ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН

​OPTIMIZATION OF WELL CONSTRUCTION PROCESSES

Aleksey Tsurikhin

master's student, department of MTEK, Tyumen Industrial University,

Russia, Tyumen

Irina Osinovskaya

scientific supervisor, candidate of Sciences in Economics, associate professor, Tyumen Industrial University,

Russia, Tyumen

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается метод оптимизации процессов при бурении нефтяных и газовых скважин. Подробно рассмотрены спуск осбадной колонны с вращением и проработкой, бурение на обсадной колонне, при котором обсадные трубы используются непосредственно для бурения т.е. передачи крутящего момента и осевой нагрузки на породоразрушающий инстурмент, который извлекается после достижения планового забоя. Автор делает краткий экскурс в историю развития бурения и указывает проблемы которые решает данный метод.  Так же в статье показаны основные методы бурения на обсадной колонне и  приведены примеры компоновок, в зависимости от использоваемого оборудования и профиля скважины. В статье рассмотрена технология цементажа с вращением и используемое при этом оборудование.  В заключение кратко делается вывод о причине начала внедрения данных технологий только 10-20хх годах 21 века.

ABSTRACT

The article discusses a method for optimizing processes when drilling oil and gas wells. The casing running with rotation, drilling while casing, in which casing pipes are used directly for drilling, i.e. transmission of torque and axial load to the rock-cutting tool, which is removed after reaching the planned depth. The author makes a brief excursion into the history of the development of drilling and points out the problems that this method solves. The article also shows the main methods of casing drilling and provides examples of drilling BHA, depending on the equipment used and the well profile. The article also discusses the technology of wells cementation with rotation and the equipment used for it. In conclusion, a brief conclusion is made about the reason for the start of the introduction of these technologies only in the 10-20s of the 21st century.

Ключевые слова: бурение нефтяных скважин, бурение с извлекаемой компоновкой, бурение на обсадной колонне, оптимизация процессов строительства скважин.

Keywords: oil drilling, casing while drilling, casing drilling, optimization of well construction processes.

Бурение нефтяных и газовых скважин, а точнее строительство нефтяных и газовых скважин – сложный технологический процесс, в котором один процесс чередуется со другим: дробление и вынос на поверхность горной породы и крепление  пробуренного «открытого» ствола (т.е. непосредственно бурение и спуск обсадной колонны ( Далее – ОК)  и ее цементаж). Общим направлением развития отрасли является повышение механической скорости проходки и сокращение времени бурения с использованием различных технологий. Однако оптимизации процессов крепления обсадной колонны уделяется меньше внимания.  Что странно на наш взгляд, ведь из-за сложности геологических условий время, затрачиваемое на подготовку ствола скважины к спуску обсадной колонны, зачастую значительно превышает время бурения. Поиск решения этой проблемы является первоочередной задачей на многих месторождениях. В таких случаях предлагаемые ниже технологии позволяет успешно решить эту проблему.

1. Оптимизация процессов спуска ОК

Анализ проблем  которые возникают в одном из самых ответственных и трудоемких процессов крепления скважин – спуске обсадной колонны, сервисными компаниями и производителями нефтегазового оборудования, привел разработке аппаратного и программного обеспечения, предназначенного как для наземных, так и для внутрискважинных операций при спуске ОК.

Для наземных операций были разработаны: система спуска обсадных - ССОК, оборудование для цементирования  ОК с вращением, а также программное обеспечение, которое используется для оценки эффективности спуска обсадных колонн.

Для повышения производительности внутрискважинных операций были разработаны обжимные центраторы и моменто-повышающие кольца, а также оборудование для их  установки.

1.1 ССОК

Когда дело доходит до сборки и спуска обсадной колонны в ствол скважины, на протяжении многих десятилетий и до сих пор применение гидравлических ключей, промывочных переводников, спайдер элеваторов  является традиционным методом.  Однако их использование было и остается самой опасной операцией на роторной площадке и продолжает приводить к высокой частоте и серьезности инцидентов. Поскольку глубина и сложность возрастают, увеличивается время заканчивания, традиционные методы требуют большего количества оборудования, большего количества людей, сложного планирования технического обслуживания и логистики, что приводит к увеличению затрат на строительство скважины.

Разработанная в 2005г. Канадской компанией Volant  система спуска обсадных колонн имеет CRTi ( Рис. 1.)  имеет ряд приемуществ, которые позволили стать данной системе самой распространенной из используемых ССОК.

Рисунок 1. ССОК CRTi 4-7.0 Volant

Системы спуска обсадных колонн (ССОК) Volant или CRT – универсальны и эффективны. Применение данного оборудование позволяет осуществлять свинчивание, развинчивание, расхаживание, вращение, долив, циркуляцию и цементирование обсадных колонн, обеспечивая при этом сокращение НПВ и сопутствующих расходов за счет замещения  многочисленных единиц традиционного оборудования.

Преимущества ССОК Волант

• Механическая конструкция,  компактная, легкая и очень прочная с небольшим количеством движущихся частей.
• Сочетание компактности и функциональности, приводит к повышению безопасности и упрощению операций на площадке буровой за счет уменьшения количества людей и оборудования на столе ротора.
• Инструмент помещается в кузов пикапа (CRTi 3-7.0 350т).
• Переход от бурения к спуску и циркуляции может происходит очень быстро, что приводит к снижению НПВ и общему снижению затрат на строительство скважины.

В России система спуска ОК от компании Volant была использована впервые в 2011году на Ванкорском месторождении компанией Smith Inernational ( прим. В 2012стала частью Шлюмберже) .  С помощью данного оборудование произволили спуск и свинчивание через СВП осбадной колонный 178мм до глубины 2.5-3км. Всего на Ванкорском месторождении в период 2011-2012году было произведено более 50 спусков с использованием CRTi Volant.

На сегодняшний день систему используют более 10 сервисных компаний в России, парк оборудования составляет 40-45едениц.

1.2 Оборудование для цементажа с вращением

Цементирование - когда вы, наконец, приблизились к завершающему этапу подготовки скважины к эксплуатации. Многочисленные исследования показали, что вращение и расхаживаение - лучший способ обеспечить качественное цементирование.

В дополнение к инструментам для спуска обсадной колонны, VOLANT разработал цементировочный вертлюг (CST-2000, рис.2)  и  установку для сброса пробок (PVPL  рис.2), обеспечивающие возможность вращения и расхаживания во время цементирования.

Рисунок 2. Оборудования для цементажа с вращением. Вертлюг и установка для сброса пробок

Цементаж ОК с вращением:

• Обеспечивает более качественное сцепления цемента.
• Уменьшает риск выхода цемента за пределы скважины.
• Улучшает межпластовую изоляцию для качественного гидроразрыва и снижает вероятность миграции газа.
• Снижает потребность в операциях по устранению последствий некачественного цементажа

Комбинация CRT Volant, цементировочного вертлюга и инструмента для сброса пробок обеспечивает вращение и расхаживание колонны во время цементажа.

В 2020 г. Компания Эриелл на ЮжноТамбейском месторождении проводила ОПИ в рамках которого были проведены работы по цементажу обсадной колонный 178мм с вращением, после были сделаны сравнения исследования АКЦ соседних скважин в которые спускали ОК с вращением и без, результаты представлены ниже (рис.3, 4.)

Рисунок 3. АКЦ после стандартного цементажа

Рисунок 4. АКЦ после цементажа с вращением

Нагдядно видно что распределение контакта цемента и коэфф. Качества цементирования лучше на Рис. 4.

2. Бурение на ОК и спуск ОК с вращением и проработкой.

Первые идеи по бурению с обсадной колонной появились в начале XX века. Например, в патенте 1923 года (рис. 6) описано специальное извлекаемое долото и отмечено 17 преимуществ этой технологии.

Рисунок 6. Извлекаемое долото для бурения на ОК

Рассмотрим, в каких случаях бурение с обсадной колонной может помочь оптимизировать технологию строительства скважин. Сначала рассмотрим поглощение, которое является головной болью для буровиков на многих месторождениях. Обсадная колонна имеет больший диаметр, чем бурильные трубы. В результате обсадная колонна постоянно соприкасается со стенкой ствола (рис. 7). Буровой шлам прижимается к стенке скважины обсадными трубами, закупоривая отверстия и трещины и уменьшая или полностью устраняя поглощение, если таковое имеется. Данный эффект получил название «механической кольматации».

Рисунок 7. Обсадная колонна с скважине

Наличие набухающих и вязких глин, риск образования текучих солей или обвальных пород, риск растепления зоны вечной мерзлоты - распространенные факторы на многих российских месторождениях при бурении под кондукторы и технологические колонны. Они приводят к следующей проблеме - неустойчивости стенок ствола - и длительному шаблонированию и рассверливанию. Это значительно увеличивает сроки строительства, даже на коротких участках. Однако даже после всех работ по подготовке ствола часто происходят случаи прихвата, что приводит к потере оборудования и необходимости повторного бурения интервала. В таких случаях бурение на колонне также является эффективным решением, поскольку обсадная колонна постоянно установлена в стволе скважины. Проблемные участки обсаживаются непосредственно во время бурения.

В конце XX - начале XXI века в технологии бурения были сделаны значительные шаги. Появились телеметрические системы с гидравлическими каналами связи, винтовые забойные двигатели с переменным углом наклона, роторные системы управления и долота PDC. Благодаря этим устройствам процесс бурения вышел на качественно новый уровень: скважины стали буриться глубже, быстрее и с более сложной ориентацией. Бурение на обсадных трубах также развивалось, и новое оборудование помогло раскрыть потенциал данной технологии, которая все чаще используются при бурении на обсадных колоннах в России (рис. 8).

Рисунок 8. Основные виды бурения на обсадной колонне

Начнем с "простой" технологии – при которой в качестве породоразрушающего инструмента используется разбуриваемый башмак – долото (рис. 9). Данный метод получил название CWD L2 (casing while drilling) и спользуется для неуправляемого бурения на обсадных колоннах и хвостовиках. В этом случае система спуска обсданой колонны (ССОК) соединяется с системой верхнего привода (СВД) (рис. 4). Система оснащена клиновым захватом (наружним или внутренним) активирующимся под действием крутящего момента, который захватывает обсадную обсадную колонную и передает крутящий момент на нее. Гидравлические пакерующие элементы обеспечивают надежную гидравлическую изоляцию и позволяют осуществлять промывку через обсадную колонну.

Рисунок 9. Оборудования для CWD L2

Обычно в  обсадных трубах используются стандартные резьбовые соединения OTTM или BTC, которые рассчитаны на высокие осевые  нагрузки, но имеют небольшие допустиые значения по крутящему моменту. Моментоповышающие кольца (MLT) могут используются что бы повысить максимальный предел крутящего момента данных соединений (рис. 4). Они (MLT) обеспечивают соединение металл-металл и увеличивают допустимый крутящий момент (рис. 9.). Кроме того, на обсадные колонны  устанавливается цельнометаллический центратор (рис. 9.), обеспечивающий прочность и жесткость, чтобы выдерживать динамические нагрузки в стволе скважины и обеспечивать центровку ОК при высоких боковых нагрузках. Центратор имеет уникальную конструкцию и использует особый способ крепления к внешней стенке обсадной колонны. В качаестве  породоразрушаеющего инструмента используется башмак – долото, выполненный из мягких цветных металлов и имеющий «на вооружении» PDC резыцы, а так же керамические насадки и  обратный клапан (опционально). В зависимости от типа породы и длинны секции бурения изготавливают башмаки 4,5,6 лопастными, с 16 или 19 резцами. (рис. 9) и боковыми вставками для сохранения геометрии корпуса изделия при бурении. Это позволяет модернизировать породоразрушающий инструмент в соответствии с особенностями геологического разреза и добиваться высокой производительности бурения. Данная технология широко применяется и внедрена в практику во всех нефтегазоносных провинциях Волго-Уральской, Тимано-Печорской, Западно-Сибирской и Восточно-Сибирской. В настоящее время по этой технологии пробурено более 300 скважин по всей России. Технология может быть использована как для бурения вертикальных участков скважины, так и для спуска с проработкой, что исключает необходимость длительной подготовки ствола скжважины к спуску ОК.

Первая подобная работа в РФ была произведена в 2015году, на ВУ ОНГКМ, на котором начиная с 80-х годов, для обеспечения дохождения технической колонны до проектного забоя  выполнялись длительные шаблонировки, на которые затрачивалось до 31 дня . ( Рис. 10)

Результаты:

Сокращение сроков строительства скважины на 10 суток

Применяемое оборудование:

• ССОК CRTi 4-7.0
• Моментововышающие кольца MLT
• Удлиненные буровые штропа
• центраторы Серии HydroFORM
• Породоразрушающий инструмент - разбуриваемое башмак долото.

Инженерные и технологические решения:

• Комплексный расчет нагрузок и усталостного износа обсадной колонны

Рисунок 10. Сравнительный график спуск обсадной колонны

В 2016 году компанией Шлюмберже в России впервые было применено бурение обсадными трубами с извлекаемой компоновкой – CWD L3, на восточном участке ОНГКМ, тогда добиться планового забоя не удалось – подвело оборудование, промытое в ходе работы, оно было модернизировано и в 2018г. на том же восточном участке ОНГКМ была проведена первая в Россия успешная работа по бурению на обсадной колонне 244.5мм с извлекаемой компоновкой. Идея очень похожа на описанный ранее патент, только вместо долота на конце обсадной колонны располагается полноразмерная извлекаемая бурильная компоновка, которая позволяет осуществлять направленное бурение. Компоновка (КНБК) фиксируется в обсадной колонне с помощью бурового замка (DLA) (рис. 11), с помощью ответной детали, смонтированной на обсадной колонне – профильной муфте (CPN).  DLA герметизирует  затрубное пространство и соединяет КНБК с обсадной колонной  через CPN. DLA  вместе с КНБК может быть извлечена на любой стадии процесса бурения и спущена обратно в скважину, что позволяет заменить вышедшие из строя компоненты КНБК (долото, телесистему, расширитель, сам DLA) и продолжить процесс бурения.

Рисунок 11. Буровой замок (DLA) и внутреняя часть КНБК

Рассмотрим КНБК которое используется в данном методе бурения (Рис.7). От DLA до бурового долота, КНБК можно разделить на две части: внутреннюю (внутри ОК) и внешнюю. Во внутренней части колонны  располагаются сам буровой замок DLA, калибратор, УБТ и переводник, а также силовая часть забойного винтового двигателя (рис. 12). Она создает дополнительный крутящий момент и скорость для  вращения долота.

Рисунок 12. КНБК для бурения CWD L3

Первым элементом вне обсадной колонны является гидравлический расширитель, так как весь используемый инструмент является извлекаемым, а его внешний диаметр меньше внутреннего диаметра обсадной колонны. Расширитель увеличивает диаметр пилотного ствола (образованного долотом) до размера, необходимого для проходки обсадной колонны и последующего цементирования (рис. 12). За расширителем следуют стандартные для буровой КНБК элементы: калибратор, телесистема, роторная система управления и долото.

Один важный элемент данной технологии, не использующийся в процессе бурения, но необходимый на каждой работе, а в частности при извлечении КНБК  - это TCD. (Резьбовой адаптер) Рис.13.

Рисунок 13. TCD -Резьбовой адаптер

Используется TCD при появлении признаков ГНВП в момент извлечения КНБК на буровом инструменте через обсадную колонну. (Рис.14.) Его (TCD) соединяют с СВП и буровыми трубами использующимися для извлечения КНБК, а после с помощью резтбы на TCD соединяют его с обсадной трубой, тем самым получая герметичное соединение и возможность производить расхаживание, циркудяцию, утяжеление и замещение бурового раствора при необходимости.

Рисунок 14. Извлечение КНБК через ОК с использованием бурового инструмента 127мм

Поиск безопасных и эффективных методов бурения - сложная задача для современных буровых и сервисных компаний. Проблемы, с которыми они сталкиваются, многообразны и продолжают расти с появлением новых нефтяных месторождений. Технологии расмотренные в данной статье  не новы, например идее бурить на обсадной колонне почти столетие, но в наше время благодаря научно техническому прогрессу и внедрению в процессы бурения передовых технологий  появилась возможность реализовать  эти замыслы на  практике.

Список литературы:

1. Джалал Каримов, Асхат Усманов, Погурец Валерий, Клюсов Всеволод  Бурение на обсадной колонне: Один из способов снижения углеродного следа / Джалал Каримов, Асхат Усманов, Погурец Валерий, Клюсов Всеволод  [Электронный ресурс] // Кogtecmagazine : [сайт]. — URL: https://www.rogtecmagazine.com/wp-content/uploads/2022/04/04-Casing-While-Drilling-One-of-the-Ways-to-Reduce-a-Carbon-Footprint-.pdf (дата обращения: 08.02.2024).
2. Журалев В.В. Проблемы строительства скважин Бованенковского месторождения // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2011. № 7. С. 2—5.
3. Сидоренко К., Велиев Г., Куликов С., Голубев Д., Дубовцев А., Стрижнев К. Бурение и строительство скважин.
4. Михайличенко А.В. Инновационная технология TESCO — бурение на обсадной колонне CASING DRILLING ™ // Нефть. Газ. Новации. 2011. № 12. С. 34—40