Поиск путей создания современных буровых технологических комплексов (БТК) для строительства нефтяных и газовых скважин сопряжен с анализом путей развития технологий разработки месторождения, выбор которых связан как с изменением условий разработки месторождений, так и с совершенствованием методов добычи. Основной тенденцией развития технологий разработки месторождений нефти и газа является применение кустовых методов разработки, требующих строительства наклонно-направленных скважин (ННС) с горизонтальным окончанием, причем, объемы строительства таких скважин постоянно растут. Это определяет целый комплекс требований к технологии их проходки и буровому оборудованию.
Весь процесс сооружения скважины можно условно разбить на 4 этапа:
1. Подготовка площадки для размещения оборудования и строительство коммуникаций (дорог, ЛЭП, водоводов).
2. Транспортировка и монтаж бурового и вспомогательного оборудования.
3. Бурение (строительство) скважины или группы скважин.
4. Демонтаж бурового и вспомогательного оборудования на новый объект.
В кустовом бурении при строительстве группы скважин существует еще этап передвижения буровой установки на новую скважину.
Объем и стоимость работ каждого этапа зависят от назначения и конструкции скважины, условий ведения работ, принятой технологии каждого этапа работ, конструкции и параметров оборудования, используемого для бурения и вспомогательных работ. Конечной задачей создания БТК для заказчика является снижение затрат в совокупности на всех этапах работ.
При синтезе технических решений Н.М. Фейгенсон [1] рекомендует применять следующие шаги:
1. Используя результаты функционального и диагностического анализа, выделить две существенные для технической системы функции с неадекватным уровнем выполнения функций.
2. Сформулировать проблему синтеза следующим образом: «Как выполнить обе выбранные функции одним носителем функции?»
3. Сформулировать поисковый образ искомого носителя (портрет ответа).
4. Произвести функционально-ориентированный поиск идей решения.
5. При необходимости решить дополнительные задачи адаптации полученной идеи решения.
Для примера рассмотрим уже широко применяемую технологию разработки месторождений кустовым методом. Здесь успешно решена задача снижения затрат сразу на двух этапах строительства скважины:
– уменьшение затрат, относительно каждой скважины в кусте, на сооружение площадки под БТК и строительство коммуникаций;
– почти полное исключение работ на монтаж БТК при перемещении от скважины к скважине в пределах куста.
Но при этом увеличивается стоимость бурения, т.к. кустовым методом, как правило, бурят наклонно-направленные скважины, отличающиеся повышенной сложностью и большей длиной по сравнению с вертикальными скважинами.
Носителем функции и монтажа и строительства скважины в данном случае является БТК, совершенство которого определяется величиной затрат вещества и энергии как на его перемещение на новую скважину, так и на ее проходку. Затраты на перемещение буровой сведены к минимуму за счет почти полного исключения монтажно-демонтажных операций с основными механизмами при движении эшелона по направляющим. Что касается процесса проходки скважины, то его эффективность обеспечивается тем, что кустовые буровые позволяют реализовать «конвейерную» технологию проходки скважин в кусте [2]. Также они позволяют существенно расширить возможности насыщения БТК за счёт увеличения запаса раствора для промывки и энерговооруженность основных исполнительных органов, оснащения их современными системами управления, улучшения условия труда и защиты от воздействия холодных климатических условий, что в комплексе позволяет повысить точность проводки и увеличить скорость проходки скважины, рис. 1 [3].
Однако нерешенной осталась проблема снижения трудозатрат во время первичного монтажа буровой установки на кусте, а также монтажа сложных буровых комплексов при строительстве одиночных разведочных скважин. В этой ситуации мы снова видим две неадекватные функции: проходка скважины и первичный монтаж.
Рассмотрим синтез технических решений основных механизмов бурового технологического комплекса для разрешения этой задачи. Для этого выделим две самые существенные для БТК функции:
1. Бурение – как связанный процесс проходки, крепления ствола скважины и СПО.
2. Монтаж – как связанный процесс монтажа-демонтажа и перевозки основного и вспомогательного оборудования БТК.
Выделим в процессе бурения одну достаточно трудоемкую группу спуско-подъемных операций (СПО), которые занимают в цикле строительства скважины до 50 % времени, причем, их объем существенно больше в разведочном бурении (связано с необходимостью извлечения керна), а также при бурении ННС, когда время СПО может возрастать из-за необходимости точного позиционирования и задания направления инструмента в скважине. Существенно могут возрастать объемы СПО из-за более высокой аварийности при бурении, вызванной ухудшением условий промывки на горизонтальных участках ствола скважины.
Какие же существуют радикальные пути снижения затрат времени и энергии на СПО? Это, во-первых, снижение доли СПО в бурении за счет: увеличения проходки на долото; бурения на обсадных трубах. Во-вторых, это уменьшение времени каждого цикла СПО путем увеличения длины свечи, повышения скорости подъема, совмещения операций при подъеме во времени. В-третьих, это снижение времени наращивания за счет применения силового верхнего привода (СВП) и средств механизации работы с трубами (механизированный мост, буровой ключ-робот и др.), что ведет к уменьшению трудоемкости. В-четвертых, применение СВП способствует снижению аварийности при бурении. Однако механизация СПО ведет к усложнению конструкции установки и снижению ее монтажеспособности [4].
Решение этой задачи может быть осуществлено различными способами. Рассмотрим реализацию указанных противоречий несколькими зарубежными изготовителями бурового оборудования в компактных мобильных буровых установках (Highly Mobile Rig) с высокой степенью механизации и автоматизации [5, 6, 7, 8].
Анализ их конструкций позволил выявить общие признаки:
1.Силовой верхний привод (СВП) интегрирован в вышку (балкон верхового отсутствует). Такое решение позволяет совместить монтаж мачты и СВП, а также исключить затраты времени на монтаж балкона верхового рабочего, рис. 2 [5, 6].
2.БТК оснащен механизированными мостками для подачи труб, что позволяет исключить присутствие человека в опасной зоне и уменьшить время цикла подачи труб в процессе наращивания и разборки бурильной колонны, рис. 3 [5, 6, 7].
3.Контейнерное исполнение модулей позволяет осуществлять перевозку и монтаж модулей в габаритах стандартного контейнера, каркас которого выполняет функции несущей рамы, со встроенными укрытиями, коммуникациями и крепежными контейнерными фитингами, рис. 4 [6, 8].
4.Применение СВП с реечной подачей, рис. 5а [8], позволяет исключить из состава установки буровую лебедку и талевую систему, а также часть верхней секции вышки с кронблоком, что приводит к уменьшению длины мачты (при бурении однотрубками) и повышению ее монтажеспособности, а также уменьшению аварийности при бурении и СПО.
5.Исключение ручной расстановки бурового инструмента за счет применения роботов-манипуляторов позволяет исключить присутствие человека в опасной зоне и снизить время цикла СПО, рис. 5б [8].
Комплексное решение этих задач позволит создать принципиально новую компоновку оборудования, позволяющую снизить количество модулей и общую массу установки, что, в конечном счете, приведет к уменьшению трудоемкости и времени монтажа, при этом время строительства скважины существенно не увеличится. В отечественной практике комплекс представленных задач еще не решен, что говорит об актуальности данной темы, особенно в условиях импортозамещения.
Механизмами, которые могут осуществить и уменьшить трудозатраты при выполнении этих технологических функций в буровой установке, являются силовой верхний привод (СВП) с реечной подачей, встроенный в вышку, и робот-манипулятор, а также комплекс средств механизации для ускоренного монтажа или самомонтажа. Целесообразна взаимная интеграция узлов в обособленный набор механизмов для разбивки на компактные модули, пригодные для перевозки в габаритах стандартного контейнера.
Создание таких БТК в современных условиях стало возможным и целесообразным благодаря разработке породоразрушающего инструмента с большим ресурсом, применению технологии бурения на обсадных трубах, что позволяет уменьшить высоту, массу мачты, а в итоге снижает время монтажа и транспортирования БТК. При этом скорость бурения практически не уменьшается, несмотря на уменьшение длины свечи [9].
Считаем, что дальнейшая работа по систематизации и поиску путей интеграции функций с использованием инструментов системного анализа и синтеза сложных технических систем позволит определить оптимальное компоновочное решение БТК для разных условий бурения.
