Направления совершенствования конструкций, технологий бурения и заканчивания скважин

Опыт реализации технологий бурения и заканчивания скважин

С целью обеспечения высокой результативности и эффективности технологических процессов строительства эксплуатационных и разведочных скважин необходимо решение сложных инженерных задач, применение современных технологий и оборудования, постоянный поиск и оптимизация технологических и организационных решений при выявлении новых геолого-технических условий и в соответствии с актуальной производственной программой предприятия (отрасли).

В последние годы с целью с 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 [7][8].

На рисунке 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 составляют скважины с горизонтальным окончанием (до 30—40% в год). Технологии горизонтального бурения, в том числе многоствольных (многозабойных) скважин с горизонтальным окончанием, в Российской Федерации серийно освоены [3] и получили серьезное развитие с учетом решения задач оптимизации конструкций скважин [2]. При бурении скважин активно применяются верхние силовые приводы (ВСП) 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 показатели бурения. Реализованы 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). Разрабатываются и вводятся новые типы высоко-герметичных и высоко-моментных резьбовых соединений обсадных труб, материалы для обсадных и насосно-компрессорные трубы высокой прочности и применения в условиях аномально высоких температур, корректируются методики прочностных расчетов и выбора резьбовых соединений [14].

Для выполнения геофизических работ (ГИС) используются системы каротажа в процессе бурения LWD (logging while drilling), тракторные 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 пакеры; оптоволоконные системы передачи данных; трассерные системы мониторинга притока; пассивные, адаптивные и активные устройства 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.

Выполняются постоянный поиск и внедрение современных буровых и тампонажных растворов. Отдельно следует отметить актуальность разработки эффективных буровых и тампонажных растворов для скважин с особыми геолого-техническими условиями строительства и эксплуатации скважин — например для горизонтальных скважин на баженовские отложения месторождений Западной Сибири. При бурении горизонтальных скважин на баженовские отложения необходимо обеспечить устойчивость ствола, эффективный вынос шлама (возможно, обвального), предотвращение поглощений и максимальное сохранение фильтрационно-емкостных свойств продуктивного пласта с возможностью применения базового раствора для вскрытия нескольких интервалов бурения при минимальной сложности обработки [9]. При креплении скважины необходимо обеспечить реализацию многостадийного гидроразрыва пласта (МГРП) в горизонтальном стволе, а также обеспечить выбор 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) [10].

Реализация современных технологий при строительстве скважин в Российской Федерации позволила достигнуть ряда мировых рекордов.

В настоящее время многие из зарубежных решений импортозамещены, ряд моделей отечественного оборудования и технологий по своим показателям предпочтительнее зарубежных аналогов. По ряду направлений отечественные решения и технологии для промышленного применения отсутствуют.

Отдельно следует отметить значительную 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;
• 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).

Именно работы по заканчиванию скважины, 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 таблице. По ряду современных технологий заканчивания, актуальных и необходимых для реализации сложных и ответственных проектов, отечественные решения и технологии для промышленного применения отсутствуют (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 условия объекта применения характеристиками и технико-экономическими показателями.

В настоящее время актуальной задачей для отрасли является задача обеспечения технологического суверенитета в области современного оборудования и технологий заканчивания, для решения которой необходимы:

• разработка отечественных моделей современного оборудования заканчивания;
• изучение и освоение современных технологий, постоянное совершенствование собственных технологических компетенций, в том числе совершенствование компетенций в части инженерного сопровождения.

Актуальные направления совершенствования технологий и технологических решений

С учетом достигнутых результатов можно выделить следующие базовые актуальные направления и мероприятия, предусматривающие совершенствование технологий и технологических процессов, инженерного и методологического обеспечения, тиражирование лучших практик:

1. Оптимизация конструкций скважин за счет реализации следующих решений:

• снижение металлоемкости конструкций скважин при применении обсадных труб более высоких групп прочности при снижении толщины стенки с сохранением требований надежности (обеспечения необходимого запаса прочности);
• уменьшение глубин спуска кондукторов и промежуточных колонн в связи с уточнением геологических условий (выявление отсутствия промежуточных напорных или продуктивных горизонтов, уточнение градиентов давлений по разрезу, уточнение 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 в связи с уточнением ожидаемых дебитов или, например, уточнением «окна» возможной эквивалентной циркуляционной плотности бурового раствора в интервале при оптимизации профиля скважины;
• исключение отдельных обсадных колонн в конструкции скважин. Например, реализация трехколонной конструкции скважин с горизонтальным окончанием в Западной Сибири, в том числе многозабойных [3]. Средняя продолжительность бурения и крепления горизонтальной скважины на пласты группы АВ составила 17 сут., сокращение затрат времени — 37%, рост коммерческой скорости — 37% [2]. Достигнутое рекордное время бурения и крепления горизонтальной скважины на пласты группы АВ — 10—12 сут. при снижении металлоемкости конструкции скважины до 20%. Практика исключения промежуточной колонны из конструкции горизонтальных скважин 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 — 34%);
• исключение колонны-направления из конструкции скважины (в технологически обоснованных случаях). Отказ от колонны-направления традиционно применяется в практике строительства 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% [2]. 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» [13] подтверждает возможность существенно сократить сроки и стоимость бурения. Техническая возможность строительства СМД апробирована и распространяется на месторождениях Пермского края [4], Оренбургской области [6], Западной Сибири [1] и в других регионах. Практика строительства СМД с целью извлечения остаточных запасов на месторождениях, находящихся в длительной эксплуатации, для которых характерны низкие дебиты скважин, показала свою эффективность. Подтверждена существенная экономия затрат на строительство скважин (25—35%);
• детальный анализ геологической и технологической целесообразности бурения пилотных стволов при строительстве горизонтальных скважин с целью оптимизации количества бурения пилотных стволов при выполнении программы бурения (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 строительства скважин в этих условиях является осложнение, связанное с течением солей, приводящее к смятию обсадных колонн 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, асимметричное 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 геофизических исследований скважины (ГИС), расширение ствола с использованием гидравлических расширителей для обеспечения 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) [11].

Работу по оптимизации конструкций скважин необходимо проводить постоянно. Задача оптимизации конструкций скважин 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 возможность получить материалы ГИС необходимой информативности, при этом сократить время работы в открытом стволе, способствует возможности объединения интервалов бурения транспортного и горизонтального стволов в один совместимый интервал (отказу от спуска отдельной транспортной колонны);
• применение комплексных сборок приборов ГИС, сокращение (исключение) количества промежуточных каротажей, исключение контрольной записи сбрасываемыми гироскопами при использовании забойной телесистемы, перенос комплекса АКЦ в этап освоения скважины, и др.).

3. Технологические решения и приемы по оптимизации процессов крепления:

• опережающая забивка колонны направления из электросварных безмуфтовых труб с помощью сваебойного 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 одно-, 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 противовыбросового оборудования (ПВО), таким образом исключаются затраты времени на демонтаж ПВО, посадку обвязываемой колонны в клиньях, обрезку колонны, монтаж второй секции колонной головки, монтаж уплотнении 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 геолого-технических условий (отсутствует возможность натяжения обсадной колонны).

4. Следует отметить необходимость разработки и организации производства современного отечественного оборудования заканчивания и управления притоком скважин, расширения размерного ряда освоенных элементов оборудования в связи с расширением размерного ряда диаметров эксплуатационных колонн (эксплуатационных хвостовиков) при реализации проектов оптимизации конструкций скважин и бурения скважин СМД (фильтровые секции, секции фильтров с гравийной набивкой, заколонные гидромеханической активации и набухающие пакеры, 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 секционной 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 горизонтальных скважин с большим отклонением от вертикали на месторождениях Северного Каспия в результате работ по геомеханическому моделированию позволило пересмотреть 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 учитывают 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) Landmark компании Halliburton. 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.

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 нефтегазовых 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 и актуальные задачи производственной программы предприятия.

В настоящее время требуется актуализация базовых общеотраслевых нормативных документов и методик по проектированию, выполнению прочностных расчетов и технологических процессов (операций) с учетом возможностей и технических характеристик современных технологий и оборудования.

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.

Рассмотренные направления и технологии, их составные задачи, вопросы методического, инженерного и программного обеспечения их реализации могут быть потенциальными актуальными темами прикладных исследовательских и проектных работ, выпускных квалификационных работ студентов и диссертационных работ.