Процесс расширения ствола является распространенной и немаловажной операцией при строительстве скважины. Эта операция позволяет снижать риски возникновения аварийных ситуаций в процессе крепления стенок, а также позволяет увеличить дебит за счет возможности спуска в скважину максимально доступной колонны обсадных труб.
Развитие технологий бурения и проводки, увеличение глубин залегания углеводородов и необходимость роста производительности скважин придают задаче по увеличению диаметра ствола пробуренной скважины все большую актуальность. Расширители различного типа находят повсеместное применение как при ремонте существующего фонда скважин, например, при ЗБС, так и при освоении шельфовых месторождений, где вопросы повышения эффективности и безопасности приобретают особую важность.
Основные преимущества, которые дает увеличение диаметра скважины:
- упрощение спуска колонн и возможность применения промежуточной обсадной колонны большего диаметра в процессе бурения благодаря расширению стволов скважин ниже мест сужения обсадной колонны;
- снижение риска возникновения аварий, вызванных гидравлическими ударами, за счет эффективного регулирования эквивалентной плотности циркулирующего бурового раствора при уменьшении скорости потока в затрубном пространстве;
- упрощение операций заканчивания скважин с открытым стволом, скважин с применением гравийных фильтров и хвостовиков большего размера;
- оптимизация цементировочных работ.
Для выполнения операций по расширению ствола скважины могут использоваться буровые инструменты, имеющие различные принципы работы. В общем случае все инструменты можно разделить на две крупные группы по признаку возможности изменения рабочего диаметра инструмента в процессе выполнения работ. При таком разделении в одну группу попадут инструменты с фиксированным диаметром инструмента, такие как бицентричные долота и наддолотные эксцентриковые калибраторы, а в другую - инструменты с изменяющимся диаметром рабочих органов, или расширители. Первые имеют рабочий диаметр, ограничиваемый диаметром проходного отверстия обсаженной части скважины, вторые же характеризуются возможностью увеличения диаметра рабочих элементов уже после спуска в скважину. Преимущества и недостатки инструментов обоих типов представлены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительная характеристика инструментов для расширения ствола скважины
|
№ |
Инструмент с фиксированным диаметром рабочих элементов (бицентричные долота и эксцентриковые калибраторы) |
Инструмент с изменяемым диаметром рабочих элементов (расширители) |
||
|
Преимущества |
Недостатки |
Преимущества |
Недостатки |
|
|
1 |
Простота технологической операции и конструкции оборудования |
Ограниченная степень расширения - оптимально не более 10% исходного диаметра |
Возможность увеличения ствола до 25% от исходного диаметра |
Более сложная и дорогая конструкция |
|
2 |
Не необходимости проведения дополнительных СПО |
Нестабильность работы - высокие вибрации отклонения от оси скважины |
Стабильность и сбалансированность конструкции - снижены вибрации и удары |
Желательно проведение расширения пробуренного интервала отдельным рейсом |
|
3 |
Возможность расширения всего интервала до требуемой глубины |
Сложность работы в наклонных и горизонтальных стволах |
Стабильность работы измерительного оборудования (MWD) |
Остаётся нерасширенный участок на длину компоновки ниже расширителя |
|
4 |
Осложненная работа инструментов измерения в процессе бурения (MWD) |
Соосность расширенного ствола с исходным |
Необходимость создания и поддержания повышенных давлений при активации шаром |
|
|
5 |
Слабый контроль за направлением при бурении ЗД |
Полный контроль за направлением бурения |
||
Несмотря на ощутимый эффект применения расширителей при строительстве скважин, следует помнить, что данная операция сложна и может приводить к прихватам и затяжкам. По данным некоторых специалистов, до 20% всех прихватов происходит именно в процессе расширения ствола скважин.
Успех и качество данной операции во многом зависит от качества и технологичности используемого оборудования, поэтому необходимо особенно тщательно подходить к выбору применяемого инструмента. Экономия на оборудовании может привести к значительным потерям средств как в случае возникновения осложнений при проведении работ по расширению, так и при последующих операциях - спуске обсадной колонны или концевика и цементировании.
На протяжении многих лет достаточно простые конструкции расширителей удовлетворяли потребности нефтяной промышленности. Однако с началом активного применения направленного бурения, значительным увеличением протяженности и усложнением геометрии скважин возникла потребность в использовании современных высокотехнологичных инструментов, отвечающих всем требованиям высокопроизводительного бурения - так началась эра современных расширителей, которые уже успели получить повсеместное распространение.
Наряду с уже хорошо себя зарекомендовавшими инструментами с механическим и гидравлическим принципом активации, появились и инновационные устройства с радиочастотной активаций (RFID). Данный метод, к примеру, позволяет значительно расширить области применения расширителей и снизить стоимость проведения работ, обеспечивая возможность многократной активации и деактивации инструмента в процессе бурения, что позволяет исключить необходимость многократного проведения СПО для расширения различных интервалов в одной скважине.
Первым таким расширителем, активирующимся в скважине с применением метода радиочастотных меток, стал инструмент RipTideTM компании Weatherford, вобравший в себя весь накопленный компанией опыт эффективного конструирования расширителей различных типов. Стоит отметить, что надежность работы и возможность применения различных методов активации бурового расширителя RipTide обеспечивается его конструктивными особенностями (рис. 1).
Рисунок 1. Варианты конструкции расширителя RipTide
Двухкомпонентная конструкция расширителя, состоящая из контроллера и тела расширителя, позволяет адаптировать его компоновку под конкретные задачи. Рабочие характеристики расширителя регулируются такими параметрами, как диаметр тела расширителя, размер резцов, диаметр омывающих насадок, а также метод активации. Более простой способ активации сбрасываемым шаром применим для однократной активации инструмента за один спуск, а применение радиочастотной активации актуально при работе на больших глубинах или при расширении нескольких интервалов за одну СПО.
К преимуществам расширителя RipTide также следует отнести сбалансированность конструкции блока резцов, состоящего из трех разнесенных на 120° режущих головок, что обеспечивает значительное снижение вибрации инструмента в процессе бурения. В свою очередь, резцы, профиль и вооружение которых подбирается для конкретных условий бурения, оснащены высокопрочными премиальными поликристаллическими, или PDC, вставками, характеризующимися высокой ударной прочностью и эрозионной стойкостью (варианты конструкции резцов и поликристаллических вставок приведены на рис.2). А широкое разнообразие типоразмеров расширителя RipTide позволяет выполнять работы по расширению интервалов скважин практически любой конструкции.
Рисунок 2. Варианты конструкции резцов
.jpg)
Конструктивные особенности расширителей RipTide определяют его следующие преимущества:
- Совместимость с роторными управляемыми системами
Расширитель RipTide может эксплуатироваться с роторными и роторными управляемыми системами (РУС), причем как в вертикальных, так и в наклонных скважинах. Совместимость с РУС позволяет использовать инструмент при выполнении работ по наклонно-направленному бурению на протяженных интервалах бурения.
Примером использования расширителя RipTide 8500 с РУС может служить работа, проведенная специалистами Weatherford на месторождении в Восточной Сибири в феврале 2015 года. Она заключалась в бурении скважины с одновременным расширением ее ствола. Решение об установке расширителя в КНБК РУС было принято с целью уменьшения рисков прихватов компоновки в результате подвижек нестабильных пород в процессе бурения. Данное решение было принято как альтернатива использованию дорогостоящего раствора на углеводородной основе (РУО).
При выполнении работ с использованием расширителя RipTide 8500, активируемого шаром, за один рейс было пройдено 458 м в породах Булайской и Бельской свит различной крепости (от 5% до 95%). Бурение под эксплуатационную колонну диаметром 215,9 мм проводилось с последующим расширением ствола до 228,6 мм. В качестве вооружения расширителя применялись блоки резцов для средних пород с PDC вставками размерами 9,5 мм.
В процессе реализации проекта были выбраны следующие режимы:
- нагрузка на долото - 8-15 тонн;
- обороты ротора - 120-160 об/мин;
- расход насосов 2000-2200 л/мин.
При таких показателях средняя скорость бурения превысила 20 м/ч.
Износ вооружения расширителя после его подъёма на поверхность приведён на рисунке 3.
Рисунок 3. Внешний вид расширителя и износ вооружения блока резцов до и после рейса
Относительно невысокая скорость бурения была вызвана значительной неоднородностью пород в указанном интервале, что приводило к возникновению вибраций и вынуждало снижать нагрузки на долото. Несмотря на это, общий результат работы показал хорошие механические характеристики при бурении с одновременным расширением ствола скважины, а также продемонстрировал высокую надёжность и безотказность конструкции расширителя (рис. 4).
Рисунок 4. Сбалансированная конструкция блока резцов
Другим примером эффективного использования расширителей является совместное применение бурового расширителя RipTide и расширяемого хвостовика MetalSkin® на морской скважине с большим углом отклонения в Мексиканском заливе. Буровой расширитель RipTide серии 6000 размером 6,5 дюймов был применен для проработки и расширения ствола скважины до 7 дюймов на участке длиной 227 м, после чего был успешно установлен 6×7 5/8-дюймовый хвостовик для необсаженных скважин MetalSkin с целью изоляции участка сланцевых пород, набухающих под воздействием воды. Расширяемый хвостовик MetalSkin длиной 277 м был установлен на глубине 2573-2850 м с нахлестом 41 м без цементирования. В результате применения указанных технологий был получен достаточно большой диаметр проходного канала, что позволило оператору преодолеть зону полной потери циркуляции с помощью 5 7/8-дюймового бурового долота. Кроме того, механический барьер также позволил оператору использовать морскую воду вместо бурового раствора на нефтяной основе и успешно достичь проектной глубины.
- Различные варианты исполнения корпуса расширителя
Конструкция расширителя позволяет подобрать оптимальную компоновку расширителя и выбрать один из предпочтительных методов активации - механический или радиочастотный. К настоящему моменту в базе операций компании Weatherford насчитывается порядка 3000 работ с применением расширителей RipTide, при этом на начало 2015 года свыше 400 работ по всему миру было проведено с применением расширителей RipTide, активируемых радиочастотными датчиками RFID. При этом реализовывались проекты для крупнейших мировых нефтегазовых компаний.
- Способы активации
Расширитель RipTide может быть активирован как при помощи традиционного механизма падающего шара, так и с помощью электроники, когда небольшие, но очень прочные датчики RFID внутри бурильной трубы передают информацию на электронный считыватель, расположенный на контроллере инструмента (рис. 5). Модель бурового расширителя RipTide с радиочастотной активацией (RFID) - это первый в отрасли автоматический буровой расширитель.
Рисунок 5. Радиочастотный датчик RFID
В случаях, когда стоимость эксплуатации буровой велика и перед буровыми бригадами стоят задачи минимизации непроизводственного времени, например, при бурении на шельфе, то буровые компании-подрядчики и операторы месторождений все чаще обращают внимание на расширители с возможностью многократной активации и деактивации блоков резцов при бурении без проведения СПО.
Основное преимущество такой технологии очевидно на примере проведенной работы на месторождении Оугурук на Аляске, где применение бурового расширителя RipTide компании Weatherford позволило пробурить ствол скважины диаметром 10 5/8 дюйма и расширить его до 11 ¾ дюймов, обеспечив дополнительное затрубное пространство для спуска хвостовика диаметром 9 5/8 дюйма всего за одну СПО.
Для решения поставленной задачи компанией Weatherford был использован расширитель RipTide с RFID серии 10625, спущенный совместно с РУС, благодаря чему удалось расширить промежуточную часть ствола скважины в интервале 2124-2577 м, пройдя 452,63 м сланцевых пород с пропластками аргеллитов и песчаника и осуществив за один спуск пятикратную активацию инструмента: при наземных испытаниях, ниже башмака диаметром 11 ¾ дюйма, на башмаке для короткой проработки, на проектной глубине и при наземных испытаниях после подъёма. Результатом данной работы для оператора стал успешный и безопасный спуск обсадной колонны диаметром 9 5/8 дюйма до проектной глубины.
В целом, такие технологические решения Weatherford, как бурение с одновременным расширением ствола скважин и возможностью многократной активации инструмента, наряду с приемлемой стоимостью услуг позволяют заказчикам компании находить все новые возможности для оптимизации проектов и сокращения их себестоимости.
Автор: Анатолий Шлапаков, к.т.н., менеджер по аренде высокотехнологичного бурового инструмента, Weatherford Россия
