автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Предупреждение и ликвидация осложнений при бурении горизонтальных скважин

На правах рукописи Для служебного пользования Экз. № &

САМИГУЛЛИН ВАЛЕРИЙ ХАКИМОВИЧ

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ И ЛИКВИДАЦИЯ ОСЛОЖНЕНИЙ ПРИ БУРЕНИИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Специальность 05.15.10 "Бурение скважин"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 1999г.

Работа выполнена в Башкирском научно-исследовательском и проектном институте нефти (Башни-пинефть).

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Л.М. Левинсон

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Л.А. Алексеев - кандидат технических наук З.М. Шахмаев

Ведущее предприятие - АО "Татнефть"

Защита диссертации состоится 19 ноября 1999 г, в 16 ч. 30 мин на заседании диссертационного совета Д.063.09.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете, по адресу: 450062, Уфа -62, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «19» октября 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор физико-математическ! профессор

Р.Н.Бахтизин

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Горизонтальное бурение применяется во многих отраслях промышленности, и с каждым годом расширяются области его эффективного применения. Так в семидесятые годы направленные горизонтальные опережающие стволы бурились для строительства туннелей, методом направленного бурения стали прокладываться трубопроводы под естественными и искусственными преградами, особенно широкое распространение получило горизонтальное бурение для добычи нефти и газа.

Несмотря на то, что технология горизонтального бурения не является чем-то новым, она получила мировое признание при строительстве скважин для добычи нефти и газа только за последние 10 лет. Резкий рост объемов горизонтального бурения произошел после того, как за рубежом было преодолено наибольшее число проблем, и стоимость бурения была снижена до разумного уровня, сравнимого со стоимостью вертикальных и наклонных скважин.

В бывшем Союзе работы в области горизонтального бурения активно начались после разработки комплексной программы НИР "Создание принципиально новых систем разработки месторождений нефти с помощью горизонтальных и разветвленно-горизонтальных скважин", утвержденной Министром нефтяной промышленности 29 декабря 1986 г.

Значительный вклад в разработку технологии и техники для горизонтального бурения, предупреждение и ликвидацию осложнений при бурении горизонтальных скважин внесли исследования В.Ф.Буслаева, Ю.С.Васильева,

A.М.Григоряна, Н.Ф.Кагарманова, А.Г.Калинина, Ю.В.Кодзаева, А.С.Оганова, С.А.Оганова,

B.Д.Поташникова, Н.М. Ризванова, К.М.Солодкого, Б.З.Султанова, З.М.Шахмаева и др.

При переходе от вертикального к горизонтальному бурению появились новые проблемы: повысилась вероятность возникновения осложнений, сопутствующих обычному бурению; управление траекторией горизонтальных скважин; создание нагрузки на долото при бурении горизонтальных

стволов; очистка горизонтального и наклонного участков от шлама.

Широкое распространение горизонтального бурения сдерживается из-за высокой стоимости скважин, являющейся следствием возникновения вышеперечисленных осложнений и больших затрат времени на их ликвидацию. В связи с этим в данной работе подробно рассматриваются вопросы предупреждения и ликвидации осложнений при бурении горизонтальных скважин.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Сокращение сроков строительства горизонтальных скважин путем совершенствования технологии и предупреждения осложнений при бурении.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Разработать технологию и технические средства для бурения горизонтальных направленных скважин с выходом в заданную цель.

Разработать методику управления траекторией горизонтальных скважин, позволяющую входить в продуктивный пласт и прокладывать горизонтальный ствол в границах продуктивной зоны.

Разработать методику проектирования профиля горизонтальных скважин и определить оптимальный радиус переходного участка.

Определить коэффициенты сопротивления перемещению бурильного инструмента в горизонтальном стволе при различных горнотехнических условиях.

Разработать методику определения критической скорости потока промывочной жидкости для очистки горизонтальных скважин от шлама.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Для решения поставленных задач были использованы аналитические, стендовые и экспериментальные исследования в промысловых условиях.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые разработан и построен полигон для исследования процессов строительства направленных горизонтальных скважин, на котором по разработанной технологии пробурены две экспериментальные горизонтальные скважины длиной 566,3 м и 305 м со сквозным выходом стволов в штреки шахты с угловыми отклоне-

ниями от цели по вертикали 0°10' и 0°45' по горизонтали и одна экспериментальная скважина с траекторией в виде полуокружности.

Определены коэффициенты сопротивления перемещению бурильного инструмента для различных горнотехнических условий бурения горизонтальных скважин.

Разработана методика проектирования профиля горизонтальных скважин и программа его расчета. Определен оптимальный радиус переходного участка для бурения с использованием серийного инструмента и разработана забойная компоновка для набора зенитного угла по оптимальному радиусу с одновременным расширением ствола скважины.

Установлена аналитическая зависимость угла поиска продуктивного пласта от глубины входа в пласт и радиуса кривизны участка последующего бурения в пласте.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Результаты исследований автора используются при разработке проектов на строительство горизонтальных скважин, дополнительных горизонтальных стволов, разветвленно-горизонтальных скважин и подводных переходов трубопроводов методом направленного бурения, а также проектов разработки месторождений в Башкирии, Западной и Восточной Сибири, Казахстане. По разработанным проектам пробурено 60 горизонтальных скважин на 10 месторождениях в АНК Башнефть, 18 - в шести регионах бывшего Союза и 9 подводных переходов трубопроводов в Башкирии.

На основе проведенных исследований разработаны 3 РД:

1. РД 39-0147276-025-95. Руководство по бурению горизонтальных скважин. - Уфа; Башнипинефть, 1995.

2. РД 39-0147275-028-96. Временное руководство по технологии бурения боковых направленных стволов из обсаженных скважин. - Уфа; Башнипинефть, 1996.

3. РД 39-0147275-047-98. Состав, организация и финансирование работ по строительству переходов трубопроводов через водные преграды методом направленного бурения. - Уфа; Башнипинефть, 1998.

Программа расчета пятиинтервального профиля горизонтальных скважин применяется во всех УБР АНК Баш-нефть.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции "Оптимизация бурения скважин в осложненных условиях" (г. Донецк, 1991), 2-м Международном симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (г. Санкт-Петербург, 1992), 7-м Европейском симпозиуме по увеличению нефтеотдачи пластов (г. Москва, 1993), 3-м Международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (г. Санкт-Петербург, 1995), Семинаре-дискуссии "Проблемы первичного и вторичного вскрытия пластов при строительстве и эксплуатации вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин" (г. Уфа, 1996), 2-м Международном семинаре "Горизонтальные скважины" (г. Москва. 1997), Всероссийской конференции "Применение новых технологий бурения горизонтальных стволов на месторождениях с трудно извлекаемыми запасами нефти" (г. Ижевск, 1998), 4-м Международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (г. Санкт-Петербург. 1998), 9-м ежегодном Международном конгрессе "Новые высокие технологии для газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи" (г. Уфа, 1999).

ПУБЛИКАЦИИ. На основе выполненных исследований по теме опубликованы 27 печатных работ, в том числе 13 научных статей, 4 доклада на различных семинарах, конференциях, симпозиумах и конгрессах, 6 тезисов докладов, 1 стандарт предприятия и 3 руководящих документа.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста, иллюстрируется 26 рисунками, 14 таблицами и состоит из введения, четырех разделов, выводов и рекомендаций, списка литературы из 91 наименования и 3 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяются цели и задачи исследований, сформулирована научная новизна и приведены результаты внедрения исследований.

В первом разделе выполнен анализ состояния проблем по предупреждению и ликвидации осложнений при бурении горизонтальных скважин. Все скважины с участками ствола с зенитными углами в пределах 70-110° считаются горизонтальными, т.к. при бурении подобных скважин необходима принудительная доставка бурильного инструмента и аппаратуры в ствол скважины.

В связи с широким распространением горизонтального бурения рассматриваются области его применения и основные виды горизонтальных скважин:

- горизонтальные скважины (ГС) с зенитными углами близкими к 90° и бурящиеся с помощью установок горизонтального бурения, преимущественно из подземных горных выработок;

- наклонно горизонтальные скважины (НГС), бурящиеся с помощью установок наклонного бурения под определенным зенитным углом с переходом ствола в горизонтальное положение;

- вертикально горизонтальные скважины (ВГС) начинают буриться вертикально с переходом по определенному радиусу кривизны ствола в горизонтальное положение.

Последняя группа скважин самая сложная в горизонтальном бурении и широко применяется для добычи нефти и газа. В бывшем Союзе с 1952 по 1996 гг. пробурено 480 ВГС для добычи нефти и газа, в 1997 г. Россия достигла годового уровня строительства горизонтальных скважин -132.

Анализ работ исследователей, занимающихся предупреждением и ликвидацией осложнений при бурении обычных скважин, показал, что практически все осложнения можно объединить в четыре большие группы: прихваты, поглощения, нарушение целостности стенок скважины, неф-тегазоводопроявления. Как правило, проблема предупреждения и ликвидации этих осложнений при бурении гори-

зонтальных скважин более сложна, чем при обычном бурении.

Большую опасность вызывают прихваты в горизонтальном стволе, т.к. при дополнительном растягивающем усилии на бурильный инструмент для его освобождения возрастают силы трения на резко искривленном участке ствола и передача натяжения на прихваченный участок колонны уменьшается.

Поглощения в горизонтальных скважинах, в первую очередь, связаны с необходимостью повышения плотности бурового раствора для предотвращения обвалов в возросших по протяженности в несколько раз зонах обвалообра-зования на наклонных участках. Во-вторых, повышается вероятность открытия поглощений в продуктивных горизонтах с проницаемыми пропластками при спуске инструмента из-за эффекта поршневания, возрастающего с длиной горизонтального ствола.

Нарушение целостности стенок скважины - распространенное осложнение, часто приводящее к ограничению длины горизонтального участка или прекращению бурения. Особенностью горизонтальных скважин является увеличение в несколько раз протяженности возможных зон обвало-образований на наклонных и горизонтальных участках. Специфический вид нарушения целостности стенок скважины, особенно при горизонтальном бурении - это зарезка нового ствола на участках интенсивного набора зенитного угла.

Нефтегазоводопроявления в горизонтальных скважинах опасны из-за возможности возникновения эффекта свабирования при подъеме бурильного инструмента из горизонтального участка, возрастающего с удлинением ствола.

Помимо традиционных осложнений, сопутствующих бурению всех типов скважин, при горизонтальном бурении возникли новые проблемы:

- создания рациональной нагрузки на долото при бурении горизонтального ствола;

- создания условий для очистки от выбуренной породы горизонтального и наклонного участков;

- управления траекторией горизонтальных скважин для выхода в заданную цель и прокладки ствола в границах продуктивной зоны.

Для увеличения осевой нагрузки на долото при бурении протяженных горизонтальных стволов ВГС в вертикальной части или на участок ствола с зенитным углом до 40-50° устанавливают УБТ, в горизонтальном стволе применяют бурильные трубы с минимальным весом, используют буровые растворы с высокими смазочными свойствами и применяют различные механические способы снижения сил трения (вращение бурильного инструмента, гидромеханические усилители). Для принятия решения об использовании различных способов увеличения нагрузки на долото необходима оценка реальных сил сопротивления перемещению бурильного инструмента в горизонтальном стволе. Знание сил сопротивления также необходимо и при извлечении бурильного инструмента из горизонтального ствола для предупреждения возможных осложнений и аварий.

Проблемы с очисткой от шлама горизонтальных скважин возникают из-за эксцентричного расположения бурильной колонны в стволе и образования застойных зон на нижней стенке скважины, способствующих накоплению шлама. При бурении ВГС наиболее опасны участки ствола с зенитными углами 40-60° из-за скатывания вниз оседающего шлама и образования шламовых пробок в стволе во время остановок бурения. Для очистки от шлама горизонтальных скважин создают турбулентный режим течения бурового раствора или применяют растворы с высокой удерживающей способностью. В диссертации поставлена задача оценки очистных возможностей различных буровых растворов и определения критической скорости потока жидкости, при которой не будет происходить зашламования горизонтального ствола.

Важнейшей проблемой горизонтального бурения является выход забоя скважины в заданную цель или вход в продуктивный пласт и проводка горизонтального ствола в границах продуктивной зоны. Этот участок скважины даже для опытного специалиста является малоизвестным и задача буровика заключается в том, чтобы обеспечить управ-

ление траекторией на пути к цели, положение которой проясняется по мере приближения к продуктивному пласту. Удачный вход в продуктивный пласт - это часть задачи, необходимо в дальнейшем при бурении горизонтального ствола обеспечить его нахождение в заданном коридоре в пределах продуктивной зоны. Отклонение ствола по вертикали в несколько метров, не играющее большой роли в наклонном бурении, может привести к выходу горизонтального ствола за пределы продуктивной зоны. В работе поставлена задача разработки методики управления траекторией горизонтальных скважин для бурения в различных горногеологических условиях.

Большинство буровых компаний для решения проблем с осложнениями, возникающими при бурении ВГС, пошли по пути усложнения конструкции - техническая колонна спускается как можно ближе к продуктивному горизонту. Естественно, это приводит к значительному удорожанию горизонтальных скважин - в 2-4 раза по сравнению с обычными.

Вопросы решения поставленных проблем, позволяющих упростить конструкцию скважин, рассматриваются в последующих разделах диссертационной работы.

Во втором разделе приводится описание полигона для горизонтального бурения, разработанного с участием диссертанта для исследования процессов строительства направленных ГС диаметром 200-300 мм и протяженностью до 1000 м в подземных условиях и результаты проведенных исследований.

Геологический разрез на полигоне сложен переслаивающимися породами сланца, известняка и мергеля. Коэффициент крепости пород по М.М. Протодьяконову изменяется от 2 до 9, предел прочности на одноосное сжатие влагонасыщенных образцов от 120 до 490 кг/см2. Углы залегания пластов колеблются от 0,15 до 0,63°.

Все буровое оборудование и инструмент размещались в подземной буровой камере. Буровой станок развивал осевое усилие до 300 кН, буровые насосы обеспечивали подачу бурового раствора с расходами от 0,022 до 0,06 м3/с. Для проведения исследований предполагалось использо-

вать долота диаметром 215,9 мм, алюминиевые бурильные трубы Д16Т 129x11 мм длиной по 12,5 м, оснащенные кабельными секциями, различные элементы забойных компоновок, винтовые забойные двигатели ДУ-172 и Д1-195, телеметрические системы СТЭ185 и "ПИЛОТ", инклинометры ИН1-721. Вдоль трассы бурения экспериментальных скважин размещались диамагнитные стенды для тарировки инклинометрических систем. В приборном отсеке устанавливались динамометры для измерения усилий на подачу и извлечение бурильного инструмента, манометры для измерения давления в циркуляционной системе, пульты для измерения параметров траектории скважины и показаний от-клонителя.

Для управления траекторией горизонтальных скважин нами подобраны и рассчитаны неориентируемые забойные компоновки на базе перечисленных выше элементов и ориентируемая забойная компоновка, состоящая из долота, двигателя ДУ-172, кривого переводника 1,43° и телесистемы.

Бурение первой экспериментальной скважины 1ШГС (шахтная горизонтальная скважина) велось под руководством автора и начиналось с помощью неориентируемых забойных компоновок, однако результаты их работы показали, что выйти в заданную цель высотой 2,2 м на расстоянии 560 м при бурении не ориентируемыми компоновками невозможно. Выход ствола в цель производился с помощью ориентируемой забойной компоновки в режиме постоянного управления плоскостью действия отклонителя (управляемая забойная компоновка). При забое 455 м составлен на ПЭВМ прогнозный расчет траектории для выхода ствола скважины в цель - район поворота второго юго-восточного штрека на север. Дальнейшее бурение производилось с постоянным контролем соответствия фактических параметров траектории скважины прогнозным. Необходимая интенсивность набора азимута и зенитного угла достигались путем плавного изменения плоскости действия отклонителя во время бурения с помощью поворота бурильных труб на устье скважины машинными ключами. При забое 566,3 м долото вышло в штрек с отклонением от намеченной цели

1,5 м по вертикали и 6,7 м по горизонтали. Таким образом разработанная технология позволила на практике вывести горизонтальный ствол протяженностью 566,3 м в штрек с угловыми отклонениями от цели 0°10' по вертикали и 0°45' по горизонтали.

Дальнейшее подтверждение надежности разработанной технологии управления траекторией горизонтальных скважин получено после успешного выхода в намеченную цель второй экспериментальной скважины 2ШГС длиной 305 м и при бурении третьей скважины ЗШГС длиной 670 м пробуренной по траектории в виде полуокружности полностью управляемой забойной компоновкой.

В процессе бурения всех трех скважин на полигоне проводились работы по исследованию очистки ствола скважин от выбуренной породы. В качестве бурового раствора допускалось использовать только техническую воду без химической обработки. Поскольку схема перемещения выбуренной породы по горизонтальному стволу близка к схеме транспортировки по трубопроводам с помощью воды руд и размельченных горных пород, то для расчета критической скорости, при которой не будет происходить зашламования скважины, взяты формулы, используемые в трубопроводном транспорте. По результатам расчетов построена номограмма для определения критического расхода жидкости в зависимости от механической скорости бурения и плотности разбуриваемой горной породы для скважин диаметром 215,9 мм. При ожидаемой механической скорости бурения до 17 м/ч и максимальной плотности горных пород 2800 кг/м3 критическая скорость потока технической воды для предотвращения зашламования ствола по расчету должна составлять 0,92 м/с. Фактически при этой скорости потока скважина очищалась от шлама не полностью и при подаче или извлечении бурильного инструмента приходилось промывать скважину из-за образования шламовых пробок. Только при расходе 0,027 м3/с, что соответствует скорости потока технической воды 1,17 м/с, удалось очистить ствол от выбуренной породы. Расхождение фактической скорости потока бурового раствора с расчетной связано с эксцентрично лежащей на нижней стенке скважины бурильной ко-

лонной, что не учитывается в расчетах, применяемых в трубопроводном транспорте. Таким образом в расчетные формулы необходимо вводить поправочный коэффициент 1,27.

При бурении скважины 1ШГС нами произведены исследования по определению усилий на устье, возникающих при различных технологических операциях: бурении, подаче и извлечении бурильного инструмента из скважины при различных забоях. Обработка полученных данных позволила определить коэффициент сопротивления перемещению (К), рассчитанный по следующей формуле:

К=Я/Л/ , (1)

где Р,Л/ - усилие на устье и вес бурильного инструмента.

При весе ДУ-172 = 350 кг, телесистемы СТЭ185 = 600 кг и погонного метра бурильных труб с кабелем = 17,5 кг/м, которые оставались постоянными при бурении скважины, коэффициент изменялся при различных горнотехнических условиях от 0,46 до 1,26. Наибольшее его значение было при подаче инструмента в скважину без промывки, наименьшее - при извлечении инструмента с промывкой. Максимальная нагрузка на устье при подаче инструмента в скважину 1ШГС не превышала 70, а при бурении -100 кН.

В третьем разделе приводятся результаты исследований по предупреждению и ликвидации осложнений при бурении ВГС. Разработана методика проектирования профиля скважины, позволяющего избегать при последующем бурении большинство осложнений и аварий. Профиль должен обеспечивать: возможность прохождения вертикально или при малых зенитных углах потенциально опасных зон, выбор оптимального радиуса, прихватобезопас-ность, надежный вход в продуктивный пласт, минимальные силы трения. Наши исследования показали, что наиболее универсальным является пятиинтервальный профиль, состоящий из вертикального, набора зенитного угла в заданном направлении, наклонного, добора зенитного угла с выходом в цель, и горизонтального участков. Для проектирования профилей ВГС была разработана программа расчета

пятиинтервального профиля. В зависимости от вводимых исходных данных (длина вертикального участка, глубина по вертикали точки входа в пласт, горизонтальное смещение точки входа в пласт, длина условно горизонтального участка, радиусов искривленных участков, зенитного угла горизонтального ствола) по программе рассчитывается проектный профиль (рис. 1).

Скважина №

О 36

Горизонтальное смещение, м

Рис. 1 Проектный профиль

250

- исходные данные

При бурении трех экспериментальных ВГС на Лемезин-ском месторождении по радиусам от 45 до 250 м нами проведены исследования по определению оптимального радиуса переходного участка от вертикального к горизонтальному бурению. Экспериментальные данные и теоретические расчеты на проходимость выпускаемых серийно бурильного инструмента, геофизической аппаратуры, обсадных колонн и условие минимального использования при бурении телесистем показали, что для скважин диаметром 215,9 мм оптимальным с точки зрения предупреждения

о

большинства осложнений является радиус 80-90м. Однако для улучшения проходимости забойных компоновок через резко искривленный участок радиусом 80-90 м необходима хорошая калибровка ствола. Для этого при наборе зенитного угла нами предложено включать в забойную компоновку полноразмерный наддолотный калибратор длиной 400 мм. Из-за плохой вписываемости полноразмерного калибратора с долотом в стволе происходит расширение скважины во время набора зенитного угла отклонителем до определенного диаметра. Схема расчета расширения ствола скважины приведена на рис.2.

Решая систему уравнений (2), находим диаметр расши ренного ствола скважины (3):

= а2 + д! к

Ь=Я-Щ-Ож)

(2) (3)

где Ос, Ок, Ц и К - диаметр скважины, диаметр калибратора, длина калибратора с долотом и радиус кривизны.

Расчеты показывают, что даже при радиусе кривизны 200 м полноразмерный наддолотный калибратор длиной 400 мм расширяет ствол 0 215,9 мм во время бурения до 216,3 мм, а при радиусе 80 м расширение происходит до 216,6 мм.

Для набора зенитного угла по радиусу 80 м забойной компоновкой с калибратором длиной 400 мм на валу необходим двигатель-отклонитель с коротким нижним плечом длиной 1-1,4 м и более мощный, чем укороченный ОШ-172. Поэтому нами разработаны одно и двухшпиндельные дви-гатели-отклонители на базе серийных ВЗД и турбобуров диаметром 172 мм с установкой кривого переводника между шпинделем и винтовой парой или между двумя шпинделями. Техническая характеристика разработанных отклони-телей типа ОВУШ приведена в таблице. В двигателях-отклонителях допускается использовать более мощные винтовые пары от современных ВЗД.

Сравнительная техническая характеристика двигателей-отклонителей

ОВУШ- ОВУШ1-

Параметры ОШ-172 172 172

Длина, мм - общая 3370 4990 4140

- нижнего плеча 1170 960 1370

- верхнего плеча 2200 4030 2770

Угол перекоса, градус 0-3,5 0-3 0-3

Масса, кг 400 750 550

Крутящий момент рабочий, кНм 1,1-2,3 3,2 - 3,7 3,2-3,7

Допустимая осевая нагрузка, кН 100 150 120

Отклонители типа ОВУШ получили широкое распространение в Башкирии и применяются в других регионах при бурении горизонтальных скважин.

Использование расширяющей ствол забойной компоновки при бурении резко искривленных участков позволяет предупреждать такие осложнения как, посадки и затяжки бурильного инструмента, проработки и потери ствола скважины.

Наиболее ответственный этап проводки ВГС - это вход в продуктивный пласт, расположение которого определяется с различной степенью вероятности. Наши исследования показали, что при подходе к пласту необходимо одновременно решать несколько задач: расчет траектории ствола по данным различных инклинометрических измерений, подбор забойных компоновок и контроль за их работой, уточнение глубины расположения продуктивного горизонта и корректировка фактической траектории. Для расчета зенитного угла перехода с одного радиуса на другой в зависимости от фактических радиуса кривизны и расстояния по вертикали от начала бурения по первому радиусу до окончания набора зенитного угла нами предлагаются следующие формулы:

(4)

гп = агат-^ ., „ -—,

Н+ ^¡т^-

(5)

По формуле 4 рассчитывается угол перехода с большого радиуса на малый, по формуле 5 - решается обратная задача (рис. 3).

) ГТг, ^^

к*

н V"

V.. Ш!1!

Рис. 3 Схемы входа в продуктивный пласт

А- переход с большого радиуса на малый; Б - переход с малого радиуса на большой; Р - радиусы соответствующих участков; Ъ - зенитные углы;

Н - расстояние по вертикали от начала участка бурения по радиусу К! до окончания набора зенитного угла

При больших погрешностях определения глубины расположения продуктивного пласта, к пласту рекомендуется подходить под определенным зенитным углом, называемым углом поиска пласта. Угол рассчитывается по схеме, приведенной на рис.4, по следующей формуле:

где Ъх\ - угол поиска; И - глубина входа в продуктивный пласт; б - интервал по вертикали, необходимый для распознавания пласта; И - радиус кривизны последующего бурения в пласте неориентируемой компоновкой; 12. -конечный зенитный угол ствола, в пласте.

При достижении расчетного угла поиска и отсутствия признаков входа в продуктивный пласт набор зенитного угла прекращается и дальнейшее бурение ведется стабилизирующей забойной компоновкой, до входа в пласт.

(6)

Рис. 4 Схема поиска продуктивного пласта

Вход в пласт на глубину 5 контролируется всеми доступными способами: по механической скорости бурения, шламу, газопоказаниям, нефтегазопроявлениям. Достоверность входа может подтверждаться привязочным каротажем и отбором керна.

Дальнейшее бурение ствола в продуктивном пласте, как правило, ведется неориентируемыми забойными компоновками из-за низкой надежности телеметрических систем с периодическим контролем за траекторией ствола и прогнозом поведения компоновок.

Наши промысловые исследования показали, что для эффективной очистки горизонтального и наклонного участков ствола диаметром 215,9 мм при плотности шлама до 2800 кг/м3 достаточен расход технической воды в пределах 0,025-0,03 м3/с. При промывке скважин высоковязкими буровыми растворами на углеводородной основе в аналогичных условиях достаточен расход 0,0220,025 м3/с. Осложнения начинаются при увеличении диаметра ствола на наклонном участке из-за образования желобов и каверн. Признаки накопления шлама следующие: несоответствие количества выносимого шлама общему объему выбуренной породы, затяжки, прихваты, посадки и провалы инструмента во время СПО на участках ствола с зенитными углами более 50°, исчезающие после включения циркуляции. При возникновении шламонакопления необходимо увеличить временя промывок с расхаживанием и вращением бурильного инструмента до прекращения затяжек и посадок во время СПО.

В четвертом разделе приводятся результаты внедрения исследований. За 10 лет по разработанным проектам с участием диссертанта пробурены 78 горизонтальных скважин. С 1995 г. в АНК Башнефть прекращено строительство горизонтальных скважин по усложненной конструкции.

Глубины пробуренных ВГС изменялись от 1160 до 2660м, длина горизонтальных стволов от 26 до 735 м. Переход от вертикального бурения к горизонтальному осуществлялся по радиусам от 70 до 280 м. Продуктивные

пласты толщиной 3+60м располагались на глубинах по вертикали от 470 до 2150 м.

Результаты выполненных исследований на полигоне горизонтального бурения использовались при строительстве многозабойной горизонтально

разветвленной скважины 75-Шамовская с максимальным углом охвата ствола скважины 284°; при строительстве переходов трубопроводов под естественными препятствиями.

Методика проектирования профиля и программа расчета пятиинтервального профиля ВГС используются при бурении горизонтальных скважин и позволяют предупреждать большую часть осложнений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработан и построен полигон для горизонтального бурения с целью исследования процессов строительства направленных горизонтальных скважин диаметром 215,9 мм и протяженностью до 1000 м.

2. Разработаны и успешно апробированы технические средства и технология бурения направленных горизонтальных скважин с выходом в заданную цель.

3. На разработанном полигоне горизонтального бурения пробурены три экспериментальные горизонтальные скважины: две из них длиной 566,3 и 305 м со сквозным выходом стволов в штреки шахты с угловыми отклонениями от цели по вертикали 0°10' и 0°45' по горизонтали. Третья скважина пробурена по траектории в виде полуокружности с разворотом горизонтального ствола в плане на 178°. Для вывода двух стволов в цель и бурения третьей скважины использовалась управляемая забойная компоновка.

4. Разработана методика определения критической скорости потока промывочной жидкости в горизонтальном стволе, обеспечивающей вынос шлама и проведение буровых работ без осложнений. Расход технической воды 0,027 м3/с при диаметре скважины 215,9 мм и бурильных труб 129 мм обеспечивает очистку горизонтального ствола

от шлама. Это соответствует скорости потока в затрубье -1,17 м/с.

5. Определены коэффициенты сопротивления перемещению бурильного инструмента, изменяющиеся от 0,46 до 1,26 в зависимости от горнотехнических условий бурения горизонтального ствола.

6. Разработана методика проектирования профиля ВГС и программа расчета пятиинтервального профиля, позволяющие до минимума сократить возможные осложнения и аварии. Определен оптимальный радиус кривизны для скважин диаметром 215,9 мм, составляющий 80-90 м для быстрого и безопасного перехода от вертикального к горизонтальному бурению.

7. Разработана забойная компоновка, позволяющая набирать зенитный угол с одновременным расширением ствола скважины. Это дает возможность при дальнейшем бурении горизонтального участка проходить через резко искривленные участки без посадок и затяжек.

8. Разработана методика управления траекторией горизонтальных скважин и входа в продуктивный пласт, позволяющая прокладывать горизонтальные стволы в границах пласта.

9.3а период с 1988 по 1998 гг. с использованием разработок в различных регионах страны пробурено 78 горизонтальных скважин.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Самигуллин В.Х., Васильева Н.А. Горизонтальные скважины - эффективный метод интенсификации добычи нефти и повышения нефтеотдачи пластов //Тр. /Башнипинефть,- 1987. - Вып.76,- С.48-52.

2. Самигуллин В..Х., Халявкин В.И., Кагарманов Н.Ф. Опыт горизонтального бурения в Башкирии //ЭИ. Сер. Стр. нефт. и газ. скв. на суше и море. - М.: ВНИИОЭНГ.- 1990.-Вып.10. - С. 1-8.

3. Синай Ю.Б, Артемьев В. В, Самигуллин В.Х. //Управление траекторией горизонтальной скважины

большой протяженности //НТК. Оптимизация бурения скважин в осложненных условиях. Тезисы докл. - Донецк: ДПИ, 1991.- С.27-28.

4.Самигуллин В.Х. Первые результаты экспериментальных работ на полигоне горизонтального бурения //Тр. /Башнипинефть.-1991. - Вып. 84. - С. 103-107.

5. Самигуллин В.Х., Ризванов Н.М., Юмашев Р.Х., Логинов Б,В., Хапявкин В.И. Новые достижения в области горизонтального бурения //Нефтяное хозяйство,- 1992. - № 4,-С.16-18.

6. Синай Ю.Б., Артемьев В.В., Самигуллин В.Х. Уникальный опыт проводки горизонтальных скважин по заданной траектории //2-й Международный Симпозиум по бурению разведочных скважин в осложненных условиях. Тезисы докл.- Санкг- Петербург: СПГИ, 1992 - С.43.

7. Кагарманов Н.Ф. , Самигуллин В.Х.,Тимашев З.М., Бердин Т.Г., Давлетбаев М.Г. Ювченко Н.В., Сафина Н.М. Оптимизация технологии разработки нефтегазовых месторождений с применением нетрадиционных систем горизонтальных скважин //7-й Европейский Симпозиум по увеличению нефтеотдачи пластов. Тезисы докл.- Москва, 1993.

8. Синай Ю.Б., Самигуллин В.Х. Опыт создания горизонтальных скважин большой протяженности //Зап.С-ПГИ,-1993,- Т.136.-С.156-162.

9. Самигуллин В.Х. Забойные компоновки для управления траекторией горизонтальных скважин //Тр. /Башнипинефть,-1992.- Вып. 86 - С.42-48.

10. Самигуллин В.Х., Андреев В.К., Напольский В.А., Пьянков В.А. Скоростная проводка горизонтальной скважины в Пермской области//Тр. /Башнипинефть.-1995.-Вып.90.-С. 18-24.

11. Бикмухаметова Г.И., Самигуллин В.Х. Технико-экономический анализ бурения горизонтальных скважин в Башнефти //Нефтепромысловое дело,-1995,- №6.- С.32-35.

12. РД39-0147276-025-95 Руководство по бурению горизонтальных скважин,- Уфа: Башнипинефть, 1995 - 27с.

13. РД39-0147275-028-96 Временное руководство по технологии бурения боковых направленных стволов из обсаженных скважин,- Уфа: Башнипинефть, 1996 - 14 с.

14. Самигуллин В..Х., Гайнуллин Ж.Б., Артемьев В.В. Бурение горизонтальной разведочной скважины в сложных горно-геологических условиях //3-й Международный Симпозиум по бурению скважин в осложненных условиях. Тезисы докл.-Санкт-Петербург: СПГИ, 1995.-С.42.

15. Ризванов Н.М., Гайнуллин К.Х., Юмашев Р.Х., Ка-гарманов Н.Ф., Тимашев Э.М., Самигуллин В..Х. Бурение и эксплуатация горизонтальных скважин //Нефтяное хозяйство." 1996. - №2,- С. 12-16.

16. Кагарманов Н.Ф., Давлетбаев М.Г., Самигуллин

B..Х., Шайнуров P.C., Юмашев Р.Х., Гилязов Р.М Вскрьггие продуктивных пластов горизонтальными скважинами //Семинар-дискуссия «Проблемы первичного и вторичного вскрытия пластов при строительстве и эксплуатации вертикальных, наклонных и горизонтальных скважин» Тезисы докл.- Уфа: УГНТУ, 1996. - С. 66-67.

17. СТП 03-101-Обустройство куста скважин. - Уфа: Башнипинефть, 1997,-7с.

18. Гибадуллин Н.З., Юмашев Р.Х., Гилязов P.M., Самигуллин В..Х. Опыт строительства скважин с горизонтальным участком ствола //2-й Международный Семинар «Горизонтальные скважины». Тезисы докл.- М.: Недра, 1997. -

C.32-33.

19. Тимашев Э.М., Козлов Ю.А., Сергеев В.Б., Самигуллин В..Х., Валуйскова Т.Н., Шайнуров P.C., Ахметшин P.A. Бурение боковых стволов из существующих скважин для интенсификации добычи нефти из залежей с карбонатными коллекторами //Научно-технические проблемы топливно-энергетического комплекса республики Башкортостан,- /Яр. / Башнипинефть -1997. - С. 100-107.

20. Кагарманов Н.Ф., Давлетбаев М.Г., Самигуллин В..Х., Шайнуров P.C., Гибадуллин Н.З. Ризванов Н.М., Юмашев Р.Х. Технология бурения боковых направленных стволов из обсаженных скважин //Тр. /Башнипинефть.-1997,- Вып.92,- С.183-188.

21. Самигуллин В..Х. Горизонтальное и боковое бурение в АНК Башнефть /Применение новых технологий бурения горизонтальных стволов на месторождениях с трудно

извлекаемыми запасами нефти. //Материалы всероссийской конференции. Ижевск, 1998. - С.147-152.

22. Гибадуплин Н.З., Юмашев Р.Х., Гилязов P.M., Са-мигуллин В..Х. Опыт строительства горизонтальных скважин на месторождениях АНК Башнефть//НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, М.: ВНИИОЭНГ.-1998.- №3^.- С. 11.

23. Самигуллин В..Х., Халявкин В.И., Гибадуллин Н.З., Юмашев Р.Х., Дроздов М.А., Прокладка трубопровода через р. Дема методом направленного бурения //Тр. /Башнипинефть,-1998,- Вып.94.- С. 132-137.

24. Самигуллин В.Х., Халявкин В.И., Юмашев Р.Х., Прокладка трубопроводов методом направленного бурения //4-й Международный Симпозиум по бурению скважин в осложненных условиях. Тезисы докл.- Санкт-Петербург: СПГИ, 1998.-С.79.

25. РД 39-0147275-047-98. Состав, организация и финансирование работ по строительству переходов трубопроводов через водные преграды методом направленного бурения,-Уфа: Башнипинефть, 1998. -66с.

26. Гибадуллин Н.З., Юмашев Р.Х., Самигуллин В..Х., Гилязов P.M., Халявкин В.И., Строительство переходов трубопроводов через естественные и искусственные препятствия методом направленного бурения в АНК "Баш-нефть" //9-й ежегодный Международный Конгресс "Новые высокие технологии для газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи". Тезисы докл.- Уфа, 1999.

27. Гибадуллин Н.З., Гилязов P.M., Самигуллин В..Х. Не вглубь, а вширь.//Нефть и капитал. - 1999. №9 .-С.

Множительная техника, Башнипинефть 450077, Уфа, Ленина, 86