В современных реалиях технологии бурения скважин оборудование очистки бурового раствора от выбуренной породы воспринимается как неотъемлемая и обязательная часть комплекса бурового оборудования. Несмотря на многолетнюю эволюцию оборудования, в нефтегазовой отрасли существуют неоднозначные подходы к оценке эффективности и настройки работы оборудования, а процесс планирования и выбора отдельных элементов оборудования очистки не всегда демонстрирует системный и обоснованный подход. С учетом использования высокотехнологических решений в области буровых растворов, несистемный подход к планированию оборудования приводит к снижению/ухудшению технико-экономических показателей, операционным проблемам во время бурения и генерированию сверхнормативных отходов бурения, которые создают дополнительную экологическую нагрузку на экосистему.
Оценка оптимальной эффективности оборудования очистки
На заре развития оборудования очистки был введен термин эффективности оборудования очистки, физическим смыслом которого является отношение отсепарированного объема выбуренной породы (не прошедшего в циркуляцию) к общему объему (поступившему при бурении интервала). Стоит отметить, что в отечественных и зарубежных профильных отраслевых документах используется многообразие терминов и аббревиатур [1–5], однако физический смысл рассматриваемых параметров идентичен, и можно выделить два ключевых параметра: ЭСО (эффективность системы очистки) и ОЭСО (оптимальная эффективность системы очистки).
Авторами публикаций [5, 7] приводятся данные о прямой корреляции стоимости метра бурения в зависимости от процентного содержания выбуренной породы. Как отмечалось ранее, неэффективное или неправильно подобранное оборудование очистки приводит к увеличению количества выбуренной породы в буровом растворе и необходимости разбавлений. При таком сценарии возникает необходимость планирования объема разбавления. Авторами документа [3] приводятся данные о важности и возможном подходе планирования разбавлений бурового раствора. На каждый поступающий 1м3 выбуренной породы в циркуляцию требуется ввод следующего количества свежего бурового раствора:
где t-предел по содержанию выбуренной породы, Vпост.шлама – объем поступившего шлама
Тогда с учетом эффективности оборудования очистки, объем разбавления на каждый выбуренный 1м3 может быть посчитан как:
где Vвыб.породы – объем выбуренной породы, ЭСО – эффективность оборудования очистки.
На рис. 1, 2 отражены графики объема разбавлений на каждый кубический метр выбуренной породы в зависимости от эффективности оборудования очистки и различного предельного содержания выбуренной породы.
Формат графиков дает представление о важности эффективности оборудования без привязки к конструктиву скважины, калькуляция выполнена исходя из бурения 1м3 массива породы. Очевидно, что стопроцентная сепарация бурового раствора от выбуренной породы является недостижимой целью, к которой стремятся производители оборудования, чтобы снизить объемы приготовления бурового раствора. Стоит отметить тот факт, что в индустрии встречаются «курьезные» случаи актирования 100 % эффективности оборудования очистки со стороны сервисных компаний, предоставляющих оборудование, которые явно указывают на неоднозначное понимание сути вопроса и актуальности подобных публикаций.
Однако выполненные калькуляции не дают представлений о необходимых пределах и оптимальных значениях ЭСО. Более информативным является представление об общем объеме приготовления бурового раствора с учетом потерь бурового раствора. При планировании работ, объема приготовления бурового раствора, с одной стороны, должно быть достаточно для заполнения циркуляционной системы и соответствовать ПБНиГП, с другой – в случае превышения содержания выбуренной породы – необходимо разбавление. В соответствии с этой концепцией, авторами [1] демонстрируется калькуляция объема приготовлений. В табл. 2 представлена аналогичная модельная калькуляция для диапазона ЭСО и для коэффициента влажности шлама равного единице. На рис. 3.1–3.3 представлено семейство кривых удельного объема приготовления, исходя из бурения 1м3 породы для различных коэффициентов влажности шлама.
Представленные калькуляции являются модельными, и в качестве потерь учитываются только потери раствора на шламе, поэтому при наличии дополнительных потерь, характер кривых может отличаться от продемонстрированных. Можно отметить, что при целевом значении содержания выбуренной породы в диапазоне 4–12 %, видна точка перегиба кривой, в которой объем приготовления будет минимален. В зависимости от влажности шлама и выбранного предельного допустимого содержания выбуренной породы в буровом растворе эффективность оборудования очистки (ЭСО), при котором достигается наименьший объем приготовления, находится в диапазоне 75–95 %. Стоит также отметить, что при целевом содержании выбуренной породы на уровне 2 %, требуется стопроцентная эффективность оборудования очистки, которая в реальности практически недостижима. Это, в свою очередь, означает, что для бурения с 2 % содержанием выбуренной породы бурение будет происходить с системными разбавлениями.
Авторами [1, 4] демонстрируется методология расчета оптимальной эффективности оборудования очистки (ОЭСО), исходя из выбранного предела по содержанию выбуренной породы:
где, m – доля выбуренной породы в объеме сброса (drilled solids in discard).
Калькуляция ОЭСО через более распространенный на территории СНГ коэффициент влажности шлама будет иметь следующий вид:
где, MOC – коэффициент влажности шлама (Mud On Cuttings).
Если выбрать те же диапазоны влажности шлама и осуществить пересчет оптимального значения по представленной методологии (табл. 3), получается набор кривых, дающих точные величины оптимальной эффективности оборудования очистки (рис. 4). Можно отметить сходимость результатов (рис. 4) с модельными калькуляциями, продемонстрированными ранее.
При целевых значениях содержания выбуренной породы в 10–12 % требуется достаточно умеренная эффективность оборудования очистки 74–82 %. Однако по мере ужесточения требования по предельному содержанию выбуренной породы требуется сравнительно высокие значения ЭСО.
После оценки необходимых значений показателя эффективности оборудования очистки возникает вопрос по критериям выбора допустимого предельного содержания выбуренной породы в составе бурового раствора.
Негативное влияние на технико-экономические показатели (ТЭП) бурения хорошо известны на теоретическом уровне – ускоренный/высокий абразивный износ наземного и подземного оборудования, снижение механической скорости, аварии, осложнения и т.п. Проведение качественного сравнительного анализа зачастую не представляется возможным ввиду особых требований к статистическим данным (объем, достоверность, сопоставимые геологические, технологические условия и т.п.).
Авторы [7] подтвердили пагубное влияние твердых частиц низкой плотности (выбуренной породы) на фактическом опыте строительства скважин в бассейне Игл-Форд США. Сравнивая буровые растворы с высокой и низкой концентрацией выбуренной породы, было установлено, что при содержании выбуренной породы >9–10 % идет увеличение сроков строительства на 2–3 дня и рост затрат на буровой раствор ~20 %.
Очевидно, что формирование какого-либо обобщенного перечня требований по предельному содержанию выбуренной породы для обширной географии работ РФ невозможно из-за различий: в конструкции скважин, в литологии пород и их различном влиянии на параметры раствора, в типах применяемых систем буровых растворов, в допустимых коридорах ЭЦП и требованиях первичного вскрытия. Предельное содержание выбуренной породы является компромиссом между максимально возможной концентрацией выбуренной породы и управляемостью системы бурового раствора, а также геологическими условиями.
В качестве примера действующих практик в табл. 4 приведены типовые диапазоны предельного содержания выбуренной породы, фигурирующие в проектной документации скважин Западно-Сибирского региона. Также в табл. 4 приведены диапазоны оптимального ЭСО.
Отметим, что в секциях сравнительно большого диаметра 660–300 мм, содержание выбуренной породы либо не регламентируется, либо ограничивается пределом «управляемости» используемой системы бурового раствора. В секциях диаметром ≤ 220,7 более «узкие» кольцевые зазоры, что требует дополнительных мероприятий минимизации колебаний забойных давлений при ограниченном коридоре безопасного бурения. Одним из ключевых инструментов по контролю ЭЦП является реология бурового раствора, что автоматически выдвигает ряд требований к предельному содержанию выбуренной породы, исходя из типа применяемой системы бурового раствора. На рис. 5 приведены кривые глиноемкости различных систем буровых растворов. Системы буровых растворов, относящиеся к классу HPWBM (High Performance Water Based Mud), с применением аминных ингибиторов, KCl, ЧГПА (PHPA), демонстрируют наибольшую толерантность (минимальное влияние на реологические, фильтрационные свойства) к выбуренной породе по сравнению с другими водными системами буровых растворов, что позволяет осуществлять безопасное бурение в условиях ограниченного коридора ЭЦП, снижение объемов разбавления даже при неэффективной работе системы очистки за счет минимального диспергирования выбуренной породы.
Отраслевые подходы к измерению ЭСО
В отрасли существует большое разнообразие подходов к оценке эффективности оборудования очистки. Однако все подходы к оценке показателя эффективности оборудования очистки можно свести к следующим принципиальным группам методик:
1. Оценка эффективности по объему приготовления.
2. Оценка эффективности по материальному балансу (оценка изменения плотности бурового раствора в ходе бурения).
3. Оценка эффективности по расчетному содержанию выбуренной породы.
ЭСО как параметр, характеризующий производительность оборудования очистки, может быть рассчитан на любом фиксированном интервале. Очевидно, что для сравнения и последующих оценок должен использоваться ЭСО, вычисленный за всю секцию. Существует практика ежесуточного вычисления ЭСО, однако из-за округлений в объемах, расчет может демонстрировать как чрезмерно высокие, так и чрезмерно низкие значения в отдельные дни.
Физический смысл способа № 1 заключается в сравнение фактически полученного объема приготовления с объемом разбавления в случае нулевой эффективности оборудования очистки, и контроле содержания выбуренной породы только за счет разбавлений.
k-коэффициент разбавления, вычисляемый по формуле:
где, Vфакт приготов. – фактический объем приготовления бурового раствора, Vразбав– объем разбавлений в случае полного разбавления.
φb – содержание выбуренной породы,
Vвыб.пор. – объем выбуренной породы.
Таким образом
Авторами [6] также рассматривается методология оценки ЭСО, согласно АНИ 13C, и предлагается модифицирование методологии, в части вычета из знаменателя дроби объема выбуренной породы для более точного расчета объема разбавлений при отсутствии очистки раствора, тогда калькуляция ЭСО примет вид:
Второй и третий способ калькуляции ЭСО близки по физическому смыслу, и результат вычислений в обоих случаях является результатом решения уравнений материального баланса. Физический смысл уравнений– это оценка отношения выбуренной породы, фактически поступившей в буровой раствор, к общему объему выбуренной породы. Стоит отметить, что калькуляция содержания выбуренной породы часто является требованием технического задания, и программное обеспечение по суточной отчетности большинства сервисных компаний рассчитывает этот показатель на системной основе, поэтому способ № 3 позволяет достаточно быстро оценить ЭСО. ЭСО по методологии № 2 может быть оценен:
где, ρнач и Vнач – начальные плотность и объем раствора в циркуляции,
ρкон и Vкон – конечные плотность и объем раствора в циркуляции,
ρi и Vi – i-е плотность и объем раствора свежего раствора, добавленного в циркуляцию,
D – диаметр скважины,
Kкавен – коэффициент кавернозности,
Lинт – длина интервала,
ρвыб.пор – плотность выбуренной породы.
В случае методологии № 3 ЭСО может быть рассчитана следующим способом:
где, Vнач и Vкон – начальный и конечный активный объем соответственно,
γнач, γкон – начальное и конечное расчетное содержание выбуренной породы.
Методы № 2 и № 3 обладают рядом недостатков/особенностей, которые необходимо учитывать. В частности, объем всей выбуренной породы в большинстве случаев является расчетной величиной, зависимой от коэффициента кавернозности, который не всегда достоверно известен. Точный учет объема отходов характерен для морского бурения, однако даже в случае точной оценки объемов отходов, не всегда осуществляется измерение влажности шлама на системной основе, и поэтому также для оценки ЭСО используются расчетные величины. Кроме того, в случае метода № 3 расчет содержания выбуренной породы достаточно чувствителен к точности ввода/измерений. Методика расчета твердой фазы высокой и низкой плотности (HGS и LGS) представлены в стандартах АНИ 13B-1 (раздел 8.4.2-8.4.4) для РВО и АНИ 13B-2 (раздел 12.6.5.1-12.6.5.2) для РУО. Типовой расчет содержания концентрации выбуренной породы представляет собой разницу между объемным содержанием твердой фазы низкой плотности и измеренным содержанием карбоната кальция.
Стоит отметить, что в случае РВО, в расчете стандарт АНИ 13B-1 применяется уравнение для хлористого натрия, и для актуальных калькуляций требуется использование скорректированной методики для фактически используемого типа соли. В табл. 4.1 и 4.2 представлены анализы чувствительности (sensitivity analysis) расчета твердой фазы низкой плотности. При неточности измерений возможный разбег в расчете твердой фазы низкой плотности (LGS) может достигать до 2 об. %, что может существенно искажать результат расчета ЭСО. Кроме того, следует отметить тот факт, что приведенные методики калькуляций не учитывают концентрацию реагентов. Авторы [7] демонстрируют погрешность измерения, которая может быть получена при проведении ретортного анализа. Все эти факторы делают калькуляцию ЭСО по методу № 3 и, в некоторой степени, калькуляцию по методу № 2 менее точными в сравнении со способом № 1. Стоит также отметить, что только способ № 1 отражен на уровне стандарта АНИ, остальные методологии, используются в индустрии, но не регламентированы какими-либо отраслевыми документами.
ВЫВОДЫ
Принципиальная зависимость содержания выбуренной породы в составе бурового раствора от эффективности оборудования очистки и коэффициента влажности шлама позволяет оценить необходимые значения ЭСО на этапе планирования, при понимании предельного допустимого содержания выбуренной породы в секции и известных значениях влажности шлама. Авторами был продемонстрирован актуальный подход выбора предельного содержания выбуренной породы и его зависимость от типа применяемых систем буровых растворов. На основе модельных калькуляций были рассчитаны оптимальные значения эффективности оборудования очистки. ЭСО может быть рассчитана с помощью различных подходов, однако методология, представленная в отраслевых стандартах, менее подвержена влиянию ошибок измерения.
Использование высокоингибированных водных буровых растворов (HPWBM) позволяет осуществлять безопасное бурение даже при неэффективной работе системы очистки за счет минимального диспергирования выбуренной породы и значительно большей управляемости системы при загрязнении выбуренной породы. Выбор в пользу модернизации оборудования очистки или/и применения более технологичных буровых растворов требует экономической оценки обоих процессов.
Стоит также отметить, что несмотря на широкое распространение расчетного значения ЭСО в качестве главной метрики по оценке работы оборудования очистки, при каких-либо сравнительных анализах целесообразно отражать объемы приготовления и динамику изменения содержания выбуренной породы и делать выводы о эффективности или неэффективности работы оборудования по нескольким показателям.
Несмотря на десятки лет эволюции и многолетнее использование оборудования очистки буровых растворов, существуют системные вопросы, в которых нет выработанных и принятых всеми участниками рынка однозначных решений. Публикация анализов работ, практики выбора элементов оборудования, обсуждение на конференциях и т.п. по данной тематике является первым шагом в сторону систематизации, принятия единых подходов при работе с оборудованием очистки среди всех участников процесса строительства скважин.
Кроме того, в случае метода № 3 расчет содержания выбуренной породы достаточно чувствителен к точности ввода/измерений. Методика расчета твердой фазы высокой и низкой плотности (HGS и LGS) представлены в стандартах АНИ 13B–1 (раздел 8.4.2–8.4.4) для РВО и АНИ 13B–2 (раздел 12.6.5.1–12.6.5.2) для РУО.
