5, позволяют представить сложность и ресурсоемкость задачи по созданию СНП.
Рассмотрим основные узлы СНП более подробно:
– ПНП с ТШК предварительно устанавливаются на верхней муфте каждой свечи из числа заранее подготовленных к наращиванию при бурении интервала с СНП.
– Боковой порт промывки БПП – это узел для герметичной стыковки байпасной линии промывки с боковым отверстием ПНП. Конструкция БПП должна выдерживать высокие нагрузки и одновременно обеспечивать многократную, легкую и быструю стыковку с боковым отверстием ПНП. Одно из возможных технических решений по теме БПП представлено в [2].
В пульте управления задвижками (ПУЗ) формируются электрические сигналы для дистанционного управления электродвигателями задвижек БЗ и отражается информация с БЗ о состоянии задвижек и величине давления в линиях промывки скважины.
– Байпасная линия промывки (БЛП) собирается из манифольдных труб высокого давления (ТВД), уголков, буровых рукавов высокого давления. БЛП предназначена для промывки скважины через боковое отверстие ПНП.
– Блок задвижек (БЗ) – место расположения всех управляющих задвижек СНП (представленных на рис. 4.). Он смонтирован внутри стального каркаса, конструкция и прочность которого позволяют эксплуатировать и транспортировать БЗ в виде отдельного неразъемного отапливаемого герметичного модуля.
Функциональная схема БЗ показана на рис. 6. Все задвижки БЗ, помимо ручного управления, оборудованы исполнительными механизмами в виде электродвигателей, которыми управляют через блоки контроля с пульта управления задвижками.
В пульте управления задвижками (ПУЗ) формируются электрические сигналы для дистанционного управления электродвигателями задвижек БЗ и отражается информация с БЗ о состоянии задвижек и величине давления в линиях промывки скважины. ПУЗ располагается на буровой, недалеко от места бурильщика.
Выводы
1. Функциональные характеристики и состояние конструкторской разработки трехходового шарового крана, патентная и правовая урегулированность вопроса его использования на территории РФ характеризуют его как наиболее перспективную основу для создания СНП.
2. Отсутствие серьезных научно-технических проблем, связанных с разработкой отдельных узлов СНП, свидетельствует о реальной перспективе ее создания в сжатые сроки.
3. Все составные части СНП могут быть спроектированы и собраны из доступной номенклатуры отечественного нефтяного машиностроения, т.е. на отечественной научно-технической и производственной базе со 100%-ой локализацией производства на территории России.
