Хотя сегодня большинство скважин бурится вертикально, различия в литологии и недостатки КНБК приводят к тому, что большинство из 100 тыс. скважин, пробуриваемых ежегодно, хотя бы незначительно отклоняются от строго вертикальной траектории. Подобные отклонения могут иметь серьезные последствия, если на поверхности скважина расположена вблизи границы землевладения или проблемного пласта, а траектория скважины смещается за эту границу. Даже те скважины, которые практически не отходят от вертикали, могут иметь закрученный или извилистый ствол. Менее прочные пласты с прослоями твердых пород могут вызывать резкие изменения угла траекторий скважин (высокую локальную интенсивность набора кривизны) при любом наклоне. Возможно, степень отклонения и извилистости ствола станет известна только при неудачных попытках достичь конечной глубины при проведении каротажа или спуске обсадной колонны из-за чрезмерного трения.
В подавляющем большинстве случаев причиной подобного непреднамеренного, и иногда весьма значительного, отклонения является наличие наклонных пластов. Без специальных методов или технологий бурения траектория скважины будет проходить не вертикально, а по пути наименьшего сопротивления, то есть, по направлению падения пласта. Такая ситуация осложняется при увеличении скорости проходки за счет повышения нагрузки на долото до максимума. С другой стороны, снижение нагрузки на долото для контроля отклонения может привести к уменьшению скорости проходки. Даже при принятии мер по минимизации отклонения часто бывает необходимо осуществить дополнительный рейс для возврата ствола скважины к вертикали.
Как правило, для этого используется управляемый забойный двигатель в комбинации с долотом PDC. Хотя в последнее время технология долот PDC сделала большой шаг вперед, управляемое бурение с такими долотами может происходить медленно и с затруднениями. Часто требуется использовать более легкое долото для предотвращения заклинивания, но при этом теряется время на переориентацию торца бурильного инструмента в соответствии с направлением коррекции. Оба этих фактора значительно снижают эффективность бурения, а скорость проходки может упасть более чем на 50%.
СИСТЕМЫ ВЕРТИКАЛЬНОГО БУРЕНИЯ
Автоматизированные системы вертикального бурения могут значительно повысить экономические показатели путем автоматической коррекции отклонений и сокращения временных затрат на бурение прямых участков ствола. Кроме того, эти системы предусматривают создание «легких» конструкций скважин, т.е. с верхней и промежуточной колоннами значительно меньшего диаметра, чем для стандартного профиля обсадной колонны, но с сохранением возможности использования эксплуатационной колонны с эквивалентным диаметром. Гладкий, полноразмерный вертикальный или наклонный ствол позволяет спускать обсадную колонну с минимальным зазором, чем и достигается «легкость" профиля. На бурение ствола с меньшим диаметром, как правило, уходит меньше вре мени, а расходы на трубы, цемент и удаление бурового шлама снижаются на величину до 30%.
Система вертикального бурения V-Pilot™ является новым устройством для бурения прямолинейных стволов в условиях высоких температур и жестких сред. Работа системы основана на гидромеханическом принципе, который обеспечивает автоматическую коррекцию траектории при отклонении от вертикали на доли градуса.
При использовании для бурения прямолинейных участков, система V-Pilot позволяет операторам осуществлять бурение с большей нагрузкой на долото для повышения скорости проходки. Кроме того, эта система менее чувствительна к вибрации, возникающей при бурении в тяжелых условиях, поскольку не имеет встроенной электроники. Как правило, самым проблемным компонентом при бурении в условиях вибрации и/или высоких температур является именно электроника.
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ
Система состоит из подсистемы контроля вертикали и винтового забойного двигателя. Четыре вертикальные лопасти, равномерно размещенные по окружности инструмента, установлены вблизи бурового долота, обеспечивая плавную коррекцию направления ствола скважины. Гравитационные клапаны направляют жидкость на один или два башмака для создания корректирующего усилия. Хотя система разработана специально для применения с новым поколением высокопроизводительных прямостенных забойных двигателей, ее можно использовать и с традиционными забойными двигателями, чтобы достичь лучшего соответствия с гидравлической мощностью небольших буровых установок.
Система V-Pilot оснащена удлиненными спиральными наддолотными стабилизаторами для достижения высокого качества ствола и устранения или существенного снижения формирования спиралей и уступов даже при большой нагрузке на долото, повышая, таким образом, общую эффективность бурения. Опыт с удлиненными долотами и другими усовершенствованными буровыми системами показал, что затраты времени на расширение ствола сокращаются, а срок службы долота значительно возрастает. В результате, по сравнению с традиционными методами бурения, сокращаются непроизводительные затраты времени и продолжительность бурения. В систему встроено механическое устройство, реагирующее на отход от вертикали менее чем на 0,2°. При тяжелых условиях бурения, типичных для твердых пластов, возникает сильная вибрация бурильной компоновки. Конструкция механической системы обеспечивает минимизацию трения и намного более существенную амортизацию, позволяя V-Pilot реагировать на самые незначительные углы наклона. Поскольку система полностью механическая, температура не влияет на ее производительность. Кроме того, она эффективно гасит вибрацию, исключая ее эффект на чувствительность системы к наклону ствола. Система активации открывает и закрывает клапаны, передающие гидравлическое давление на одну или две лопасти. Установку этого давления можно настраивать в мастерской в соответствии с условиями бурения. Гидравлическая система может создавать крайне высокие боковые усилия для преодоления самых высоких естественных отклоняющих сил. Лопасти находятся во втянутом состоянии до того момента, как потребуется корректировка, что увеличивает срок их службы и уменьшает сопротивление в скважине. Подсистема контроля вертикали соединена с объемным забойным двигателем. Масляные камеры системы V-Pilot механически изолированы от вращающихся компонентов. Единственными уплотнениями в инструменте являются статические уплотнения, рассчитанные на температуру до 200°C. Все масляные камеры сбалансированы по давлению. Они выдерживают высокое гидростатическое давление и обеспечивают компенсацию теплового расширения масла.
ВЫСОКАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
Для бурения в очень твердых толщах, часто присутствующих в предгорьях, конструкция системы предусматривает возможность применения высокопроизводительных прямостенных двигателей. Эта технология обеспечивает высочайшую скорость проходки при максимальной нагрузке на долото и требуемом крутящем моменте. Двигатели выбираются по критериям наибольшего соответствия характеристикам буровой установки и геологическим условиям. Система V-Pilot состоит из двух модулей, что позволяет менять двигатель непосредственно на буровой, учитывая особенности пласта и долота. Система коррекции в VPilot работает автоматически, без вмешательства оператора. Гидромеханическая система не нуждается в компьютерах, кабелях или квалифицированных операторах. Инклинометрия может проводиться с помощью систем MWD, либо путем периодических измерений с помощью извлекаемого инклинометра.
Инструмент выходит из режима автоматической коррекции, когда скорость вращения колонны превышает 25 об/мин. Тогда башмаки автоматически втягиваются. Это позволяет инструменту действовать как традиционная гладкая компоновка и осуществлять расширение ствола снизу вверх. Удержание лопастей во втянутом положении во время вращения колонны снижает вероятность их повреждения и уменьшает сопротивление в скважине. Наличие верхнего стабилизатора и очень большая масса системы могут привести к возникновению выраженного маятникового эффекта, даже если лопасти втянуты, что обеспечивает естественную тенденцию к бурению по вертикали. Чрезвычайная жесткость системы делает ее весьма стойкой к изгибу, который может быть вызван действием боковых сил, возникающих при взаимодействии долота с наклонными пластами.
ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ
Система прошла два испытания в провинции Альберта, Канада, в предгорьях Скалистых Гор, где проблема контроля вертикальности бурения является одной из основных.
ИСПЫТАНИЕ №1
Первое испытание включало два рейса, по одному рейсу на каждый инструмент- прототип. Целью являлось бурение 610-метрового ствола под кондуктор с поддержанием минимально возможного угла (в пределах 2°).
Скорость проходки на участке составляла от 2 до 7 м/ч. Система V-Pilot была оснащена 9-5/8» прямостенной силовой секцией GeoForce™ с заходностью 6:7.
Первый инструмент был спущен в скважину с поверхности и пробурил 261 м со средней скоростью проходки 7,7 м/ч. В ходе бурения имела место значительная осевая вибрация, но инструмент продолжал работать. Отклонение V-Pilot от вертикали не превышало 1° до тех пор, пока инклинометр не показал постепенное увеличение наклона (0,2° на 30 м) и угол наклона 0,9°, что было связано с известной особенностью инструментов-прототипов, которая была устранена из проекта, но осталась в самих инструментах во время испытания. Затем первый инструмент был поднят на поверхность, второй - собран, и в КНБК был добавлен амортизирующий переводник для снижения сильнейшей вибрации. Второй инструмент пробурил 263 м со скоростью проходки 4 м/ч. Система плавно скорректировала наклон до 0,2° за 100 м. Уровни вибрации значительно снизились, что указывает на эффективность работы амортизирующего переводника.
Затем наклон стал увеличиваться, как и при первом рейсе, что связано с той же особенностью конструкции, достигнув 1,3°, прежде чем спуск был прекращен. Оставшиеся 87 м интервала были пробурены с помощью обычного двигателя с установленным отклонением 1,15°. Соотношение скольжения и вращения, необходимое для поддержания вертикали при бурении с помощью управляемой системы, показало, что система V-Pilot способна преодолеть естественную тенденцию отклонения 3° на 30 м в пласте. Во всех трех рейсах в за- данном интервале использовалось одинаковое долото.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ
Как правило, для бурения данного интервала на других участках этого месторождения требуется три- четыре долота благодаря применению наддолотного центрирующего переводника, который ограничивает смещение долота от истинной оси ствола скважины.
Такая геометрия использовалась как с управляемыми, так и с роторными управляемыми системами бурения в течение семи лет, обеспечивая стабильные результаты, что заставило разработчиков предусмотреть ее в конструкции системы V-Pilot.
Доказательством высокого качества ствола, пробуренного в рамках данного проекта, служит тот факт, что для расширения скважины потребовалось всего 1,75 ч, а сопротивление при спусках в скважину было незначительным, что нехарактерно для данного месторождения.
Интервал был закончен раньше срока, определенного в утвержденной финансовой смете. После демонтажа выяснилось, что причиной неудачной корректировки направления ствола была известная конструктивная особенность этих инструментов. Однако, несмотря на очень высокие уровни вибрации при первом спуске, на инструментах не было обнаружено признаков значительных повреждений из-за воздействия вибраций.
ИСПЫТАНИЕ №2
Во втором испытании использовались инструменты V-Pilot с измененной конструкцией. Система V-Pilot начала бурение на глубине 95 метров, где наклон составлял 0,79°, и уменьшила наклон до 0,4° на следующих 27 м. На отметке 128 метров произошел сбой подачи питания на буровой установке, и компоновка оказалась прихвачена. В результате работы ясом компоновка освободилась, и возобновилось бурение, в ходе которого система V-Pilot работала столь же эффективно.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ
Система успешно пробурила 621 м, удерживая от клонение в пределах 0,5° на протяжении всего интервала, за исключением одного участка, на котором было установлено отклонение 0,7°. Скорость проходки изменялась от 5 до 25 м/ч, отчасти из-за больших нагрузок на долото (24 000 декаН), на которые рассчитана система. Как правило, скорость проходки на аналогичных интервалах составляет 7-10 м/ч.
НОВЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ НОВЫХ ЗАДАЧ
В нефтегазовой промышленности получила применение новая система вертикального бурения, предназначенная для прямолинейного бурения в условиях высоких температур и жестких сред.
Инновационность этой системы заключается в контроле вертикальности ствола без помощи электроники и без вмешательства с поверхности. Кроме того, система обладает большой жесткостью, имеет маятниковое действие даже в отключенном состоянии и способна работать при больших нагрузках на долото.
Все это обеспечивает ее оптимальную производительность.
Промысловые испытания доказали эффективность такой конструкции для ограничения отклонения от вертикали в пределах 1,0°. Она также способна ограничивать отклонение в пределах 0,5° на участках с высокой естественной степенью искривления.
