История появления скважин
Первую скважину на нефть пробурили в 1846 г., в поселке Биби-Эйбат близ Баку, входившем тогда в Российскую империю. Для добычи нефти из-под городских кварталов Баку скважинами, расположенными на окраине города, в 1930 г разработали метод наклонно-направленного бурения. К этому году на всех бакинских нефтяных промыслах для измерения кривизны бурения (определение положения скважины) применялся электрокаротаж.
Основные понятия
В случаях, когда целевой пласт не совпадает с устьем по вертикали, проектируют соединяющую их траекторию. Представление о том, как часто это приходится делать при построении профилей скважин Самарской области, можно получить из рис. 1, на котором каждая точка соответствует одной скважине и показывает ее глубину и отход от вертикали.
Для определения искривления скважины в пространстве применяют инклинометрию. Она может выполняться в процессе бурения (MWD – measuruments while drilling) путем проведения одноточечных (разовых) измерений, для определения текущего положения ствола скважины и изменения зенитного угла и азимута, или после завершения бурения, путем выполнения многоточечных измерений, для графического построения траектории ствола скважины и составления окончательной диаграммы (каротаж на кабеле).
Все инклинометрические приборы, кроме гироскопов, измеряют магнитный азимут. Но с магнитным азимутом не работают, так как северный магнитный полюс постоянно находится в движении. Северный магнитный полюс смещается в северном, северо-западном направлении и, кроме того, в течении суток он описывает на поверхности Земли овал с размером большой оси до 85 км. Поэтому любые его координаты являются временными и неточными, а азимутальный угол применяется либо географический (истинный), либо картографический. Для перехода от магнитного азимута к истинному нужно знать магнитное склонение (Magnetic Declination) в точке наблюдения. Географический азимутальный угол (True North Azimuth) – это угол, измеряемый по часовой стрелке в горизонтальной плоскости между направлением на географический север, проходящим через ось скважины, и проекцией оси скважины на горизонтальную плоскость. Картографический север (Grid North) используется при применении наиболее широко распространенной системы проекции и координат универсальной поперечной проекции Меркатора (UTM). Проекция Гаусса-Крюгера является вариантом поперечной проекции Меркатора. Система UTM использует 60 зон, каждая составляет 6 градусов по долготе. Центральный меридиан в каждой зоне будет направлен на так называемый картографический север. Для определения положения объекта в любой точке зоны используют угол схождения меридианов (Grid Convergence).
Зенитным углом (ЗУ, Inclination angle) в выбранной точке профиля называется угол между касательной линией, проведенной в данной точке, и вертикальной прямой. Длина скважины MD (Measured Depth) – это расстояние между устьем и забоем по оси (стволу скважины). Отход или смещение (Closure) – длина горизонтальной проекции прямой, соединяющей устье и забой скважины. Глубина по вертикали (True vertical depth – TVD) – длина вертикали, соединяющей устье с горизонтальной плоскостью, проходящей через забой скважины. Проекция оси скважины на вертикальную плоскость называется профилем (Vertical Section View), а на горизонтальную – планом (Horizontal Plan). Вертикальная плоскость, проходящая через ось скважины или касательную к ней, называется апсидальной. Темп отклонения скважины от ее начального направления характеризуется интенсивностью пространственного искривления (DLS – Dog Leg Severity), которая включает зенитное и азимутальное искривление.
Траектория скважины в любой заданной точке координат, с учетом погрешности измерений инклинометрии, обладает множеством вероятных точек, в которых она может быть расположена в действительности. При этом границы области вероятных точек представляют собой форму эллипсоида (т.н. эллипсоид неопределенности, где обычно малая ось формируется на основе погрешности измерений зенитного угла, большая ось на основе погрешностей измерений азимута). Для расчетов размеры эллипсоида неопределенности принимаются в границах 95 % вероятности или 2,79 значений сигма (среднеквадратичного отклонения). С учетом эллипсоидов неопределенности траектория скважины имеет форму конуса (рис. 2), расширяющегося к забою. Размеры эллипсоидов и конуса неопределенности плановых и фактических траекторий должны определяться при помощи специализированного программного обеспечения, учитывающего погрешности приборов, частоту измерений инклинометрии и другие факторы. Размеры конуса и его положение необходимо учитывать при моделировании схемы разработки месторождений, оценке рисков пересечения соседних скважин и для контроля границ лицензионных участков.
Существует множество видов интервалов траектории, которые условно можно разделить на двухмерные и трехмерные кривые изменения «пространственного угла/положения отклонителя», при которых траектория скважины огибает поверхность сферы и «подъема/поворота», при которых скважина огибает поверхность цилиндра. Наиболее распространенным видом траектории при проектировании скважин на месторождениях Волго-Уральской нефтегазоносной провинции является S-образный профиль. Основные виды двухмерных профилей представлены на рис. 3.
Тангенциальный профиль состоит из трех участков: вертикального, участка набора зенитного угла, участка стабилизации зенитного угла, продолжающегося до проектной глубины скважины. S-образный профиль состоит из пяти участков: вертикального, участка набора зенитного угла, участка стабилизации зенитного угла, участка падения зенитного угла, вертикального участка. J-образный профиль состоит из двух участков: вертикального и участка малоинтенсивного набора зенитного угла по большому радиусу, который может включать серию участков набора кривизны и стабилизации. Т.к. любой криволинейный участок можно вписать в круг, то все скважины можно разбить на скважины большого радиуса кривизны (более 190 м с интенсивностью 0,5–2 град/10 м – большинство самарских скважин), среднего (30–90 м и интенсивностью 2–6 град/10 м) и малого (10–30 м и интенсивностью 1–8 град/10 м).
Тангенциальный и J-образный виды профилей отличаются от S-образного тем, что не имеют перегибов. Это улучшает проходимость инструмента и геофизических приборов, уменьшает объем работы отклоняющей компоновки, снижает силы сопротивления при движении бурильных и обсадных колонн. К минусам J-образного профиля следует отнести сложность контроля стабилизации при большой глубине по вертикали. В тоже время S-образный профиль используют при необходимости прохождения зон осложнений, т.к. данный профиль предусматривает промежуточную колонну в интервале второго отклонения. При данном типе профиля на конец бурения нагрузки выше; вход в пласт, как правило, выполняется с зенитными углами до 10 градусов; на участке естественного падения доля бурения в слайде минимальна и зенитный угол проще контролировать. S-образный профиль применяют для бурения глубоких скважин от 1000 до 5000 м, включая кустовое бурение.
Порядок построения профилей скважин
1. Проектирование начинается с задания системы координат, получения исходных данных о геологической цели и задания параметров проведения траектории.
2. Как правило, траектория скважины тесно связана с ее конструкцией. Оптимальное число обсадных колонн определяется количеством зон с несовместимыми условиями бурения. На территории Волго-Уральской нефтегазоносной провинции к наиболее благоприятным интервалам для установки башмака технической колонны (или кондуктора) принято относить карбонатные отложения артинско-сакмарского, ассельского ярусов пермской системы, а также отложения в гжельском ярусе верхнего отдела каменноугольной системы [1].
3. При вертикальной глубине бурения около 5000 м, для скважин с большим отходом от вертикали, набор кривизны благоприятно начинать в интервале 1500–3600 м, т.н. «поздний набор», при котором сочетание веса и механической прочности бурильной колонны является оптимальным. При меньших вертикальных глубинах скважин и больших отходах от вертикали набор кривизны начинают выше.
4. Интенсивность набора кривизны в идеале должна плавно увеличиваться от начала искривления до цели. Начинают, как правило, с 0,5–0,7 град/10 м и разгоняют к концу скважины. Закладываемые интенсивности будут влиять на конечные нагрузки и моменты. Любые резкие увеличения пространственной интенсивности, особенно в верхних участках, будут вызывать повышение действия боковых сил и нагрузок. Нагрузки возникают при движении колонны вдоль ствола, например, во время спуско-подъемных операций (СПО), а моменты при вращении колонны. Интенсивность искривления определяется условием проходимости обсадной колонны с учетом ее жесткости и прочности при изгибе. Допустимые интенсивности в зависимости от условного диаметра муфтовой обсадной колонны приведены в табл. 1 [2].
Но в первую очередь на интенсивность будет накладывать ограничение спуск глубинного насосного оборудования (ГНО) – не более 2 град/10 м до места установки, которое, как правило, задается на 100 м выше целевого интервала по вертикали. Также величину интенсивности может регламентировать заказчик, ограничив 1,5 град/10 м или до 1,0/10 м (для долот диаметром 215,9–222,3 мм).
Следует учитывать, чем больше диаметр долота и винтового забойного двигателя (ВЗД), тем тяжелее набирать зенитный угол. При бурении с ориентируемым ВЗД технолог сервисной компании по ННБ, как правило, сам выбирает и устанавливает угол перекоса ВЗД. Для примера в табл. 2 приведена интенсивность, которую может набрать за 10 м стандартный ВЗД ДРУ-172 7:8 при 100 % бурении в слайде в зависимости от его угла перекоса. Практические наработки сервисных компаний по ННБ рекомендуют в интервале набора параметров кривизны закладывать не более 80 % направленного бурения в слайде. Т.е. в интервалах набора параметров кривизны необходимо не менее 20% интервала бурить в роторе, с вращением всей бурильной колонны, а основную часть интервала с вращением только долота – так называемое, «бурение в слайде». При 100 % бурении с вращением всей колонны ротором, в зависимости от КНБК, как правило, получают стабилизацию. Поэтому, чем выше проектная интенсивность, тем больший угол перекоса требуется выставлять на ВЗД, либо увеличивать долю бурения в слайде. Но увеличение угла перекоса сопровождается ростом микроинтенсивностей (кривизны скважины) и повышением износа двигателя. [3, 4, 5, 6].
В верхних интервалах чаще встречаются рыхлые, склонные к обвалам, несцементированные породы, в которых набор кривизны затруднен. Вертикальные участки проходят долотами диаметром 393,7 мм и более. При отходах от вертикали свыше 700 м или наличии неглубоко залегающих зон поглощений набор кривизны, как правило, начинают долотами 295,3 мм с интенсивностью 0,7–1,2 град/10 м, предельно – до 1,5 град/10 м. Для долот диаметром 215,9–222,3 мм интенсивность ограничивают 2 град/10 м, как упоминалось ранее. Для долот диаметром 142,9–155,6 мм запас бóльший, на многозабойных скважинах (МЗС) при срезках закладывают 2 град/10 м. Бывает, закладывают и более, но это встречается на стволах, в которые не планируется спускать хвостовик. Превышение интенсивности более 2 град/10 м увеличивается риск наработки желобов.
5. При проектировании нужно стараться учитывать геологическое строение: наличие в разрезе интервалов с обвалами, поглощениями и прихватоопасными зонами. В настоящее время при проходке обвалоопасных интервалов многие общества групп (ОГ) регламентируют закладывать падение 0,2–0,3 град/10 м, а в зоне поглощения – падение или стабилизацию.
Чем выше точка начала набора (КОР – Kick off point), тем ниже будет максимальный зенитный угол при одинаковой интенсивности набора и короче длина скважины, меньше затраты на обсадку, лучше станет вынос шлама. Но с другой стороны, контроль траектории при стабилизации на углах менее 15° затруднен из-за тенденции долота «гулять по азимуту» на низких углах. Поэтому желательно избегать закладывать протяженные секции стабилизации на углах менее 15°. С одной стороны, чем выше точка начала набора кривизны, тем будет меньше максимальный зенитный угол, при одинаковом отходе от вертикали, и короче длина скважины (меньше затраты на обсадную колонну). С другой стороны, чем больше зенитный угол, тем меньше тенденция азимутального искривления скважины. Лучший диапазон зенитных углов ННС лежит в интервале 15°–30°. На башмак обсадной колонны необходимо закладывать участок стабилизации.
6. Касаемо рисков пресечений. На месторождениях Волго-Уральского региона, как правило, отсутствует кустовое бурение, которое предусматривает заданную очередность бурения в зависимости от направления движения станка (НДС). Но имеется другая проблема. Очень большой фонд старых, отбуренных, ликвидированных скважин, которые были пробурены с 50–60-х гг. ХХ столетия. Они были промерены приборами, которые в современной базе приборов ISCWSA (Международный руководящий комитет по точности инклинометрических замеров скважин) маркируются как UNKNOWN или UNDEFINED. Чем точнее прибор, тем будет меньше эллипс неопределенности. Поэтому по скважинам старого фонда практикуется «перепромер» инклинометрии прибором гироскоп на кабеле, когда их эллипсы неопределенности попадают в зону планируемой скважины. Точность такого измерения очень высока. Тем самым размер эллипсов неопределенности сокращается в несколько раз.
При бурении в азимуте близком (±15°) к направлению на магнитный Восток и Запад со значением зенитного угла более 60° возникают максимальные погрешности при определении азимута. При таком профиле значительно возрастает вредное воздействие намагниченности бурильного инструмента, а также погрешность от угла схождения меридианов.
На стадии подготовки к бурению подрядчиком ННБ должны проводиться расчеты и оценка рисков сближения между траекторией планируемой скважины и соседних пробуренных скважин, устья которых расположены внутри круга в радиусе равном сумме двух величин: глубины по стволу самой протяженной скважины, пробуренной на месторождении, и глубины по стволу планируемой к бурению скважины с учетом ее возможного удлинения. Все скважины, попадающие в указанные выше границы, являются соседними для планируемой скважины.
Примеры построения профиля по фактически пробуренным скважинам
В качестве примера рассмотрим построение траектории по экспериментальной скважине Карабикуловского месторождения, отмеченной на рис. 1.
При проводке данной скважины бурение в интервале 0–63 м выполнялось долотом диаметром 393,7 мм. В интервале 63–432 м бурение велось долотом диаметром 295,3 мм. Последний интервал 432–870 м пробурен долотом диаметром 215,9мм. Траектория была построена в программе для проектирования направленного бурения COMPASS компании Landmark по инклинометрии. Окно программы с таблицей плана и проекциями приведено на рис. 4. Темно-красная линия – инклинометрия, синяя – построенная траектория.
В связи с маленькой глубиной скважины по вертикали – около 160 м и отходом 800 м, забурка выполнялась с зенитным углом в 46 градусов, см. строку 1 в таблице плана (рис. 4) в колонке «Ink (°)». Первый интервал протяженностью 60,92 м (колонка CL) пройден на стабилизации: зенитный и азимутальный угол (колонки Inc и Azi) остались такими же как при забуривании. В колонках Dogleg (интенсивность искривления) и T. Face (угол положения отклонителя) стоят нулевые значения.
Второй интервал на рис. 4 соединяет башмак 324 и 245мм обсадных колонн. Он проводится с применением метода построения Optimum Align (оптимальное выравнивание) и прописан в строках 3–5, т.к. выбран пункт «Curve-Hold-Curve». Первая строка (под номером 3 в таблице плана) соответствует интервалу набора кривизны, вторая (4)– интервалу стабилизации, третья (5) – второму интервалу набора кривизны. Как видим, активирована ячейка с глубиной MD, равной 251,73 м в строке под номером 4. На проекциях траектории выбранный участок кривой (выбранная строка) выделяется красным цветом. В данном случае, это – интервал стабилизации протяженностью 45 м (столбец CL), пробуренный с зенитным углом 67,8 градусов в азимутальном направлении 152,89 градусов.
Метод «оптимальное выравнивание» предусматривает три способа построения траектории: с помощью задания конечного зенитного угла и направления для конечной кривой; другой – выбрать две цели, тогда COMPASS рассчитает зенитный угол и направление между ними– данный способ применен на рис. 4; если же выбрать одну цель, то COMPASS выровняет траекторию на цель по наклону. При построении интервала интенсивность на первом и последнем участках искривления совпадает и составляет 1,5 град/10 м.
Третий интервал построенной траектории, совпадающей с инклинометрией пробуренной скважины Карабикуловского месторождения, также прошел на стабилизации. Его протяженность – 427,57 м по стволу.
В качестве еще одного примера рассмотрим результаты построения траектории по скважине Кулешовского месторождения. На рис. 5 приведены результаты выгрузки из COMPASS.
До начала построения траектории в COMPASS заносят цели и горизонты, в которых возможны осложнения. В кунгурском ярусе находится интервал размыва солей 777–792 м, поэтому его прошли вертикальным участком. Набор кривизны начат с глубины 835 м при бурении долотом диаметром 295,3 мм. Интенсивность первого интервала набора кривизны составила 0,6 град/10 м. С этой интенсивностью бурили до 1201 м, после чего спустили обсадную колонну 245 мм.
После разбуривания цементного стакана прошли на стабилизации до 1351 м по стволу (интенсивность равна 0), зенитный и азимутальный углы не изменились. Затем выполняли небольшие корректировки траектории и, начиная с кровли верейского горизонта (для которого характерны обвалы), бурили на естественном падении с интенсивностью 0,3 град/10 м.
В серпуховском горизонте возможны поглощения без выхода циркуляции. С тульского по бобриковский горизонты возможны осыпи и обвалы. На рис. 5 (а) показана фактическая глубина забоя (3370 м), на которой произошло поглощение интенсивностью до 24 м3/ч. Оно было ликвидировано закачкой 20 м3 пачки SB LCC 25 кг/м3 и MIXNAT 25 кг/м3. В тиманском горизонте по ранее пробуренным скважинам зафиксированы обвалы.
Начиная с глубины 2801 м, по стволу бурили на естественном падении, периодически корректируя траекторию для попадания в круг допуска цели бурения. Круг допуска в зависимости от глубины по вертикали и других факторов, как правило, варьируется от 25 до 50 м.
Изменение азимутального направления при бурении скважины N1 связано с близким расположением соседних скважин. На рис. 5 (б) показаны проекции траекторий скважин (номера изменены) на горизонтальную плоскость с эллипсами неопределенности. Ниже (рис. 5 в) приводится график с оценкой опасностей сближения соседних скважин со скважиной N1. Чем ниже фактор столкновения (коэффициент сближения скважин – КСС или Separation Factor – SF), тем выше опасность. Единица соответствует соприкосновению эллипсов неопределенности. Бурение скважин при факторе столкновения менее 1 запрещено. Как видим, наибольшая опасность столкновения имеется со скважиной N3. Это связано с тем, что инклинометрия по ней была снята в 1965 г. и при загрузке в COMPASS тип выбираемого геофизического прибора (Survey Tool) был задан UNKNOWN. Другие скважины были пробурены с 2014 по 2019 гг. и тип геофизического прибора задавался MWD.
Выводы
1. Наиболее распространенным видом траектории при проектировании скважин на месторождениях Волго-Уральской нефтегазоносной провинции является S-образный профиль.
2. В последние годы при бурении скважин в Самарской области наметилась тенденция роста доли наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
3. Для глубоких скважин (около 5000 м по вертикали) набор кривизны благоприятно начинать в интервале 1500–3600 м, где вес и механическая прочность бурильной колонны имеют наилучшее сочетание для противостояния скручивающим и осевым нагрузкам. При меньших вертикальных глубинах скважин набор кривизны начинают выше.
4. Интенсивность набора кривизны начинают, как правило, с 0,5–0,7 град/10 м при бурении долотами диаметром 295,3 мм и разгоняют к концу скважины до 2 град/10 м долотами меньшего диаметра.
5. Выбор интенсивности определяется диаметром обсадной колонны, установкой глубинного насосного оборудования, диаметром долота и винтового забойного двигателя. Также превышение интенсивности более
2 град/10 м увеличивает риск наработки желобов.
6. При проходке обвалоопасных и поглощающих интервалов следует закладывать падение 0,2–0,3 град/10 м.
7. При выявлении опасности сближения проектируемой скважины с пробуренными до 2010 г. рекомендуется прописать гироскоп.
