Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка технических средств, технологических приемов и методов мониторинга проводки направленных скважин

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Разработка технических средств, технологических приемов и методов мониторинга проводки направленных скважин"

На правах рукописи

005000856

Шостак Андрей Валерьевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ И МЕТОДОВ МОНИТОРИНГА ПРОВОДКИ НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН

Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 НОЯ 2011

Ставрополь - 2011

005000856

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет» (КубГТУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Арутюнов Александр Аракелович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Бекетов Сергей Борисович кандидат технических наук, Машков Виктор Алексеевич

Ведущая организация: ОАО «НПО «Бурение»

Защита состоится 15 декабря 2011 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.245.02 при Северо-Кавказском государственном техническом университете по адресу: 355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Кавказского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по указанному выше адресу.

Факс (8652) 94-60-12

Email: tagirovstv@ncstu.ru

Автореферат разослан «J2£» ноября 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор геолого-минерапогических наук

В.А. Гридин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В современном развивающемся мире углеводороды, к которым относятся нефть и газ, являются важнейшей частью стратегических природных ресурсов, определяющих энергетическую независимость и прогресс развития экономики Российской Федерации. В настоящее время Россия, как и в 70-ые годы СССР, вышла на первое место в мире по объемам добычи нефти и газа. Но, если в 1970 году доля топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в экспорте СССР занимала всего 16%, то в 2010 году она составляет уже примерно 70%. Поэтому в ближайшие годы сохранение на прежнем уровне и увеличение объемов добычи нефти и природного газа с одновременным сокращением затрат на строительство скважин, становятся главнейшей задачей ТЭК.

На современном этапе все большее количество нефтяных и газовых месторождений разрабатываются наклонными и горизонтальными скважинами. Это объясняется необходимостью наибольшей степени вскрытия труднодоступных продуктивных горизонтов, особенно на доразрабатываемых месторождениях Краснодарского края, отличающихся послойной и зональной неоднородностью природных резервуаров. Одним из современных способов решения задач повышения извлекаемых объемов газа, а также его закачки в целях долгосрочного хранения, стало бурение горизонтальных скважин при строительстве подземных хранилищ газа (ПХГ).

Реализация проектных трасс таких скважин в процессе углубления требует поинтервального изменения с различной интенсивностью зенитного и азимутального углов скважины. Появление забойных телеметрических систем облегчило процедуру контроля профиля ствола скважины в части определения текущих параметров искривления скважины, положения отклоните-ля при бурении ориентируемыми компоновками, учёта реактивного момента забойного двигателя и др. В то же время, на участках бурения неориентируе-мыми компоновками низа бурильной колонны (КНБК) телеметрические системы выполняли только функцию отображения параметров искривления ствола скважины. Однако при возникновении необходимости корректировки зенитного и (или) азимутального углов скважины, т.е. «правки», приходилось поднимать весь инструмент для замены КНБК. Эта процедура при высоких

скоростях бурения на месторождениях Западной Сибири и Краснодарского края проводилась на 25% строящихся скважин. Такой высокий процент «правок» был связан с непредсказуемостью результатов бурения интервалов с применением неориентируемых КНБК и их несовершенством.

В связи с этим, проблема создания эффективных техники и технологии строительства направленных скважин в сложных геологических условиях весьма актуальна. На наш взгляд, создание управляемых в процессе бурения КНБК позволяет решить задачи оперативного контроля и управления трассой наклонных и горизонтальных скважин, а также значительно сократить затраты на их строительство.

Цель работы

Повышение эффективности бурения наклонно направленных скважин путем исследования и совершенствования технологий и технических средств их проводки, позволяющими управлять траекторией ствола скважины в процессе бурения с использованием КНБК, включающей отклонитель с изменяющимися геометрическими характеристиками по команде с пульта бурильщика.

Основные задачи работы

1. Обобщение и аначиз опыта проводки наклонно направленных скважин и боковых стволов различными видами бурового оборудования в нефтегазодобывающих регионах Российской Федерации и других стран.

2. Анализ эффективности новых дистанционно-управляемых забойных компоновок низа бурильной колонны, имеющих систему ориентирования и обеспечивающих бурение по траекториям с различными радиусами кривизны, способных реализовать профили скважин повышенной сложности.

3. Разработка технических средств в составе КНБК с забойным двигателем, позволяющих управлять траекторией ствола путем изменения угла перекоса огклонителя, без подъема на поверхность при бурении наклонно-горизонтальных скважин.

4. Совершенствование методики управления траекторией ствола бурящейся скважины и ее реализация в разработанном аппаратурно-программном комплексе.

5. Практическая реализация разработки, оценка ее эффективности и возможности применения разработанных дистанцонно-управляемых откло-нителей с различными забойными двигателями.

Основные защищаемые положения

1. Технические средства и способ построения проектных профилей скважин различной сложности.

2. Математическое обеспечение и алгоритмы расчета построения различных проектных профилей скважин.

3. Методика управления параметрами искривления бурящейся скважины и ее реализация в аппаратурно-програмном комплексе.

4. Результаты промысловых испытаний разработанных технических средств и методик, подтверждающие их эффективность.

Научная новизна

Решены задачи построения проектных профилей скважин различной сложности. Предложен способ их применения при бурении наклонных и горизонтальных участков стволов скважин, путем включения в состав КНБК дистанционно-управляемых регулируемых отклонителей, реализующих проектные трассы различной степени сложности. Новизна предложенных разработок подтверждена патентами на изобретения № 2228421 Ru, «Отклонитель регулируемый»; № 2303117 Ru, «Отклонитель регулируемый».

Разработан и реализован алгоритм, позволяющий выполнить:

- построение фактического профиля по данным замеров телесистемой зенитного угла и азимута скважины в трехмерном пространстве;

- определение расстояния от точки фактического профиля до ближайшей точки проектного профиля;

- определение величины угла установки отклонителя, обеспечивающего возврат траектории скважины к проектному профилю.

Практическая ценность и реализация работы

Выявлены основные способы управления траекторией ствола скважины, определяющие эффективность наклонно горизонтального бурения различными видами компоновок низа бурильной колонны, разработаны и внедрены отклонители с дистанционно изменяющимися геометрическими характеристиками и технические средства (кабельные телеметрические системы и малогабаритные магнитометрические инклинометры), позволяющие проводить скважины в труднодоступных продуктивных горизонтах.

Предложенные разработки успешно внедрены на месторождениях Краснодарского края, республики Дагестан, о. Сахалин. На их основе спе-

циалисты ООО «Кубаньгазпром» разбурили горизонтальными скважинами Краснодарскую и Кущевскую ПХГ, были пробурены наклонно горизонтальные скважины в Калининградской области, Западной Сибири.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Представленная работа соответствует формуле специальности 25.00.15 -«Технология бурения и освоения скважин», а именно пункту 5 - «Моделирование и автоматизация процессов бурения и освоения скважин при углублении ствола, вскрытии и разобщении пластов, освоении продуктивных горизонтов, ремонтно-восстаповительных работах, предупреждении и ликвидации осложнений.

Апробация работы

Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались на: Второй Всероссийской конференции молодых учёных, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России (г, Москва, Государственная Академия нефти и газа им. И.М. Губкина, сентябрь 1997 г.), научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ООО «Кубаньгазпром» (г. Анапа, 1998-1999 гг.); иаучно-технических советах ООО «Кубаньгазпром» совместно с ООО «Кубаньбургаз» (г. Краснодар, 1997-2001 г.г.); международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации и капитального ремонта скважин на месторождениях и ПХГ» (г. Кисловодск, 2003 - 2004 г.г.); выездном заседании секции добычи газа ООО «Газпром» «Пути совершенствования техники и технологии капитального ремонта скважин» (г. Новый Уренгой, январь 2005 г.); международной научно-практической конференции, посвященной 50-летию журнала «Газовая промышленность» (г. Москва, 2006 г.); международной научно-практической конференции «Волга-строй-экспо 2007 - технологии и техника горизонтально направленного бурения» (г. Казань, апрель 2007 г.); международной научно-практической конференции «Новые технологии при поисках, разведке и эксплуатации месторождений углеводородного сырья в России и странах СНГ» (пос. Ольгинка, сентябрь 2007 г.); на Ученых и научно-технических советах КубГТУ, ООО «Роснефть-НТЦ», ООО «Роснефть-Краснодарнефтегаз», ООО НПО-Бурение» (2008-2011 г.г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и двух патентах Российской Федерации на изобретения.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы, включающего 52 наименования и приложения.

Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и 37 рисунков.

В процессе выполнения работы автор пользовался советами и консультациями своего научного руководителя кандидата технических наук, доцента A.A. Арутюнова, доктора технических наук В.Г. Гераськина, докторов технических наук, профессоров Д.Г. Антониади, А.И. Булатова, Г.Т. Вартумяна, которым автор глубоко благодарен. Автор считает своим долгом выразить признательность сотрудникам ООО «Кубаньгазпром», оказавшим помощь в работе и обсуждении результатов диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследования, их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассмотрены основные этапы развития и современное состояние направленного бурения наклонных и горизонтальных скважин, а также забуривания боковых стволов, представлен аналитический обзор технических средств и технологий для проводки и контроля бурения наклонно горизонтальных скважин. Рассмотрены теоретические и практические аспекты существующих исследований, методик, технологий и технических средств по измерению, контролю и управлению параметрами траектории и режимов бурения, в том числе, с применением бурового навигационного оборудования - телеметрических систем (ТС) и отклоняющих компоновок низа бурильной колонны (КНБК).

Среди работ в этом направлении, следует отметить исследования ряда ученых: Арутюнов A.A., Балденко Д.Ф., Бузинов, A.B. Буслаев В.Ф., Вудс Г., Гераськин В.Г., Григорян A.M., Григулецкий В.Г., Гулизаде М.П., Иоане-сян Ю.Р., Кауфман Л.Я., Калинин А.Г., Крылов В.И., Лубинский А., Лукья-

нов В.Т., Никитин Б.А., Огаиов С.А., Рабиа X., Сорокин В.Н., Сулакшин С.С., Сушон Л.Я., Шайхутдинов Р.Т. и многих других.

В последнее время в целях повышения эффективности наклонно направленного и горизонтального бурения ведущими фирмами-изготовителями бурового оборудования, как за рубежом, так и в России (ООО «ВНИИБТ-Буровой инструмент», «НиГ МАШ СЕРВИС», «РАДИУС СЕРВИС», «УРАЛНЕФТЕБУР» и др.) был изготовлен и внедрен новый класс систем КНБК для управления траекторией ствола при бурении - объемные забойные двигатели с корпусными переводниками с регулируемым углом перекоса. Эти КНБК имеют очевидные преимущества по сравнению с КНБК с фиксированными отклоняющими устройствами.

С внедрением телеметрических систем с гидравлическим каналом связи появилась возможность в процессе бурения непрерывно вращать инструмент компоновками с забойным двигателем-отклонителем, когда не требуется корректировка параметров искривления ствола, или производить ориентирование отклонителя для исправления траектории без подъёма инструмента на поверхность. Это существенно повысило эффективность бурения и понизило его себестоимость.

Однако такая технология не применима в условиях бурения на специальных буровых растворах, атак же там, где стоимость телеметрических систем сопоставима со стоимостью бурения скважины.

Принимая во внимание изложенное, специалисты крупнейших фирм, занимающиеся горизонтальным бурением в CUJA и Франции, приняли решение разработать программно-аппаратурный комплекс, включающий телеметрическую систему и забойный двигатель-отклонитель с изменяющимся углом перекоса по сигналу с пульта бурильщика и предприняли первую попытку внедрить программно-аппаратурный комплекс (дистанциоино-управляемый отклонитель Т - 3000 и телесистему Телевижн).

Таким образом, в технологии бурения наклонных и горизонтальных скважин появились новые возможности. Первая дистанционно управляемая КНБК с забойным двигателем, имеющая систему ориентирования и обеспечивающая бурение с заданной интенсивностью, показала возможность реали-зовывать профили скважин повышенной сложности. Это позволило:

- сэкономить время на спуско-подъемных операциях за счет изменения геометрических параметров КНБК без подъема инструмента на поверхность;

- осуществить управление искривлением скважины с большей точностью;

- увеличить механическую скорость и проходку на долото;

- снизить расход материалов и химических реагентов.

Особенно остро необходимость реализации рассмотренной выше технологии впервые проявилась в нашей стране при строительстве на севере Краснодарского края Кущевского подземного хранилища газа на базе истощенной газовой залежи. В качестве экономических предпосылок выдвигалась необходимость существенного снижения капитальных вложений на создание хранилища. Дополнением к проекту создания Кущевского ПХГ, разработанным ВНИИГазом и утвержденным в 1994 г. предусмотрено вместо 241 вертикальных бурение около 100 наклонно горизонтальных скважин.

Вместе с тем, внедрение горизонтальных скважин на Кущевском ПХГ потребовало решеиия ряда геологических, технологических и технических задач. Исходя из этих задач, требующих выделения в продуктивном горизонте конкретных объектов вскрытия в той или иной скважине, имеющих, как правило, небольшую толщину, а также в связи с наличием на отдельных участках структуры существенных градиентов углов падения пластов, были разработаны три основных проектных профиля в пределах продуктивного пласта, которые представлены на рисунке I:

- пологонаправленный - на участках существенного изменения градиентов углов падения пород;

- горизонтально-волнистый - в продуктивной части, имеющей высокие фильтрационные свойства, но литологнчески не однородной по разрезу;

- вогнутый - вскрывающий нижней точкой траектории высокопроницаемую часть горизонта и в последующем дренирующий пласты с низкими фильтрационными параметрами (рис. 1).

Необходимость соблюдения траектории горизонтального ствола в достаточно жестких границах, в частности при бурении 75 скважин, предельные отклонения которых от проектных профилей строго регламентированы, а сами профили достаточно сложны и имеют несколько участков набора кривизны и ее стабилизации, причем некоторые участки набора кривизны имеют радиусы менее 50-60 м, потребовала использование специальной надежной телеметрической навигационной системы.

Рисунок 1 -Типы профилей горизонтальных скважин Кущевского ПХГ: I - полого!оправленный; 2 - горизонтально-волнистый; 3 - погнутый

Проведенный анализ выявил, что применяемое в нефтегазодобывающих регионах на данный период буровое навигационное оборудование для проводки наклонных и горизонтальных скважин не решает всех поставленных задач.

Учитывая это, предприятием ООО «Кубаньгазпром» были сформулированы основные требования и принято решение о разработке телеметрической навигационной системы, т.е. системы контроля за искривлением скважины и управления траекторией ствола, включающую в себя создание: узла управления (дистанционно управляемой забойной КНБК), сбора информации и корректировки ствола скважины, специальных груб и другого инструмента, обеспечи-вающиго необходимую точность по определению пространственного положения ствола в продуктивном пласте толщиной не более одного мегра и принятия своевременных решений по корректировке управляемых параметров.

Эти направления исследований, технико-технологические решения поставленных задач и являются основой представленной диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке технических средств для реализации проектных трасс при проводке наклонно горизонтальных скважин.

Одним из основных факторов, влияющих на реализацию сложных проектных профилей наклонных, горизонтальных скважин, является технологическая оснастка элементов компановки низа бурильной колонны. Применяемые до настоящего времени КНБК не решали в полной мере проблемы про-

водки наклонно горизонтальных участков ствола. Предложенный французскими фирмами управляемый отклонитель Телепилот Т-3000 имел ряд значительных недостатков, основные из которых:

- значительные габаритные размеры (наружный диаметр управляемого отклонителя 198 мм, общая длина 5,18 м.), не позволяющие проводить траектории горизонтального ствола в жестких границах;

- неточная фиксация в заданном промежуточном положении угла перекоса инструмента и отсутствие контроля этого положения.

Поэтому необходима разработка технических средств, спускаемых в скважину в составе КНБК с забойным двигателем, позволяющих управлять траекторией ствола и в случае необходимости менять угол перекоса отклонителя без подъема на поверхность.

По результатам проведенного анализа научной и патентной литературы разработаны следующие устройства: дистанциомно-управляемые регулируемые отклонители ОГДУ -178 и ОГДУ-Ю8.

Основной целью разработки ОГДУ -178, (рисунки 2, 3, 4 и 5) явилось повышение эксплуатационных технологических характеристик отклонителя путем исключения перечисленных выше недостатков.

Угол ф (см. рис. 2) изначально выбирается исходя из технологических условий проводки наклонных участков и может достигать максимально равного 2ф (ф =2,5°х 2) - 5°.

Увеличение угла перекоса КНБК осуществляется при повороте отклоняемого узла до 180°. Количество положений изменений угла перекоса и сам угол зависит от числа направляющих выступов поршня-штока 6. При повороте его от 180° до 360° угол перекоса уменьшается, что позволяет извлечь колонну бурильных труб из скважины в первоначальном соосиом положении.

Информация об изменении угла перекоса отклонителя передается следующим образом: вращение относительно продольной оси поршня - штока 3 и отклоняемого узла 2 (рис. 2) через специальный патрубок одновременно проворачивает нижний центратор устройства посадочного, с расположенным в нем прибором телеметрической системы, которая фиксирует изменения угла перекоса отклонителя с помощью аппаратурно-программного комплекса.

Рисунок 3 - Разрез по А-А рисунка 2: 1 - верхний гидромилиндр; 3 - поршень-шток;

6 - направляющие выступы поршня-штока;

7 - отклоняющий y'iCJK

8 - кулачки со скошенными торнами.

Рисунок 4 - Вид Б рисунка 2:

6 - направляющие выступы поршня-штока; 9 - пазы; Г - скошенная верхняя поверхность.

Рисунок 5 - Вид В рисунка 2;

4 - кулачки поршня-штока; 8 - кулачки со скошенными горнами.

Рисунок 2 -Дистанционно-управляемый регулируемый отклони-тель ОГДУ-178:

I - верхний гидроцилиндр; 2 - отклоняемый у чел; 3 - поршень-шток; 4 - кулачки поршня-штока; 5 - дроссель; 7 - отклоняющий учел; 8 - кулачки со скошенными торцами; 9, II - пазы; 10-пальцы; 12 - радиалмю-упорный подшипник; 13-гайка; 14 - переводник; 15 - возвратная пружина; 16 - гайка

В дальнейшем, для проводки скважин малого диаметра, был разработан дистанционно-управляемый регулируемый отклонитель ОГДУ-Ю8, аналогичной ОГДУ-178 конструкции. Цель разработки - отклонитель с минимальными геометрическими размерами (наружный диаметр управляемого откло-нителя 108 мм, общая длина 1,6 м).

В третьей главе изложена разработка навигационных телесистем и их посадочных устройств, для оперативной передачи информации координат забоя и угла перекоса КНБК.

Разработка посадочных устройств (УН) скважинных телесистем

Проведенный в работе критический анализ имеющихся аналогов посадочных устройств (УП), позволил выявить ряд недоработок, таких как недостаточная точ-

ность ориентирования скважинного прибора в скважине (до 10-15°); отсутствие сигнала о посадке прибора в заданном положении в скважине и т.д.

С учетом изложенного было разработано несколько модификаций посадочных устройств, имеющих один принцип действия и отличающихся друг от друга лишь линейными размерами. На рисунке б представленно такое устройство.

Основными отличиями разработанного посадочного устройства являются: наличие двух центраторов для более точного цен трирования скважинного прибора по оси устройства; наличие фиксатора, предотвращающего самопроизвольное высвобождение скважинного прибора при зенитных углах 90° и более; наличие ориен-татора, груза-ловителя и центратора с верхним магнитом, позволяющим производить бесступенчатую установку их в одной плоскости с отклонителем; наличие устройства (с магнитным датчиком), передающего на устье скважины сигнал о посадке скважинного прибора и ориентации его в одну плоскость с отклонителем.

Разработка телеметрической системы «Пеленг»

Телесистема предназначена для определения основных параметров процесса бурения наклонно горизонтальных скважин в условиях жестких пространственных ограничений. Данные телесистемы выводятся на монитор персонального компьютера и дублируются на цифровом табло перед пультом бурильщика. Диапазон измерений: температура до 120 "С, давление до 108 МПа (при увеличении толщины стенки до 5 мм.). Телесистема состоит из скважин-ного прибора и наземной аппаратуры. Прибор включает в себя несколько датчиков, позволяющих измерять: зенитный и азимутальные углы, угол установки отклонителя; температуру и давление на забое; естественное гамма-излучение.

Наземная аппаратура предназначена для приема, обработки и выдачи информации об измеряемых параметрах на дисплей компьютера в цифровом виде или на видеоконтрольное устройство - пульт бурильщика. Она состоит из компьютера, блока коммутации, блока бурильщика (рис. 7). Линией, осуществляющей связь между скважинным прибором и наземным измерительным комплексом, является одножильный каротажный кабель. Связь между наземным измерительным комплексом и выносным индикатором осуществляется двухпроводной линией. На рисунках 8, 9, 10 приведены функциональная схема построения, техническая характеристика и общий вид телесистемы «Пеленг».

-----Г-Ljrr

1| [ y„'¿r.'.„,

Рисунок 7 - Наземная аппаратура

Рисунок 8 - Функциональная схема

Наименование Диада аеажимго прибора, мм Диаметр, мм Масса, кг

Максимальное рабочее гидростатически давление, МПа Предельная температура окружающей среды " С Диапазон измерения угла откяонителя. град Диапазон измерения азимута, град ' Диапазон измерения зенитного угла, град Максимальная длина тганнии связи с забойной станцией, м Максимальная длина линии связи с пультом бурильщика, м

ш

ПЕЛЕНГ 1600(1400) 45 (60) 8(12)

i во

•10 и +125 +180 (+1) 0 г 360 (+1,5)) Or 130 (»0,2) 5900 300

Рисунок 9-Общий вид

Рисунок 10 - Технические характеристики

Разработка инклинометра магнитометрического малогабаритного ИММ-30-80/30 «Игла»

Предназначен для работы, при забуривании вторых стволов из обсадных колонн диаметром 140-146 мм. Прибор работает при температуре до 80 °С и максимальном рабочем давлении до 60 МПа.

Функционально аппаратура, входящая в состав инклинометра «Игла» работает так же как и телесистема «Пеленг». Инклинометр работает в составе компьютеризированной каротажной станции в комплексе с посадочным устройством диаметром 106 мм. и одножильным каротажным кабелем. Инклинометр регистрирует следующие параметры: зенитный угол 0-180° с точностью до 10 минут; азимутальный угол 0-360° с точностью до 0,5 градуса; угол установки отклонителя ± 180° с точностью до 1 градуса; естественное гамма-излучение; уровень продольной и поперечной вибраций. Метрологические характеристики аппаратуры подтверждены СЕРТИФИКАТОМ «ЕАГО» (Евроазиатское геофизическое общество).

Данные параметры выводятся на цифровое табло, располагаемое перед пультом бурильщика и ПЭВМ, где в реальном масштабе времени строится фактический профиль скважины в 2-х и 3-х мерном изображении. Измерение уровня вибрации практически сводит к нулю имеющуюся «мертвую» зону замера, т.к. информация поступает непосредственно от долота и строго коррели-руется литолого-фациальными характеристиками разбуриваемых пород. То

есть по уровню частотного спектра, всегда можно сказать, в каких породах находится долото и установить их границы.

В четвертой главе изложена разработка методического обеспечения по оптимизации проводки наклонных и горизонтальных скважин.

В процессе работы по разбуриванию Кущевского ПХГ были разработаны и реализованы в программе ПЭВМ методики построения различных проектных профилей скважин: с одним участком набора кривизны без участка стабилизации, с несколькими (тремя) радиусами набора кривизны, с двумя участками набора кривизны и двумя участками стабилизации, с двумя зонами запрета набора кривизны и гремя участками набора кривизны.

В качестве примера приведена блок-схема, алгоритма решения данной задачи, представленная на рисунке 11.

Ох, «к, оу, - и„

[ Кия 1--<К,-х,)НП.-У,1 |

Иычи<-л*>1Ше Пх„Оу 2

И

х„-1-х , 2

у и .к .к,Ь ,„ х„„, ,укт1

Рисунок 11 - Блок-схема алгоритма решения задачи построения проектного профиля с двумя участками набора кривизны и двумя участками стабилизации

где: х„, ,ут, хь,уь - координаты «малой» и «большой» точек на окружности 1, используемые как пробные точки касания; к ,,„. к ,ь - тангенсы у гла наклона прямых, соединяющих центр окружности 1 с точками касания; к 2,„, к2 ь тангенсы угла наклона прямых для касательных в этих точках; В ¡„,, В 2ь ~ свободные члены управления этих касательных; хкт1т , уШт - координаты точек, лежащих на пересечении касательной от окружности 1 и прямой, проходящей через центр; , Укт/т, хыл - окружности 2, параллельно прямой, соединяющей центр; уш/ - окружности I с соответствующей точкой на этой окружности (индекс т или Ъ); ийо! 1 - угол на участке I набора кривизны; ицо! 2 - угол на участке 2 набора кривизны.

В продолжении этой работы составлен алгоритм и программа ПЭВМ расчета фактической трассы скважины, определения расстояния от точки фактического профиля до ближайшей точки проектного профиля. Блок-схема последней приведена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Блок-схема алгоритма определения расстояния от точки фактического профиля до ближайшей точки проектного профиля.

где: / - номер участка (интервала) проектного профиля; Я,- - радиус набора кривизны на / -м участке; если участок представляет собой прямую, то К,- = 0; Ох,- - отклонение центра набора кривизны от вертикальной оси скважины; Оу,- - глубина центра набора кривизны по вертикальной оси скважины; .*,„•, у,и,хш, уА,- - координаты начальной и конечной точек участка проектного профиля; «, - зенитный угол в конечной точке 1-го участка.

Процесс управления искривления включает следующие процедуры:

- построения фактического профиля по данным замеров телесистемой зенитного угла и азиму та скважины в трехмерном пространстве;

- определения расстояния от точки фактического профиля до ближайшей точки проектного профиля

- выработку управляющих воздействий для безусловного выполнения проектных решений путем определения угла установки отклонигеля.

Первые 2 пункта решены и представлены на рис. 11-12.

По 3-му пункту разработан алгоритм и программа ПЭВМ представленные блок-схемой на рисунке 13.

Рисунок 13 - Блок-схема алгоритма определения угла установки отклонигеля

где: х,-, у,•. г, - текущие координаты забоя, м; <р х - азимутальное отклонение от проектного профиля, градус; а, _ текущий зенитный угол; ЛЯ -задаваемый шаг приращения проходки, м; - накапливаемая проходка, м;

/' - номер шага.

В»од исходных ЛОННЫХ и мочальных зничиний дл« расчета

га/вт <* < хм,~*,+А/?.я1П а,«соя <р, У«,«I

Уточнение последнего

Реализация данной методики в программный продукт позволила получить инструмент по оперативному определению управляющих воздействий для возврата траектории скважины к проектному профилю.

В пятой главе приведены результаты практической реализации внедрения разработки при строительстве одной из наклонно горизонтальных скважин Кущевекого подземного хранилища газа, а также рассмотрена возможность применения дистанционно-управляемых гидравлически риули-руемых отклонителей.

Внедрение разработки „а скважине № 98 Кущевская в интервале 1160 ¡379м. Конструкция скважины:

Кондуктор - диаметр 324 мм, глубина спуска Ь = 300 м.

Техническая колонна - диаметр 245 мм, глубина спуска Ь= 1150 м.

Бурение интервалов набора зенитного угла и горизонтальной части ствола осуществлялось следующими КНБК:

1-ый интервал 1160-1379 м; - долото 215,9 СЗГВ; муфта-калибратор МК-215,9 мм; винтовой забойный двигатель ОШ-172 (прямой); отклонитель гидравлический дистанционно-управляемый ОГДУ с углом перекоса 0°-3°00'; устройство посадочное УП-178 телеметрической телесистемы «Пеленг»; две свечи алюминевых бурильных труб ЛБТ-147; стальные бурильные трубы ТБПК-127 остальное (этой КНБК проводили набор зенитного угла от 0° до 93° в проектном магнитном азимуте 193°);

2ой интервал 1379-1569м.: - стабилизационная КНБК без ОГДУ.

Результаты проводки приведены в таблице 1 и на рисунках 14-15.

Таблица 1 - Результаты работы внедряемого ОГДУ-178 с углом перекоса 0°-3°00' в интервале 1160-1379 м.

Интервал, Угол Нач. Коиеч. Нач. Коиеч. Интенсив-

м. перекоса. угол. угол. азимут, азимуг. ность,

... '-рад. град. [рад. град. град. град/метр

1160-1236 3 0 46 181 192 0,61

1236-1260 1 46 49 192 196 0,14

1260- 1272 3 49 51 196 205 0,60

1272- 1331 1,5 51 61 205 200 0,22

1331 - 1379 3 61 93 200 191 0,64

ТУ О -——Факт ~-проект --------подошва

Рисунок 14 - Вертикальная проекция скв.№98 Кущевская

Рисунок 15 - Горизонтальная проекция скв. № 98 Кущевская

Огходот вертикали.«

7Г) АО 60 80 100 120 1-10 160 150 ¿00 220 МО 260 260 Ж< 320 ЗАО ,130

Возможности применения дистанщюнно-управляемых гидравлически регулируемых отклонителеи ОГДУ /08 и ОГДУ - 178. В настоящее время, ведущими производителями буровой техники нашей страны, выпускается широкий перечень турбобуров и винтовых забойных двигателей, для проводки наклонно горизонтальных скважин и забуривания вторых стволов.

Достоинством предложенной автором разработки является ее способность применения практически со всеми видами, производимого вышеуказанного оборудования, для обеспечения бурения траекторий с большим диапазоном различных радиусов кривизны.

Примеры возможного применения с винтовыми забойными двигателями выпускаемых; ООО «ВНИИБТ - Буровой инструмент», ООО «УРАЛ-НЕФТЕБУР», ООО «НиГМАШ-СЕРВИС» приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 - Пример расчета радиусов кривизны, при применении ОГДУ-Ю8

Паименомпие двигателя, тни/номер - диаметр, мм Радиусы кривизны, метры

Углы перекоса ОГДУ-Ю8, град.

0,5 1 1,5 2 2,5 3

Д1 - 105 760 347 223 164 130 108

Д-106 795 358 232 171 136 112

ДЗ- 106 842 389 253 187 149 123

Д1 - 127, ДЗ - 127 856 402 262 195 156 128

Д1 - 145 1267 474 291 210 165 135

Таблица 3 - Пример расчета радиусов кривизны, при применении ОГДУ-178

Наименование двигателя, тин/помер - диаметр, мм Радиусы кривизны, метры

Углы перекоса ОГДУ-178, град.

0,5 1 1,5 2 2,5 3

Д5- 172М 1245 473 292 211 165 136

ДВ-176М 1176 475 297 216 170 140

Л-178 1173 498 316 231 183 151

Д5-195 921 414 267 197 156 129

ДЗ - 195 971 444 288 213 169 140

Д1 -240 1382 519 319 231 181 148

Д - 240 1376 542 337 245 192 158

Таким образом диапазон радиусов, реализуемых в результате изменения углов перекоса, предлагаемых управляемых отклонителей, настолько разнообразен, что позволяет реализовывать наклонные трассы в широком диапазоне от максимального радиуса кривизны /?,,,„= 1383м. до минимального радиуса кривизны Дш„,= 108м.

В особых случаях, связанных со сложными пространственными геолого-техническими ограничениями, предприятия-изготовители буровой техники имеют возможность производить нестандартные укороченные забойные двигатели типа ОШ-172, позволяющие (как на Кущевском СПХГ) бурить скважины с радиусами до 45 метров.

Основные выводы и рекомендации

1. Проведены обобщение и анализ опыта проводки наклонно горизонтальных скважин и вторых стволов различными видами бурового оборудования в нефтегазодобывающих регионах Российской Федерации и других

стран, определяющие пути дальнейшего развития и повышения эффективности бурения наклонно горизонтальных скважин.

2. Построены вычислительные алгоритмы, которые реализованы в разработанном методическом и программном обеспечении, отображающие в 2-х и 3-х мерном пространственном изображении фактическую, проектпую и прогнозируемую траектории ствола скважины в реальном масштабе времени, позволяющие провести оптимизацию проводки наклонно горизонтальных скважин по: - построению различных вариантов проектного профиля ствола скважины с горизонтальным окончанием; - построению фактического профиля по данным замеров телесистемой зенитного угла и азимута скважины в трехмерном пространстве; - определению величины угла установки отклонителя, обеспечивающего возврат траектории скважины к проектному профилю.

3. Разработаны и изучены дистанционно-управляемые регулируемые отклонители ОГДУ-178 и ОГДУ-Ю8, позволяющие управлять траекторией ствола путем смены угла перекоса забойных компоновок, без подъема на поверхность, реализуя проектные трассы различной степени сложности.

4. Разработаны и внедрены технические средства (телеметрическая система «Пеленг» и малогабаритный магнитометрический инклинометр «Игла»), позволяющие передавать оперативную информацию о положениях отклонителя с дистанционно-изменяющимися геометрическими характеристиками в составе КНБК и забойных параметрах ствола скважины.

5. Разработаны и внедрены несколько модификаций посадочных устройств (УП - 180, УП - 110 и др.) для скважинных приборов разработанных технических средств (телеметрической системы «Пеленг» и малогабаритного магнитометрического инклинометра «Игла»).

6. Проведена практическая реализация разработки при строительстве Кущевского подземного хранилища газа на скважинах № 98 Кущевская и №153 Кущевская и определена оценка ее эффективности:

- на обеих скважинах интервалы набора зенитного угла до выхода на горизонтальный участок, были проведены одним долблением, без подъема инструмента для смены КНБК на поверхности, так как регулировка компоновки оперативно происходила на забое;

- фактические траектории максимально приближены к проектным, благодаря оперативной передаче информации в реальном масштабе времени координат забоя с помощью телесистемы «Пеленг»;

- аппаратурно-программный комплекс, отображающий в 2-х и 3-х мерном изображении фактическую и проектную траектории, а так же остальные параметры ствола, позволил в обоих скважинах фактической траектории, максимально приближенно выйти на проектную траекторию.

7. Выявлены возможности применения дистанционно-управляемых гидравлически регулируемых отклонителей ОГДУ-Ю8 и ОГДУ-178 с широким перечнем турбобуров и винтовых забойных двигателей, для проводки наклонно-горизонтальных скважин и забуривания вторых стволов, что позволяет реализовывать наклонные трассы в достаточно широком диапазоне радиусов кривизны /?„„,= 1383 м.; /?„„„ = 45 м.

Предложенная автором работа прошла успешную проверку при бурении наклонно-горизонтальных скважин и забуриванию вторых стволов на месторождениях и ПХГ Краснодарского края, Сибири, Калининградской области, республики Дагестан, о. Сахалин.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Усилия, действующие на колонну труб в наклонно-направленных скважинах / A.A. Арутюнов, Г.Т. Вартумян, А.Т. Кошелев, О.С. Лисовский,

A.B. Шостак // Строительство скважин на суше и на море, 2011, № 9. - С 7 -10. (автора -0,1 п.л.)

2. Технические средства контроля траектории сложнопрофильных скважин в процессе их восстановления из бездействующего фонда / Ю.И. Баканов, В.Г. Гераськин, В.В. Климов, A.B. Шостак // Научно-технический журнал «Технологии ТЭК», 2007, № 4. - С. 23 - 25 (автора - 0,1 пл.).

В научных изданиях:

3. Опыт бурения наклонно-горизонтальных скважин и вторых стволов. / A.B. Шостак // Проблемы эксплуатации капитального ремонта скважин на месторождениях и ПХГ: Материалы Межд. науч.-практич. конф (Кисловодск, Сент. 2004 г.) / СевКавНИПИгаз, 2004. - С. 76 - 83 (автора - 0,5 п.л.).

4. Некоторые задачи проектирования и управления траекторией ствола скважины с горизонтальным окончанием / В.Ф. Будников, А.И. Булатов

B.Г. Гераськин, В.М. Сугак, A.B. Злоказов, В.А. Мордовии, A.B. Шостак //

Щ 'f

Сборник научных трудов СКО Российской инженерной Академии «Гипотезы, поиск, прогнозы». - Краснодар, 1997. - С. 71 -99 (автора- 1,2 пл.).

5. Анализ применения КНБК для стабилизации и набора зенитного и дирекционного угла в процессе бурения скважины на Кущёвском ПХГ / В.Г. Гераськин, В.М. Сугак, A.B. Шостак // Сборник научных трудов СКО Российской инженерной Академии «Гипотезы, поиск, прогнозы». - Краснодар, 1997. - С. 220 - 228 (автора - 0,3 пл.).

6. Анализ технико-экономических показателей по скважинам с горизонтальным окончанием ствола, пробуренным на Кущёвском ПХГ в 19951996 годах / В.Г. Гераськин, A.B. Злоказов, В.А. Мордовии. A.B. Шостак // Сборник научных трудов СКО Российской инженерной Академии «Гипотезы, поиск, прогнозы». - Краснодар, 1997. - С. 228 - 236 (автора - 0,3 пл.).

7. Упрощённый способ определения проходимости компоновки низа бурильной колонны на участках набора кривизны бурящейся скважины при турбинном способе бурения / Е.С. Безрукова, В.Г. Гераськин, A.B. Шостак // Сборник научных трудов СКО Российской инженерной Академии «Гипотезы, поиск, прогнозы». - Краснодар, 1998. - С. 93 - 96 (автора - 0,15 пл.).

8. Особенности бурения горизонтальной скважины 12 Исаковская в Калининградской области / Ю.М. Басарыгин, В.Ф. Будников, А.И. Булатов, В.Г. Гераськин, В.А. Мордовии, A.A. Нижегородов, В.М. Стрельцов,

A.M. Черненко, A.B. Шостак, P.C. Яремийчук // Сборник научных трудов СКО Российской инженерной Академии «Гипотезы, поиск, прогнозы». -Краснодар, 2000. - С. 4.-46 (автора - 1 пл.).

9. Пат. № 2 228 421 РФ, С2 Е 21 В 7/08. Отклонитель регулируемый / Басарыгин Ю.М., Будников В.Ф., Гераськин В.Г., Дмитриев И.А., Стрельцов

B.М., Черненко A.M., Шостак A.B. (Россия) - № 2002106328; Заявлено

11.03.2002; Опубл. 10.05.2004, Бюл. № 13.

10. Пат. № 2 303 117 РФ, С2 Е 21 В 7/08. Отклонитель регулируемый / Баканов Ю.И., Гераськин В.Г., Дмитриев И.А., Снегирев С.Н., Стрельцов В.М., Шостак A.B. (Россия) - № 2005103061/03; Заявлено 07.02.2005; Опубл. 20.07.2007, Бюл. № 20.

Подписано в печать 07.11.2011. Печать трафаретная. Формат 60x84 '/,6. Усл. печ. л. 1,35. Тираж 100 жз. Заказ № 561. Отпечатано в ООО «Издательский Дом-Юг» 350072, г. Краснодар, ул. Московская 2, корп. «В», оф. D-120, тел. 8-918-41-50-571

e-mail: olfomenko@yandex.i-u Сайг: http://id-yug.narod2.ru