Бурение горизонтальных скважин

Введение

Минерально-сырьевые проблемы в конце XX и в начале XXI века становятся острейшими глобальными. Они жизненно важны для всех без исключения стран мира и должны рассматриваться, исходя из общих экономических и политических тенденций, сложившихся на современном этапе.

Научно-техническая революция во второй половине XX века привела к огромному потреблению нефти и газа. В настоящее время мировая годовая добыча нефти и газа составляет соответственно 3 млрд. т и 1,8 трлн. м3.

Экономический потенциал государств становится все более зависимым от наличия национальных энергетических ресурсов или возможности их импортирования. Правительства многих стран, в том числе и российское, стали рассматривать обеспечение бесперебойного снабжения углеводородным сырьем как одну из важнейших задач внутренней политики.

С начала разработки месторождений из недр России извлечено 12,7 млрд. т нефти и конденсата и 6,5 трлн. м3 газа. Однако за последние годы наметился значительный спад добычи нефти. Так в 1990 г. добыча упала на 53 млн. т, в 1991 г.-- свыше 100 млн. т, а в 1992 г. падение достигло около 200 млн. т. На это повлияли не только экономические и технические условия эксплуатации нефтяных месторождений в основных нефтедобывающих районах, но и геологические.

За последние 20 лет средние запасы новых месторождений уменьшились в 4 раза, доля крупных месторождений среди вновь открываемых снизилась с 15 до 10 %, ухудшаются коллекторские свойства продуктивных отложений и качественный состав насыщающих их флюидов.

Существенно осложнились геологические условия на объектах проведения поисковых и разведочных работ. В большинстве регионов ресурсы нефти и газа до глубины 2,5...3,0 км уже разведаны и многие из них давно эксплуатируются.

Высокая выработанность запасов является неизбежным следствием обводнённости продукции и снижением дебитов скважин. Так, по России в целом за 10 лет (1980--1991 гг.) структура разрабатываемых запасов по дебиту скважин изменилась следующим образом (Табл. 1).

Таблица 1

Несмотря на относительное благополучие в добыче газа, лет через пять аналогичные проблемы будут и в газовой промышленности.

Более полное извлечение богатств из наших недр является важнейшей народнохозяйственной задачей. Но, к сожалению, при разработке месторождений из-за несовершенства техники и технологии в недрах остается большое количество полезных ископаемых. При этом самым низким коэффициентом извлечения их характеризуются нефтегазовые месторождения. Из мировой практики известно, что нефтеотдача этих месторождений не превышает 30...40 %.

При разработке этих месторождений применяются различные методы воздействия на пласт (законтурное и внутриконтурное заводнение пластов, тепловые и физико-химические методы, гидроразрыв пласта и др.) и, несмотря на это, в среднем более половины геологических запасов нефти остаются неизвлечёнными и считаются "похороненными".

Разбуривание нефтяных и газовых месторождений наклонным способом и особенно горизонтальными (ГС) и разветвлённо - горизонтальными скважинами (РГС) является эффективным методом формирования оптимальной системы разработки, а также восстановления продуктивности месторождений, находящихся на поздней стадии эксплуатации.

Вскрытие продуктивной толщи горизонтальными и разветвленно-горизонтальными стволами скважин увеличивает площадь фильтрации, исключает возможность поступления воды в процессе эксплуатации и оно особенно эффективно для низкопроницаемых коллекторов, а также коллекторов с вертикальной трещиноватостью.

Краткий исторический обзор проблемы

В своем докладе "Горизонтальные и разветвленно-горизонтальные скважины -- рычаг повышения производительности и нефтеотдачи пластов" (1991 г.) почетный член Академии Естественных наук РФ Н. К. Байбаков подробно осветил состояние дел по этой проблеме в России и за ее пределами. Поэтому воспользуемся некоторыми сведениями из его доклада. Этот метод впервые разработан и успешно реализован в отечественной практике в начале 50-х гг., однако, в дальнейшем он к сожалению не получил широкого применения.

Первый этап развития этого метода распространяется с 1950 по 1960 it. (первый опыт бурения в СССР). Первые экспериментальные работы (по методу А. М. Григоряна) были успешно осуществлены в 1952--1953 гг. на Карташевском месторождении в Башкирии, когда была сооружена первая горизонтально -разветвленная скважина № 66/45 (рис. 1, Табл. 2). В этой скважине почти 80 % всей проходки было пройдено непосредственно по продуктивному пласту. Скважина имела 10 резко искривленных стволов. При ее вертикальной глубине 600 м общая протяженность скважины составила 1993 м, из которых 1768 м было пройдено непосредственно по продуктивному пласту. Максимальное расстояние между забоями составило 322 м, а наиболее протяженный горизонтальный ствол имел длину 168 м. Дебит нефти составил 120 т/сут, в том время как средний дебит по вертикальным скважинам на этом месторождении составил 7 т/сут. Правда, скорость бурения была ниже в 1,2 раза и бурение дороже в 1,5 раза, но при этом дебит был выше в 17 раз.

1959--1960 гг. -- начало развития теоретических воззрений на гидродинамические процессы, возникающие при бурении ГС. Во ВНИИнефть были проведены гидродинамические исследования по разработке нефтяных месторождений с помощью горизонтальных и многозабойных скважин. Были созданы теоретические основы фильтрации и нефтеотдачи пластов в таких скважинах, изложенные Ю. П. Борисовым, В.П.Пилатовским, В.П.Табаковым в их монографии "Разработка нефтяных месторождений горизонтальными и многозабойными скважинами" (М.: Недра, 1964 г.).

Рисунок 1 Горизонтальные стволы скважины № 66/45, 1953г

Второй этап развития бурения охватывает 1961--1978 гг. До 1970 г. во ВНИИБТ под руководством А. М. Григоряна группой специалистов была разработана теория бурения таких скважин и эффективная технология их проводки. А. М. Григорян подвел итог этим работам в своей монографии, которую выпустил в 1969 г. Во ВНИИБТ в это время был разработан и создан целый ряд технических средств, которые успешно были применены при бурении ГС и РГС в быв. Куйбышевской области, на Западной Украине, Восточной Сибири (Марковская разведочная с отклонением горизонтального ствола, равным 632 м и одним разветвлением) (рис. 2) и многие другие.

Рисунок 2 Марковская разведочная РГС

Семидесятые годы -- начало промышленного бурения ГС за рубежом. Лидером бурения ГС стал Французский институт нефти (ФИН), специалисты которого взяли за основу исследования советских ученых - нефтяников в области бурения и разработки нефтяных месторождений с помощью ГС и многозабойных скважин (МЗС), а также фирма "Эльф-Акитен".

В связи с определенной технической и технологической сложностью строительства ГС зарубежными фирмами были резко увеличены ассигнования на научно-исследовательские работы по горизонтальному бурению. За короткие сроки были сконструированы, прошли промышленные испытания и появились на рынке новые забойные двигатели, долота, телесистемы и другое оборудование, позволяющее достигнуть высоких технико-экономических показателей при бурении ГС. Была решена проблема проведения геофизических исследований в горизонтальных стволах.

К сожалению у нас в стране из-за того, что резко увеличилась добыча нефти (относительно дешевой) в Западной Сибири, снизился также резко и интерес к бурению РГС и ГС. Наша российская технология не внедрялась. Было упущено время.

С 1978--1979 гг. начинается третий этап. В эти годы резко возрастает интерес к бурению ГС в США, так как этот вид бурения становится экономически выгодным с использованием даже обычного, традиционного оборудования. Опыт эксплуатации ГС на нескольких месторождениях уже к 1982 г. показал, что они обладают большими потенциальными возможностями для обеспечения наиболее полного извлечения из недр углеводородов особенно там, где традиционные методы не дают эффекта, т. е. мало применимы.

Таблица 2.

Большие работы по внедрению бурения ГС начались в шельфовой зоне Севеного моря. Развитие работ во Франции в эти годы стимулируются необходимостью разработки нефтяных месторождений Лак-Супериор и Кастера-Му (глубина 3 км), а также шельфового месторождения Распо-Маре (Италия), расположенного на Адриатике, где высоковязкая нефть находилась в карстовых ловушках. В это время фирма "Эльф-Акитен" устанавливает рекорды. Им удается пробурить скважину с длиной горизонтального ствола в 2 км и достичь 15-кратного увеличения дебита на одной из ГС месторождения Распо-Маре по сравнению с соседними вертикальными скважинами.

Четвертый этап начался в 1985--1986 гг. Центр бурения ГС уверенно переместился в США. Успехи фирмы "Эльф-Акитен" вызвали огромный интерес многих нефтяных фирм США. Начинается активное разбуривание горизонтальными скважинами месторождения Прадхо Бей, сложенного низкопроницаемыми известняками. Резко возросли объемы бурения ГС в шельфовой зоне Северного моря (Дания, Норвегия, Англия).

К 1989 г. в США пробурено уже 51 ГС и 30--в Европе. На 12-м Международном нефтяном конгрессе в Хьюстоне (1987 г.) значительное число докладов было посвящено бурению ГС и результатам их использования для разработки нефтяных и газовых месторождений. В сводном докладе, представленном на Конгрессе французскими и американскими специалистами было предложено осуществлять бурение ГС по трем методам: с малым (6...45 м), средним (40.. .100 м) и большим (300... 600 м) радиусами кривизны.

В настоящее время бурение горизонтальных и разветвленно-горизонтальных скважин успешно применяется в большинстве нефтедобывающих стран, таких как США, Франция, Канада, Дания и др. В США в 1990 г. было уже пробурено 2000 скважин, а к 2000 г. планируется пробурить до 20 тыс. таких скважин.

При строительстве ГС достигнуты высокие результаты в технике и технологии бурения и, особенно, в телеметрическом контроле за траекторией ствола скважины. Максимальная длина горизонтального участка скважины при этом в Калифорнии достигла 3865 м. В 1990 г. в США благодаря горизонтальным скважинам добывалось дополнительно 16 тыс. т нефти в сутки. Бурением ГС занимается свыше 50 фирм и компаний в более чем 20 странах мира. Основные из них -- "Стандарт-Ойл" (Норвегия), "Арко" (Дания), "Истмен Кристенсен" (США), "Пройсаг" (ФРГ), "Тедси", "Бритиш Петролеум" (Англия), "Эльф-Акитен" (Франция), "Эльф-Италия", "Сперисан"(США), "Анадрилл"(США) и др.

В нашей стране на территории бывшего Советского Союза пробурено 207 горизонтальных скважин. В России в 1990 г. было сооружено 12 ГС, в 1991 г.--44 (в том числе в Западной Сибири 13). В 1992 г. пробурено 32 ГС.

По данным производственных нефтяных организаций дебит освоенных скважин в 3... 10 раза превышает дебит соседних вертикальных и наклонных скважин. За последние годы в соответствии с программой "Горизонт" организовано бурение ГС в ПО Саратовнефтегаз, Башнефть, Татнефть, Нижневолжскнефть, Коминефть, Сахалинморнефтегаз, Нижневартовскнефтегаз, Томскнефть, Пермнефть и др.

В Западной Сибири создано специализированное буровое предприятие по горизонтальному бурению в Нижневартовске (Инженерный центр по сервисному комплексному информационному обеспечению), совместное предприятие "Сибирский Сперри-Сан" в Нефте-Юганске. Подобные центры созданы в Башкирии, Саратовской области, г.Оренбурге, г.Сургуте и др. районах.

Некоторые данные по пробуренным ГС представлены на рис. 6, а рост числа горизонтальных скважин по мировому прогнозу представлен на рис. 7.

Горизонтальное и разветвленно-горизонтальное бурение - метод резкого повышения нефтегазоотдачи пластов

В последние годы новые технологии, основанные на горизонтальном бурении, произвели настоящую революцию в практике и теории нефтедобычи. Дебиты скважин, имеющих горизонтальные окончания большой протяженности, значительно возросли. В результате разрядились сетки скважин, снизились депрессии, значительно увеличилось время безводной эксплуатации, изменились категории запасов, считавшиеся ранее неизвлекаемыми, которые в настоящее время могут эффективно извлекаться в промышленных масштабах, повысилась эффективность многих старых методов воздействия на пласт при их реализации с помощью горизонтальных скважин. По многим показателям достигнуты впечатляющие результаты.

На рис. 8 показано преимущество горизонтального бурения по сравнению с вертикальным в отношении отрицательного влияния подошвенных вод на качество извлечения углеводородов. Вертикальная, а также и наклонная скважины, попадая в продуктивный пласт, зачастую вскрывают и подошвенную воду, В то время, как горизонтальную скважину направляют в продуктивном горизонте выше этой подошвенной воды.

При режимах с неподвижными контурами принимается равномерная сетка размещения скважин на площади. После выбора схемы размещения скважин на площади определяют возможные варианты разработки данной залежи. Для этого задаются различными числами рядов, а для каждого ряда -- различными расстояниями между скважинами.

Для каждого варианта размещения скважин на площади производятся гидродинамические расчеты по определению текущих дебитов скважин во времени, текущего и суммарного отбора нефти из залежи, срока разработки залежи и т. д. При этом учитываются ресурсы естественной пластовой энергии, а в случае необходимости предусматривается восполнение этой энергии извне.

Следует заметить, что в случае разбуривания залежи горизонтальным, а еще лучше разветвленно-горизонтальными скважинами резко упрощается система разработки месторождения, поэтому становятся дешевле и работы по его эксплуатации.

Известно, что в горной породе нефть фильтруется десятки лет на сотни метров сквозь мельчайшие поры пласта от периферии к забоям скважин, встречая часто на своем пути естественные преграды. Эти преграды либо естественные, литологические или тектонические экраны, либо застойные зоны с низкими градиентами давления в фильтрационном поле, либо "языки" воды, прорвавшиеся и разрезавшие нефтяное поле и т. п., и являются основной причиной потерь огромных запасов нефти в пластах. В недрах остаются миллиарды тонн "остаточной" нефти.

К сожалению не разрабатываются многие месторождения с большими запасами углеводородов, но с низкими коллекторскими свойствами или с тяжелой нефтью, где малые дебиты не оправдывают затрат на бурение.

Рисунок 8 Схема подтягивания водонефтяного контакта (ВНК) при разработке залежей с подошвенной водой

Вследствие огромной конкуренции на нефтяном и газовом рынке в настоящее время требуется резко снизить себестоимость добываемых углеводородов путем коренного усовершенствования дренажных способностей коллекторов. Такому требованию удовлетворяет разветвленно-горизонтальное бурение (РГ). Основным направлением применения разветвленно-горизонтального бурения у нас в стране должно стать возрождение старых нефтяных месторождений и извлечение из них оставшихся запасов нефти (которые составляют до 60.. .80 % от начальных запасов). По мере развертывания работ, развития техники и технологии, приобретения опыта, эта технология будет постепенно переноситься и на другие объекты (залежи с нефтяными оторочками, высоковязкие нефти, плотные коллекторы и др.). С 1949 по 1980 гг. в 13 районах, на 30 площадях бывшего Советского Союза пробурено 110 РГ скважин при глубинах по вертикали от 400 до 2300 м, в том числе 57 эксплуатационных, 35 разведочных, 8 противофонтанных, 10 водо-понизительных и нагнетательных скважин.

В разветвленных скважинах забурено 320 дополнительных стволов общей протяженностью 175440 м, в том числе забурено 210 резко искривленных ответвлений с общей проходкой 21000 м из "открытого" ствола. Максимальная интенсивность искривления достигла 10...12VIO м проходки. Максимальная длина горизонтального участка 632 м.Технологические модели систем разработки ГС представлены на рис. 9.

Примером мощного прироста добычи нефти за счет применения РГС является разработка одной залежи объединения Бориславнефть (Западная Украина), эксплуатировавшейся ранее 43 года (с 1914 г.) очень густой сеткой скважин с расстоянием 90... 100 м.

Рисунок 9 Технологические модели систем разработки ГС

Суточные дебиты там составляли 0,05...2 т/сут после "истощения' залежи, в 1957 г. были пробурены 4 РГС, которые дали дебит в 8...14 раз выше самой высокодебитной старой вертикальной скважины. За 15 лет работы эти 4 скважины дали 47,2 % добытой нефти. Таким образом, нефтеотдача повысилась на 50 пунктов.

Рост дебита горизонтальных скважин по сравнению с вертикальными для различных месторождений мира приведен в табл. 3.

Основные направления в решении проблемы бурения горизонтальных и разветвленно-горизонтальных скважин

Для кардинального решения проблемы качественного и эффективного бурения горизонтальных и разветвленно-горизонтальных скважин необходимо:

исследовать гидродинамику пласта нефтяных и газовых залежей различных типов с целью создания оптимальных систем разработки нефтяных и газовых месторождений ГС и РГС;

исследовать напряженное состояние горных пород, вскрываемых этими скважинами и механику формирования ствола породоразрушающими инструментами различных типов;

разработать систему оптимального управления траекторией глубоких ГС и РГС для различных геологических условий и способов бурения;

разработать эффективную технологию бурения, вскрытия пластов и крепления ГС и РГС и особенно обратить внимание на разработку специальных буровых и тампонажных растворов и гидродинамические особенности их работы в этих условиях;

разработать эффективные технические средства (отклоняющие, ориентирующие, стабилизирующие и измерительные) для бурения ГС и РГС.

Кроме того, необходимо разработать технику и технологию бурения горизонтальных скважин для нефтегазопроводов под реками и другими препятствиями. Это тоже является проблемным вопросом горизонтального бурения.

Таблица 3 Рост дебита горизонтальных скважин