УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ МНОГОЗАБОЙНЫХ СКВАЖИН С ПРИМЕНЕНИЕМ РОТОРНОЙ УПРАВЛЯЕМОЙ СИСТЕМЫ

Необходимость бурения многозабойных скважин чаще всего обусловливается низкими фильтрационными характеристиками пласта коллектора, что не позволяет достичь оптимальных в условиях того или иного месторождения дебитов. Стоит отметить, что с каждым годом все большую часть запасов нефти относят к трудноизвлекаемым. Это касается не только российской, но и мировой нефтедобывающей отрасли.

Особенностью многозабойной скважины является увеличение площади фильтрации по сравнению с наклонно-направленными или горизонтальными скважинами. Многозабойная скважина позволяет вести добычу флюида из двух (или более) полноценных стволов, при этом на балансе нефтегазодобывающей компании числится только одна скважина. Финансовые затраты на бурение многозабойной скважины ниже, чем стоимость бурения дополнительной скважины.

Первая многозабойная скважина была пробурена в 1953 году на месторождении Башкирской Республики. С тех пор технология многозабойного бурения существенно эволюционировала. На сегодняшний день существует множество достаточно эффективных технологий бурения дополнительных стволов. Одной из них является технология зарезки при помощи роторно-управляемой системы (РУС). Наиболее широко данное оборудование применяется на месторождениях Западной и Восточной Сибири.

Среди преимуществ РУС выделяют улучшение условий очистки и качества ствола, увеличение протяженности наклонно-направленных и горизонтальных участков, сокращение времени проработки пробуренного интервала скважины. Все эти качества роторно-управляемых систем послужили толчком к дальнейшему их развитию.

1. Российские разработки и результаты испытаний

Наиболее масштабно производство роторно-управляемых систем организовано за рубежом. Текущая геополитическая ситуация наиболее остро ставит вопрос импортозамещения любого иностранного оборудования, в том числе и РУС.

Среди отечественных компаний, занимающихся разработками роторно-управляемых систем, фигурируют следующие предприятия [1]:

• ООО «Тюменская буровая компания»,
• ООО «Пермская компания нефтяного машиностроения»,
• ГК «Интегра»,
• АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»,
• ООО «НПП «Буринтех».

Последним двум компаниям удалось перейти с этапа концептуальной проработки и проектирования к практическим скважинным испытаниям прототипов. Разработка концерна «Электроприбор» носит название РУК-8.75 БС (рисунок 1). Данная система управляет направлением ствола с помощью нажатия на стенку скважины выдвижными башмаками, что относит ее к типу систем, известных как «Push-the-bit» [1].

Рисунок 1. Прибор РУК-8.75-БС – прототип серийной РУС.

В сентябре 2015 года РУС 8.75-БС была испытана на Вынгапуровском месторождении компании ПАО «Газпромнефть» [2]. Работоспособность системы проверялась непосредственно в рабочих буровых условиях, где детально рассматривались ее рабочие характеристики и возможность управления с поверхности, на основании чего проводилась оценка общей надежности.

По окончании испытаний, компанией представлены следующие заключения по результатам [2]:

• успешно пройден тест перед спуском в скважину;
• обеспечен выход на плановый режим бурения;
• подтверждена способность прибора изменять траекторию скважины при непрерывном вращении всей бурильной колонны;
• показана возможность принимать команды с поверхности.

По данным об испытаниях роторно-управляемой системы РУС-ГМ-195 (рисунок 2) компании ООО «НПП «БУРИНТЕХ», отечественная разработка проверялась испытательными работами на Южно-Приобском месторождении «Газпромнефти» в ХМАО-Югре. В период с сентября по октябрь 2020 года на вышеупомянутом месторождении данная система проходила испытания в процессе бурения наклонно-направленного участка скважины с горизонтальным окончанием, по результатам которых поставленные цели были полностью достигнуты, а система подтвердила свою надежность. Интервал бурения начинался с 1560 м и доходил до 3480 м, его общая длина равна 1920 м. Зенитный угол в окончании интервала бурения составил 85,75 градуса [1].

Результаты заключительных испытаний позволяют охарактеризовать РУС-ГМ-195 как первую отечественную РУС, пробурившую целиком заданный интервал скважины. Благодаря тому, что данная разработка более чем на 90 % состоит из российских комплектующих, существенно снижается вероятность возникновения барьеров при изготовлении оборудования при всевозможных негативных глобальных ситуациях [3].

Управление системой осуществляется по гидромеханическому принципу, что позволило избежать использования сложных электроприборов и электроники. Еще одно важное условие, которое учитывалось при производстве данной системы, это обеспечение возможности ее использования с широким рядом применяемых телеметрических систем и обеспечения возможности управляемого бурения роторным способом наклонно-направленных и горизонтальных скважин, диаметром долот от 220,7 до 222,3 мм. Устройство РУС-ГМ-195 включает в себя не вращающийся в процессе бурения геостационарный корпус, имеющий узлы с отклонителем и центратором, и модуль электроники с магнитной меткой, обеспечивающий отслеживание ориентации корпуса в процессе бурения [3].

Рисунок 2. РУС-ГМ-195

2. Обзор зарубежных инноваций

Основной упор для улучшения процесса буровых работ зарубежными компаниями сделан на совершенствование технологических решений по наклонно-направленному бурению. Это обосновано ростом качества и доступности методов для создания интеллектуальных систем, способствующих разработке автоматизированных и автономных систем управления рабочими процессами. К таким методам можно отнести машинное обучение и искусственный интеллект, главным недостатком которых является потребность в достоверных и качественно обработанных данных большого объема [1].

Интеграция интеллектуальных систем в управление роторно-управляемой системой уже осуществлена американской компанией Halliburton в продукте iCruise Intelligent Rotary Steerable System (iCruise Intelligent RSS) (рисунок 3). Создание подобной интеллектуальной РУС возможно лишь с применением сложных электронных компонентов, высокоточных датчиков, передовых технологий и систем получения и обработки информации в режиме реального времени [3].

Рисунок 3. iCruise Intelligent Rotary Steerable System

iCruise Intelligent RSS работает по принципу «Push-the-bit». Основное новшество заключается в использовании продвинутых датчиков, взаимодействующих с высокоскоростными вычислительными модулями, для получения актуальной информации о текущих параметрах бурения и состоянии самой системы. Такое взаимодействие позволяет учитывать больший диапазон параметров для их дальнейшей интерпретации в модулях по предсказанию поведения системы и состояния ствола скважины. Взаимодействие предсказательного модуля с системой автоматизированного бурения позволяет обеспечивать высококачественное сопровождение процесса бурения [3].

Компании Enteq Technologies удалось создать необычную роторно-управляемую систему – The SABER Tool (рисунок 4). Управление направлением ствола скважины происходит за счет контролирования внутреннего перепада давления по принципу Бернулли, что позволило усовершенствовать конструкцию модели исключением выдвижных плашек, осуществляющих контакт со стенками скважины [1].

Рисунок 4. RSS The Saber Tool

Подобное решение обеспечивает лучшее качество создаваемого ствола и предупреждает возможные осложнения, связанные с эксплуатацией стандартной плашечной системы «Push-the-bit» в мягких породах. Подобное технологическое решение можно отнести к новому методу управления РУС. Сама система укомплектована датчиками для навигации в трехмерном пространстве, долотом и генератором [1].

В продуктах американской компании Schlumberger есть линейка РУС семейства PowerDrive (рисунок 5), которая за счет вращения всех элементов КНБК и бурильной колонны позволяет сократить вероятность возникновения затяжек, увеличить скорость проходки, сокращает риск прихвата, т.е. минимизирует риск проявления осложнений, связанных с потерей подвижности бурильной колонны, и обеспечивает более качественное состояние ствола скважины. Среди необычных решений компании существуют модели PowerDrive Exceed, PowerDrive Xcel, PowerDrive ICE и PowerDrive Orbit G2 [1].

Основной особенностью систем Exceed и Xcel является принцип управления направлением ствола – «Point-the-bit». Такой принцип управления увеличивает надежность систем за счет исключения истирающихся элементов, осуществляющих контакт со стенками скважины, что увеличивает качество буровых работ в условиях абразивных, мягких и твердых пород. Роторно-управляемые системы Exceed и Xcel способны автоматически корректировать азимутальный и зенитный углы для удержания заданного направления ствола, обеспечивая экономию времени для достижения проектной глубины.

Рисунок 5. RSS PowerDrive Xcel

3. Патентный анализ роторно-управляемых систем

Для более точного выбора оптимальной роторно-управляемой системы необходим технический анализ изобретений. Проведем патентный анализ разработок в области роторно-управляемых систем.

Известна конструкция РУС, запатентованная Снисаренко И.Г. Роторная управляемая система включает в себя многозаходный героторный механизм, состоящий из статора, содержащего наружный корпус с винтовыми зубьями, выполненными из эластомера, и вала-ротора, зубья которых образуют между собой полости – рабочие камеры, и имеющий эксцентриситет, равный половине высоты зубьев, согласно изобретению вал-ротор является полым в верхней и нижней частях и содержит каналы, соединяющие его внутренние полости с рабочими камерами героторного механизма, а также имеет в верхней части присоединительную резьбу к бурильным трубам, верхний герметичный эксцентричный подшипник, нижний герметичный эксцентричный подшипник и присоединительную резьбу к гибкому наддолотному переводнику, который является основанием для осевой опоры скольжения нижнего эксцентричного подшипника, имеющего, как и верхний эксцентричный подшипник, подпятник в направлении максимального эксцентриситета героторного механизма относительно оси вала-ротора, передающий боковое отклоняющее усилие реакции опоры от стенок скважины на вал-ротор, гибкий наддолотный переводник и, соответственно, на долото, при этом верхний эксцентричный подшипник также содержит в себе постоянный магнит, по которому телесистема определяет положение эксцентриситета [4].

Обеспечивается создание отклоняющего усилия на долоте, без применения шпиндельной секции, карданного вала или торсиона, а также регулятора угла в забойном двигателе, позволяющего производить отклонение траектории как при вращении бурильной колонны, так и без него [4].

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли, а именно к роторным управляемым системам, используемым при бурении скважин, которые являются альтернативой применяемым искривленным винтовым забойным двигателям при бурении пологих и горизонтальных скважин с большим отходом от вертикали.

Рисунок 6. Схема роторно-управляемой системы

Устройство состоит из вала-ротора 1, имеющего в верхней и нижней части полости 2 и каналы 3 для прокачки промывочной жидкости, соединенные между собой рабочими камерами 4, количество которых соответствует количеству впадин на валу-роторе, а также присоединительные резьбы по краям 5, эксцентричные герметичные подшипники скольжения 6, на которых имеются подпятники 7, отталкивающиеся от стенок скважины 8, а на ближнем к бурильным трубам еще и постоянный магнит 9, показывающий телесистеме 10 положение эксцентриситета. Эксцентричные герметичные подшипники скольжения 6 являются опорой для статора, который состоит их наружного корпуса 11 и винтовых зубьев, выполненных из эластомера 12. Упорный гибкий наддолотный переводник 13, навернутый на вал-ротор, является ограничителем осевых перемещений эксцентричных подшипников и передает вращающий момент, нагрузку и отклоняющее усилие на долото от вала-ротора.

Описанная выше РУС производства ООО НПП «БУРИНТЕХ» также запатентована. Роторно-управляемая система (РУС) для бурения скважин с замкнутым циклом принятия решения предназначена для бурения преимущественно наклонно-направленных и горизонтальных участков скважин [5].

РУС включает поверхностный привод, установленный в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) отклонитель с вращающимся шпинделем и корпусом и с не вращающимся геостационарным корпусом, центратор отклонителя, долото, расположенное ниже отклонителя, забойный двигатель, установленный над отклонителем, забойные и поверхностные процессоры, соединенные между собой каналом связи, блоки поверхностных и забойных датчиков системы ориентации КНБК и регистрации и контроля параметров бурения и физических свойств окружающих пород, плашки отклонителя, установленные на геостационарном корпусе с возможностью выхода в радиальном направлении для упора о стенку ствола скважины с целью создания отклоняющей силы, метку-излучатель и датчик-приемник системы определения пространственного положения плашек, гидропривод плашек отклонителя, включающий гидравлические распределительные каналы, поршни и масляные насосы высокого давления с электроприводом, управляемые забойным процессором посредством контроллера гидропривода, внутренние и внешние уплотнительные элементы, размещенные в кольцевой щели между не вращающимся геостационарном корпусом и вращающимся шпинделем для герметизации гидравлических распределительных каналов между собой и внешним пространством кольцевой щели [5].

Рисунок 7. Схема роторно-управляемой системы для бурения скважин с замкнутым циклом принятия решений

Отклонитель снабжен гидрокомпенсатором в виде масляной полости, выполненной во вращающемся шпинделе и изолированной от затрубного пространства посредством подвижного поплавка и гидравлически связанной с внешним пространством кольцевой щели. Во вращающемся шпинделе и корпусе отклонителя выполнен осевой разгрузочный канал, гидравлически связывающий прием масляных насосов с внешним пространством кольцевой щели посредством масляной полости гидроусилителя, выполненной во вращающемся шпинделе и разделенной подвижным поплавком гидроусилителя [5].

Герметичная полость в кольцевой щели между герметизированными гидравлическими распределительными каналами гидравлически связана с осевым разгрузочным каналом посредством радиальных каналов, выполненных во вращающемся шпинделе, а подвод и отвод рабочей жидкости к плашкам отклонителя осуществляется по одному гидравлическому распределительному каналу. Предлагаемое изобретение позволит осуществлять бурение наклонно-направленных и горизонтальных скважин в полностью автоматическом режиме, с замкнутым циклом принятия решения, и практически исключить влияние человеческого фактора в виде ошибочных действий персонала на процесс бурения [5].

Роторно-управляемая система для бурения скважин с замкнутым циклом принятия решения состоит из комплекса скважинного и поверхностного оборудования (рисунок 7). Скважинное оборудование включает в себя забойный отклонитель 1 с плашками 2 для создания отклоняющей силы, центратор 3 для восприятия реакции от отклоняющей силы и центрирования компоновки низа бурильной колонны (КНБК), комплекс скважинной электроники обеспечивающей ориентацию долота и КНБК в целом, а так же сбор информации офизических свойствах разбуриваемых пород, текущих параметров бурения, прием и передачу информации на поверхность и турбогенератор 4 для питания скважинной электроники и исполнительных механизмов отклонителя 1. Комплекс скважинной электроники включает в себя один или несколько процессоров 5 с компьютером, установленных в отклонителе 1 и блок забойных датчиков 6 и 7, которые могут быть установлены, как в пределах отклонителя 1, так и могут быть разнесены по КНБК [5].

Например, в случае установки в КНБК забойного двигателя 8, блок забойных датчиков 7 устанавливают над забойным двигателем 8. Разрушение горной породы осуществляют специально сконструированным для этой цели долотом 9, установленным под отклонителем 1. Поверхностное оборудование РУС включает в себя комплекс поверхностной электроники, обеспечивающий необходимый интерфейс оператора с роторно-управляемой системой, сбор информации о параметрах бурения, прием и передачу информации с поверхности на КНБК. В комплекс поверхностной электроники входит один или несколько процессоров 10 с компьютером и блок поверхностных датчиков 11. Крутящий момент к долоту 9 передается с поверхности посредством бурильной колонны 12, вращаемой поверхностным приводом – или устьевым ротором 13 или мотор-вертлюгом 14. В случае применения забойного двигателя 8, крутящий момент на долоте 9 создают за счет использования гидравлической энергии бурового раствора, закачиваемого в колонну бурильных труб 12 [5].

4. Результаты, достигнутые посредством применения РУС

На множестве скважин, где использовались роторные управляемыесистемы, был замечен рост скорости проходки относительно забойного двигателя. Специалисты отдела бурения ОАО «Верхнечонскнефтегаз» и департамента по геологии и разработке месторождений компании Schlumberger приводят следующие данные для Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения: средняя механическая скорость проходки с использованием РУС на четырех скважинах составила 16 м/ч (рекорд – 21,85 м/ч), что вдвое выше, чем при использовании винтовых забойных двигателей (ВЗД). Это позволило сократить цикл бурения горизонтальных секций на три дня – до 3,62 суток. Иными словами, на бурение 100 м с использованием РУС требуется вдвое меньше времени – 0,65 суток вместо 1,39 суток [6].

Также можно привести пример работы компании Ultra Petroleum на месторождении Марселлус. В 2010 году компания приступила к реализации ускоренной программы бурения. Компания пробурила первую (контрольную) скважину на месторождении Марселлус с использованием управляемого объемного двигателя. Следующие 10 скважин были пробурены при помощи РУС PowerDrive Archer. В некоторых из них боковой ствол зарезали долгим поворотом на азимут 90° или более для выхода на уровень целевого горизонта при одновременном наращивании угла со скоростью до 8°/30 м. Возникновение геологических неопределенностей возле точки входа в пласт иногда требовало принятия корректирующих мер, например, часто было нужно увеличить темп набора кривизны. В результате, скважины, пробуренные с применением РУС, обеспечили существенную экономию времени бурения. Кроме того, за счет качественно пробуренного ствола, все колонны заканчивания были спущены без происшествий. Гибридная РУС также позволила глубже проникнуть в целевой объект, что привело к повышению дебитов добычи более чем вдвое [6].

При оценке механической скорости бурения также следует учитывать увеличение длины горизонтальной секции, обеспечиваемое применением РУС. Так, на упомянутом месторождении Марселлус, скорость набора кривизны составила 8°/30 м, что, по данным компании Ultra Petroleum, позволило оператору увеличить скорость проходки на 80%, по сравнению со скважинами, пробуренными ранее при помощи объемных двигателей. После бурения гладкого ствола на всем изогнутом участке оператор смог перейти на РУС PowerDrive Х5, которая пробурила боковой ствол длиной 1385 м на проектную глубину всего за один проход. Высокая скорость проходки изогнутого интервала в сочетании с высокой скоростью набора кривизны и гладкостью пробуренного бокового ствола позволил сократить время бурения на 10 дней [6].

Рисунок 8. График «Глубина-день» для секции диаметром 152,4 мм (без времени на СПО) по данным ОАО «Верхнечонскнефтегаз» для Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения

Другим немаловажным показателем является качество ствола скважины. Бурение управляемым двигателем характеризуется низким качеством ствола, волнообразными неровностями и резкими изгибами, при этом они являются практически неустранимыми недостатками метода. Это возникает во время так называемого «слайдирования». В данном режиме колонна бурильных труб не вращается, а вращается только долото. Основные сложности в этом случае вызваны недостатком вращения колонны труб. В процессе проходки бурильная колонна скользит по лежачей стенке скважины, промывочная жидкость движется вокруг нее неравномерно, что уменьшает выносящую способность раствора и способствует повышению риска прихвата колонны. Кроме того, повышается риск желобообразования и прихвата колонны [7].

На рисунке 9 представлены изображения, полученные с помощью каверномера. Они показывают, при бурении с использованием объемного двигателя получается ствол скважины со спиралевидной канавкой, в то время как роторная управляемая система создает намного более гладкий ствол. Происходит это вследствие того, что в процессе бурения роторной управляемой системой колонна вращается постоянно, что способствует качественной промывке ствола, а долото направленно соосно с направлением бурения скважины [8].

Рисунок 9. Сравнение качества ствола скважины, построенного по данным каверномера: сверху – забойный двигатель с кривым переводником, снизу – роторная управляемая система

5. Технологическая эффективность роторно-управляемой системы Push the bit конструкции Halliburton.

Роторно-управляемая система iCruise Intelligent RSS работает по принципу «Push-the-bit». Ее конструкция оснащена датчиками, которые взаимодействуют с высокоскоростными вычислительными модулями. Это дает возможность получения актуальной информации о текущих параметрах бурения.

Указанная конструкция РУС была применена при бурении многозабойной скважины на Ярактинском месторождении. В ходе выполнения данной научно-исследовательской работы собран материал, касательно достигнутой скорости бурения. На рисунке 10 приведен график глубина-день (без учета СПО), построенный для горизонтальных секций трех скважин Ярактинского и Марковского месторождений.

Рисунок 10. ГГД для горизонтальных секций скважин

Бурение горизонтальной секции с использованием ВЗД наименее эффективно по скорости бурения. Слайдирование характерный процесс для бурения с ВЗД. В ходе слайдирования производится набор параметров кривизны без вращения бурильной колонны. Бурение в таком режиме часто приводит к потере продольной устойчивости бурильного инструмента с последующим синусоидальным складыванием. Это может привести к низкой механической скорости проходки и в ряде случаев – к аварийной ситуации, например, дифференциальному прихвату. Наряду с более низкой механической скоростью бурения винтовым забойным двигателем, недостатком такого метода является длительность процесса наращивания бурильной колонны при бурении (по одной трубе).

Роторно-управляемая система производства Schlumberger (Power Drive) в условиях Западной Сибири показывает достаточно высокие результаты. Однако наиболее оптимальным вариантом при бурении является РУС от Halliburton iCruise Intelligent. Столь высокие показатели бурения данной роторно-управляемой системы обусловлены внедрением интеллектуальных систем в комплекс оборудования. iCruise Intelligent включает в себя ряд высокоскоростных датчиков, осуществляющих сбор информации в процессе бурения. Интеллектуальная автоматизированная система, входящая в состав указанной РУС, обрабатывает данную информацию и корректирует параметры бурения.

На рисунке 11 представлена диаграмма коммерческих скоростей бурения, достигнутых при бурении скважин, указанных выше.

Рисунок 11. Достигнутая коммерческая скорость

Наименьшая коммерческая скорость достигнута при бурении винтовым забойным двигателем (2) и составила 2832 м/ст. мес. Для РУС Schlumberger (3) и Halliburton (1) данный показатель составил 3878 м/ст. мес. и 4564 м/ст. мес.

В соответствии с проведенным анализом установлено, что наиболее высокие скорости бурения достигаются при использовании РУС iCruise Intelligent.

Выводы

Таким образом, на основании проведенного патентного анализа можно сделать вывод о наличии широкой вариативности конструкций роторно-управляемых систем. При этом существуют не только зарубежные разработки, но и отечественные аналоги, которые вполне могут быть полноценной заменой иностранным РУС.

Исходя из того, что роторно-управляемые системы преимущественно выбираются для бурения с продолжительными горизонтальными участками, наилучшим вариантом для рассмотрения являются роторно-управляемые системы для бурения под хвостовик.

Основными преимуществами РУС конструкции iCruise Intelligent (Push-the-bit) при бурении многозабойных скважин является достижение более высокого качества ствола, чем при применении винтовых забойных двигателей. При этом существенно увеличивается механическая скорость бурения, что, в свою очередь, влияет и на коммерческую скорость.

Список литературы:

1. Журнал «Neftegaz» – https://magazine.neftegaz.ru/articles/burenie/767662-rossiyskie-i-zarubezhnye-rotorno-upravlyaemye-sistemy/.
2. Журнал «Бурение и нефть» – https://burneft.ru/archive/issues/2019-06/78.
3. Журнал «Бурение и нефть» – https://burneft.ru/archive/issues/2020-10/28.
4. Патент №2744071. Роторная управляемая система заявл. 02.08.2019 : опубл. 02.03.2021 / И.Г. Снисаренко, заявитель, патентообладатель И.Г. Снисаренко.
5. Патент №2776547. Роторно-управляемая система для бурения скважин с замкнутым циклом принятия решения заявл. 30.08.2021 : опубл. 22.07.2022 / Г.Г. Ишбаев, заявитель, патентообладатель ООО НПП «БУРИНТЕХ».
6. Кейн С.А. Современные технические средства управления траекторией наклонно направленных скважин: учебное пособие / С.А. Кейн – Ухта : УГТУ, 2014.
7. Нескоромных, В. В. Бурение наклонных, горизонтальных и многозабойных скважин: рукопись / В.В. Нескоромных. – Красноярск.
8. Rotary steerable system workshop. Brisbane, 21-Oct-2015. Hoan Van Luu – Schlumberger Drilling Engineer.