Проблемы совершенствования технологии строительства скважин

Для обеспечения высокой результативности и эффективности технологических процессов строительства эксплуатационных и разведочных скважин требуются решения сложных инженерных задач, применение современных технологий и оборудования, постоянный поиск и оптимизация технологических и организационных решений, учитывая постоянно возникающие геолого-технические условия в соответствии с принятой актуальной производственной программой предприятия (отрасли).
В последние годы для повышения эффективности, сокращения сроков и стоимости строительства скважин, достижения максимальных эксплуатационных характеристик нефтяных и газовых скважин сложилась системная практика реализации наиболее перспективных технологий и решений в области бурения и заканчивания скважин [1–6].
На рис. представлена эволюция развития, реализации и приобретения опыта применения эффективных технологий бурения и заканчивания скважин в нефтегазодобывающих организациях Российской Федерации. Существенный объем работ в эксплуатационном бурении приходится на скважины с горизонтальным окончанием (до 30…40 % в год), технологии их бурения, в том числе, многоствольных (многозабойных) скважин с горизонтальным окончанием [7]; разработаны и получили серьезное развитие задачи оптимизации конструкций скважин [3, 4]; активно применяются верхние силовые привода (ВСП) [5] и роторно-управляемые системы (РУС), РУС совместно с силовой секцией винтового-забойного двигателя (ВЗД); современные типы долот PDC и модели ВЗД, реализующие наиболее эффективные режимы и технические показатели режима бурения [6]. Прошла адаптацию технология бурения на обсадных трубах и технология бурения с контролем давления MPD (managed pressure drilling); колтюбинговые технологии бурения и освоения скважин на гибкой насосно-компрессорной трубе (ГНКТ) [8]; разрабатываются и рекомендуются новые типы высоко-герметичных и высоко-моментных резьбовых соединений обсадных труб, материалы для обсадных и насосно-компрессорных труб высокой прочности для применения в условиях аномально-высоких температур [9].
Для выполнения геофизических исследований (ГИС) используются системы каротажа в процессе бурения LWD (logging while drilling), нефтяные системы ГИС для скважин с большой протяженностью горизонтального ствола. При заканчивании скважин широко применяются: современные модели противопесчаных проволочных фильтров, сетчатых (многослойных с сеткой сложного плетения и дисперсным/фильтрующим слоем) фильтров, фильтров с гравийной набивкой различных конструкций; эффективные заколонные набухающие пакера; оптоволоконные системы передачи данных; трассерные системы мониторинга притока; пассивные, адаптивные и активные устройств контроля притока (УКП) различных систем управления; освоены системы заканчивания боковых стволов высокого уровня сложности TAML-5 в соответствии с принятой Международной классификацией уровня технологий многоствольных скважин TAML (Technology Advancement for Multi–Laterals), интеллектуальные системы заканчивания и управления работой скважин. Можно уверенно отметить, что в настоящее время при строительстве скважин на месторождениях суши и шельфа в Российской Федерации опробованы и освоены все наиболее эффективные технологии и технологические решения из существующего мирового арсенала технологий.
Отдельно следует отметить актуальность разработки эффективных буровых и тампонажных растворов для скважин со специфическими геолого-техническими условиями строительства и эксплуатации скважин, например, для вскрытия баженовских отложений месторождений Западной Сибири, для которых основной задачей является обеспечение устойчивости ствола скважины, эффективный вынос шлама (возможно обвального); предотвращение поглощений и максимальное сохранение фильтрационно-емкостных свойств продуктивного пласта, с возможностью применения базового раствора; термостойкость сформированного камня; для вскрытия нескольких интервалов бурения при минимальной сложности обработки [10–13]. Для обеспечения притока высоковязких углеводородов реализуется метод многостадийного гидроразрыва пласта (МГРП) в горизонтальном стволе, а также рекомендации по обеспечению выбора оптимальной конструкции забоя, обеспечивающей надежность в условиях высоких нагрузок при интенсификации притока (МГРП) и высоких температур при планируемых режимах эксплуатации (например, в условиях термогазового воздействия на пласт) [14].
Отдельно следует отметить роль применяемых технологий заканчивания в достижении целевого назначения строительства скважины:
– для разведочных скважин – получение полноценной и достоверной необходимой геологической информации о пласте (разрезе) и выявление продуктивных залежей [15];
– для эксплуатационных скважин – обеспечение притока углеводородов из пласта и доставку их на поверхность, обеспечение высоких дебитов скважины при оптимальном режиме разработки залежи (для нагнетательных скважин – обеспечение проектного режима нагнетания) [16–19].
Именно работы по заканчиванию скважины и направлены на формирование призабойной зоны с оптимальной гидродинамической связью с пластом, определяют достижение цели строительства скважины и возможность ее последующей эффективной эксплуатации.

В настоящее время заканчивание скважин – это комплекс процессов высокого технологического и инженерного уровня, требующих применения современного высокотехнологичного оборудования. Актуальные цели и задачи современных технологий заканчивания скважин, обобщены и представлены в табл. По ряду современных технологий заканчивания, актуальных и необходимых для реализации сложных и ответственных проектов, отечественные решения и технологии для промышленного применения недостаточно эффективны (активные устройства и системы контроля притока, интеллектуальные системы заканчивания скважины, оборудование и технологии заканчивания многозабойных (МЗС) и многоствольных (МСС) скважин высоких уровней сложности с контролем и управлением притока из каждого ствола и другие). Традиционно практиковался выбор на конкурсной основе оборудования и технологий зарубежного производства с оптимальными для геолого-технических условий объекта, применением характеристик и технико-экономических показателей, что сегодня из-за наложения санкций рядом зарубежных государств, несколько затрудняет выполнение производственных задач. Поэтому в настоящее время актуальной задачей для отрасли является обеспечение технологического суверенитета в области современного оборудования и технологий заканчивания, для решения которой необходимы:
– разработка отечественного современного оборудования заканчивания;
– изучение и освоение современных технологий, постоянное совершенствование собственных технологических компетенций, в том числе, совершенствование компетенций в части инженерного сопровождения.
С учетом достигнутых результатов можно выделить следующие базовые актуальные направления и мероприятия, предусматривающие совершенствование технологий и технологических процессов, инженерного и методологического обеспечения, тиражирование лучших технико-технологических решений:
1. Оптимизация конструкций скважин за счет реализации следующих решений:
– снижение металлоемкости конструкции скважины применением обсадных труб более высоких групп прочности, снижением толщины стенки с сохранением требований надежности (обеспечения необходимого запаса прочности);
– уменьшение глубин спуска кондукторов и промежуточных колонн за счет уточнения геологических условий (выявление отсутствия промежуточных напорных или продуктивных горизонтов, уточнение градиентов давлений по разрезу и характера насыщения или величины пластового давления в целевом горизонте, применение эффективных буровых растворов, обеспечивающих устойчивость ствола в отложениях, требующих перекрытия удлиненным кондуктором или промежуточной колонной и др.);
– уменьшение диаметров обсадных колонн уточнением ожидаемых дебитов или, например, «окна» возможной эквивалентной циркуляционной плотности бурового раствора в интервале при оптимизации профиля скважины;
– исключение отдельных обсадных колонн в конструкции скважин. Например, при реализации трехколонной конструкции скважин с горизонтальным окончанием в Западной Сибири, в том числе, многозабойных, средняя продолжительность бурения и крепления горизонтальной скважины на пласты группы АВ составила 17 сут., сокращение затрат времени – 37 %, рост коммерческой скорости – 37 % [3]). Достигнуто рекордное время бурения и крепления скважины с горизонтальным окончанием на пласты группы АВ – 10…12 сут. при снижении металлоемкости конструкции скважины до 20% [2]. Практика исключения промежуточной колонны из конструкции при применении эффективных буровых растворов на углеводородной основе и объединении ранее несовместимых по условиям бурения интервалов опробована и широко применяется в Западной Сибири (на Средне-Назымском нефтяном месторождении. Достигнуто время бурения горизонтальной скважины на отложения баженовской свиты – 36 сут., сокращение затрат времени составило – 28 %) и Восточной Сибири (на Куюмбинском нефтегазовом месторождении время бурения горизонтальной скважины на отложения рифея составило
38 сут., сокращение затрат времени достигнуто – 34 %);

– исключение колонны-направления из конструкции скважины (в технологически обоснованных случаях). Отказ от направления традиционно применяемая практика при строительстве эксплуатационных скважин на газоконденсатных месторождениях Крайнего Севера Западной Сибири (Уренгойское, Ямбургское, Заполярное и др.). В настоящее время эта практика находит применение при строительстве скважин на расположенных южнее нефтяных месторождениях Ханты-Мансийского Автономного округа, для которых характерна увеличенная до 800…1150 м глубина спуска следующей за направлением колонны – кондуктора. Отказ от направления позволяет сократить время строительства скважины до 1,5 сут., повысить коммерческую скорость бурения в среднем на 1,8 % [13]. При отказе от направления, при бурении интервала под кондуктор должны быть предприняты технологические мероприятия, обеспечивающие предотвращение осложнений ствола (оптимизация рецептур буровых растворов) и предотвращение размыва устья скважин (укрепленный шахтный приямок, бесперебойный отбор бурового раствора на устье скважины вертикальным шламовым насосом и др.);
– замена сплошной эксплуатационной колонны в конструкциях скважин на колонну хвостовик в допустимых геолого-технических условиях;
– переход на строительство скважин малого диаметра (СМД) на месторождениях, находящихся в длительной разработке. В практике работ принято относить к скважинам СМД скважины с эксплуатационной колонной диаметром 114,3 мм и менее. Многолетний опыт строительства СМД в ПАО «Татнефть» [14] подтверждает возможность существенно сократить сроки и стоимость бурения. Техническая возможность строительства СМД апробирована и распространяется на месторождениях Пермского края [4], Оренбургской области [5], Западной Сибири [1] и в других регионах. Практикой их строительства для извлечения остаточных запасов на месторождениях, находящихся в длительной эксплуатации, для которых характерны низкие дебиты скважин, показала свою эффективность. Экономия затрат на строительство скважин составила 25–35 %;
– детальный анализ геологической и технологической целесообразности бурения пилотных стволов. Опыт работ крупных нефтяных компаний показывает возможность сократить необходимость бурения пилотных стволов с 70 % до 25 % от общего количества строящихся горизонтальных скважин;
- обеспечение надежности конструкций глубоких и сверхглубоких параметрических, поисково-оценочных и разведочных скважин, строительство которых производится в разрезах залегания массивной толщи соленосных отложений, склонных к деформации (течению). Характерным осложнением в этих условиях является осложнение, связанное с течением солей, приводящее к смятию обсадных труб в конструкции скважины. При этом вполне возможен риск потери (ликвидации) скважины в процессе строительства или эксплуатации. В последние годы объем поисково-разведочного бурения в регионах, для которых характерен риск течения соленосных отложений, снизился, однако, задача обеспечения надежности конструкции скважин в этих условиях полностью не решена. Традиционная методика прочностных расчетов обсадных колонн базируется на модели равномерного нагружения колонны внешним гидростатическим или горным давлением и не учитывает локальное и возможно ассиметричное нагружение колонны в солевом массиве, необходимо совершенствовать методику расчета нагрузок и подбора обсадных труб [5]. При этом применение метода только повышения прочности и толщин стенок обсадных труб в составе обсадной колонны, как показал опыт строительства скважин, не гарантирует предотвращение смятия обсадной колонны. Положительный опыт достигнут в организациях ПАО «Газпром» на месторождениях Оренбургской области за счет применения комплекса технологических решений: определение скорости течения солей по данным ГИС, расширение ствола с использованием гидравлических расширителей для обеспечение безопасного спуска обсадной колонны (хвостовика), спуск колонны (хвостовика) с установкой высокопрочных обсадных труб в интервале текучих солей, цементирование обсадной колонны с заполнением внутреннего пространства обсадной колонны высокопрочным цементом, увеличение времени ожидания затвердевания цементного раствора до окончания периода течения солей и равномерного заполнения заколонного пространства (с временной приостановкой работ по бурению скважины до 4 недель). В дальнейшем производится выбуривание цемента из внутреннего пространства обсадной колонны (хвостовика) [7].
Работу по оптимизации конструкций скважин необходимо проводить постоянно, поскольку она актуальна не только для вновь разрабатываемой проектной документации, но и для своевременной корректировки принятых решений (при уточнении геологических данных, применении новых типов обсадных труб и оборудования).
2. Оптимизация комплекса ГИС будет способствовать как сокращению сроков бурения, так и выбору рациональной конструкции скважины:
– опыт применения комплекса каротажа в процессе бурения LWD в Западной Сибири показал возможность сокращения времени бурения типовых горизонтальных скважин в среднем на 7,5 сут. за счет исключения традиционных ГИС и затрат времени на подготовку ствола для их проведения. В настоящее время разработан ряд отечественных модулей LWD для отдельных методов. Применение комплекса LWD обеспечивает получение материалов ГИС необходимой информативности, при этом можно сократить время работы в открытом стволе, способствует возможности объединения интервалов бурения транспортного и горизонтального ствола в один совместимый интервал (отказу от спуска отдельной транспортной колонны) [8].
– применение комплексных сборок приборов ГИС способствует сокращению (исключению) количества промежуточных каротажей, исключению контрольной записи сбрасываемыми гироскопами при использовании забойной телесистемы, переносу комплекса АКЦ в этап освоения скважины, и др. [15].
3. Технологические решения и приемы по оптимизации процессов крепления:
– опережающая забивка колонны направления из электросварных безмуфтовых труб с помощью свае-
бойного дизель-молота (наиболее эффективна эта практика на суше – на кустовых площадках с большим количеством скважин);
– применение колонных головок типа ОУС (оборудование для обвязки устья скважины). Выпускаются односекционные, двух- и трехсекционные модели. Верхние секции – равнопроходные и монтируются одновременно с нижней секцией. Колонны подвешиваются в трубодержателе муфтового типа. В случае применения многосекционной головки после спуска, цементирования и ОЗЦ кондуктора (промежуточной колонны) обеспечивается возможность продолжить работы по бурению скважины под очередную колонну без перемонтажа ПВО (исключаются затраты времени на демонтаж ПВО, посадку обвязываемой колонны в клиньях, обрезку колонны, монтаж второй секции колонной головки, монтаж уплотнения колонной головки, повторный монтаж и опрессовку ПВО). Ожидаемая экономия времени может составить до 24–36 часов на скважину (в зависимости от конструкции). Решение о применении устьевой обвязки данного типа необходимо принимать с учетом региональных гео-
лого-технических условий (отсутствует возможность натяжения обсадной колонны).
4. В области заканчивания скважин следует отметить необходимость разработки и организации производства современного отечественного оборудования заканчивания и управления притоком скважин, расширение размерного ряда освоенных элементов оборудования в связи с изменением диаметров эксплуатационных колонн (эксплуатационных хвостовиков) при реализации проектов оптимизации конструкций скважин и бурении скважин СМД (фильтровые секции, секции фильтров с гравийной набивкой, заколонная гидромеханическая активация и набухающие пакера, устройства контроля притока, разрывные, шаровые и многоразовые муфты ГРП, компоновки и оборудования заканчивания, в том числе, с проведением ГРП для скважин диаметров СМД и другие). В настоящее время поставки традиционно применяемого оборудования зарубежных производителей ограничены санкционной политикой. Ряд моделей и типоразмеров освоены отечественными нефтесервисными компаниями, по ряду моделей и типоразмеров отечественные решения пока отсутствуют.
5. Необходимо отметить актуальность развития направления геомеханического моделирования, в том числе и для решения задач совершенствования конструкций скважин. Уточнение допустимой эквивалентной циркуляционной плотности и оптимизация профиля для ряда скважин с горизонтальным окончанием с большим отклонением от вертикали. На месторождениях Северного Каспия, в результате работ по геомеханическому моделированию, были пересмотрены диаметры используемых буровых долот, и уменьшить диаметры обсадных колонн.
6. Восстановление практики введения и своевременной актуализации единых общеотраслевых базовых методик и требований к выполнению прочностных расчетов бурильных и обсадных колонн, колонн насосно-компрессорных труб.
С начала 2000-х годов в Российской Федерации прекращена практика установления и периодического обновления единых общеотраслевых нормативных документов на проектирование и производство основных технологических процессов (инструкции по креплению, испытанию/освоению скважин, испытанию обсадных колонн на герметичность и др.) и методик по выполнению прочностных расчетов (инструкции по расчету бурильных колонн, обсадных колонн, колонн-насосно-компрессорных труб и др.). Введенные ранее документы не пересматривались, не учитываются применяемые современные технологии строительства скважин и технические характеристики современного оборудования и материалов, применяются проектными и производственными организациями в качестве документов рекомендательного характера. Производственными и проектными организациями, с учетом региональных геолого-технических условий объектов производства работ, разрабатываются локальные внутриведомственные нормативные документы, детально устанавливающие требования и порядок производства отдельных технологических процессов. Однако, базовые общеотраслевые методики и требования к выполнению прочностных расчетов колонн, определению минимальных запасов прочности целесообразно устанавливать и актуализировать единым общеотраслевым документом.
7. Актуальной является задача повышения уровня автоматизации и цифровизации для проектирования технологических процессов. Необходимо осваивать и эффективно применять в производственных и образовательных процессах специализированное программное обеспечение для проектирования: технологических операций бурения и крепления; расчета отдельных специальных технологических операций (бурение на ГНКТ, бурение на обсадной колонне и др.); выбора схем и компоновок заканчивания, проектирования технологических процессов заканчивания; оптимизации расположения кустовых площадок и траекторий проводки скважин [12]. Наиболее распространенным для выполнения указанных задач является программное обеспечение (различные программные модули), например, Landmark компании Halliburton, Бурсофт и др. Однако следует отметить, что программное обеспечение отечественных производителей не располагает возможностью решения всего широкого спектра задач в области строительства скважин и работы с результатами проектирования в единой программной среде, направлено, как правило, на решение отдельных задач, не имеет широкого распространения.
Имеется необходимость разработки инжиниринга в отдельных процессах (кластерах) сооружения скважин и на его базе методического обеспечения систем управления их эффктивностью.

Заключение
Реализация рассмотренных задач и технологий, актуальных как для эксплуатационного, так и для разведочного бурения, позволяет существенно повысить эффективность и сократить сроки строительства скважин, что подтверждается опытом работы ведущих неф-
тегазовых компаний Российской Федерации. Критерии применимости и области эффективного применения той или иной технологии, необходимо определять с учетом региональных условий объекта производства работ.
Работу по обеспечению эффективности строительства скважин необходимо проводить постоянно, оперативно реагируя на разработку новых технологий и оборудования, изменение доступного рынка оборудования и услуг, уточнение геологических данных, обновление нормативно-правовой базы, учитывая актуальные задачи производственной программы предприятия.
Устойчивое развитие отрасли требует решения задач импортозамещения высокотехнологичного оборудования и инструмента, обеспечения технологического суверенитета в области современных передовых технологий, развитие собственных компетенций, в том числе, в части научного и инженерного сопровождения и программного обеспечения, а также могут быть потенциальными актуальными темами прикладных исследовательских и проектных работ, выпускных квалификационных работ студентов и диссертационных работ.