автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Совершенствование техники и технологии бурения боковых стволов

Туймазннское управление буровых работ АНК Башнефть Башкирский научно-исследовательский н проектный институт нефти (Башнипинефть)

На правах рукописи

ГИЛЯЗОВ РАИЛЬ МАСАЛИМОВИЧ

СОВРЕШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ

БОКОВЫХ СТВОЛОВ

Специальность 05. 15.10 Бурение скважин

Диссертация на соискание ученой степени канднтата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук,

профессор М.ДВалееа

/

Кандры, Уфа - 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР БУРЕНИЯ БОКОВЫХ СТВОЛОВ ИЗ СТАРОГО ФОНДА СКВАЖИН И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕГО

ОСВОЕНИЯ НА НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ 12

1.1. Основные этапы развития бурения горизонтальных скважин, боковых 'стволов и боковых стволов с горизонтальной частью................................................................12

1.2. Анализ показателей разработки нефтяных месторождений горизонтальными и боковыми стволами 24

1.3. Результаты бурения боковых стволов и оценка их эффективности по добывающим возможностям скважин на месторождениях

Республики Башкортостан 37

Выводы 45

2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ ЗАБУРИВАНИЯ БОКОВОГО СТВОЛА И АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ЭТАПОВ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН

С БОКОВЫМИ СТВОЛАМИ 46

2.1. Основные типы профилей скважины с боковыми стволами

и способы их бурения 46

2.2. Структура затрат времени и ресурсов на строительство

боковых стволов 52

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИИ ВСКРЫТИЯ

ОКНА В ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ КОЛОННЕ 60

Бурение боковых стволов с использованием клиновых отклонителей и разработка инструмента с улучшенными показателями для вскрытия окна 60

3.2. Разработка раздвижных вырезающих устройств и их промышленное использование 72

3.3 Совершенствование технологии вскрытия окна

в эксплуатационной колонне 83

Выводы 88

4. ТЕХНОЛОГИИ ЗАРЕЗКИ БОКОВОГО СТВОЛА И КОМПОНОВКА

НИЗА БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ 89

4.1. Способы ориентированной сборки рабочих органов забойного двигателя и усовершенствованная конструкция шпинделя-

отклонителя 89

4.2. Исследование зависимости параметров искривления бокового ствола

от нагрузки на долото и угла перекоса шпинделя 93

4.3. Способы обеспечения зарезки БС в осложненных условиях 97

4.3.1. Использование спецмоста высокой прочности 97

4.3.2. Технология зарезки БС с частичным подъемом эксплуатационной колонны 103

Выводы 105

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ БУРЕНИЯ БОКОВЫХ

СТВОЛОВ И ЕГО ОПТИМИЗАЦИЯ 106

5.1. Определение оптимального радиуса искривления бокового ствола 106 в зоне его зарезки

5.2. Структурная схема исследований и организации бурения БС 123 Выводы 127

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ . 130

ПРИЛОЖЕНИЕ 140

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что разработка нефтяного месторождения имеет специфические особенности, связанные с ухудшением технико-экономических показателей процесса добычи по мере истощения запасов. Наступает период, когда продолжение эксплуатации сначала части скважин, а потом и всего месторождения становится нерентабельным для нефтедобывающего предприятия. Остановка эксплуатации нерентабельных скважин влечет за собой сокращение численности персонала предприятия и ухудшение социальной обстановки в целом.

Широко используемые технологии разработки нефтяных месторождений, основанные на бурении вертикальных и наклонно направленных скважин, позволяют извлечь лишь до 50 % нефти. Поэтому последние несколько десятилетий идет активный поиск эффективных методов увеличения нефтеотдачи пласта.

Альтернативным обычным скважинным способом во всех нефтяных регионах мира признается применение горизонтальных (ГС), разветвленно-горизонтальных (РГС) и многозабойных (МЗС) скважин. Башкирские нефтяники являются признанными лидерами нового метода. Еще в 1951-1955 гг. было пробурено около 50 горизонтальных стволов на рифовых месторождениях Ишимбайского региона. Несомненно, этот опыт оказался весьма поучительным. Однако из-за некоторых причин, прежде всего недостаточной теоретической проработки, метод оказался замороженным почти на 40 лет.

Темпы развития бурения ГС за рубежом исключительно высоки. Происходит невиданный бум применения горизонтальных скважин. Так, если первые прогнозы намечали около 6000 ГС в 2000 г., то последующий прогноз фирмы "Пройссаг"

составил уже 9000-10000 ГС, а по новым прогнозам некоторых экспертов США и Канады предполагается пробурить 20000-30000 ГС / 44, 71 /.

К сожалению, темпы внедрения горизонтальных скважин в СНГ, России и Башкортостане значительно ниже мировых, хотя и получены положительные результаты, позволяющие сделать весьма важные выводы.

Оказалась оправданной и, возможно, единственно верной концепция системного подхода и комплексного решения проблемы добычи нефти с применением ГС. Только тесное сотрудничество геологов, геофизиков, буровиков, разработчиков и добычников может обеспечить успех новой технологии.

Проведенные Башнипинефтью и АНК "Башнефть" в течение 10 лет комплексные , исследования, накопленный опыт бурения и эксплуатации ГС подтверждают высокую эффективность и перспективность нетрадиционного способа разработки, возможность существенного повышения дебитов скважин и нефтеотдачи пластов.

В последние годы много внимания уделяется разработке технологии бурения боковых горизонтальных стволов (БГС) из старых обсаженных скважин с целью их восстановления. Из работ профессора Кагарманова Н.Ф. и других источников /1, 2, 5, 9, 22, 24, 25, 26, 29, 30, 31, 47, 55, 69/ под горизонтальными скважинами подразумеваются и боковые стволы с горизонтальной частью. Боковые стволы с выходом в горизонтальный ствол и горизонтальные скважины имеют принципиально одинаковые подходы, общие цели и задачи. Разница состоит в необходимости фрезерования эксплуатационной колонны и выходе инструмента из основного ствола. Проблема разработки технологии бурения боковых стволов (БС) из обсаженных скважин является актуальной по ряду причин. Главная из них - рост числа

малодебитных, нерентабельных, высоко обводненных и простаивающих скважин. Число таких скважин по АНК "Башнефть" составляет несколько тысяч, они могут дать до 1 млн. т нефти в год /31/. Это также обусловлено тем, что на современной стадии разработки нефтяных месторождений Башкортостана "сплошного" бурения уже нет, а объем "уплотняющего" бурения достаточно велик.

Восстановление бездействующего фонда при этом будет обходиться в 1,5-2,5 раза дешевле, чем бурение новых скважин. В условиях отсутствия инвестиций эта технология может оказаться эффективным средством интенсификации добычи нефти и повышения нефтеотдачи пластов.

Несмотря на достаточно высокий уровень разработки технологии за рубежом в России она еще не получила должного развития. Основная причина здесь - отсутствие разработанной комплексной инженерной технологии, адаптированной к соответствующим геолого-техническим условиям. Определенный опыт бурения неориентированных боковых стволов накоплен в Азербайджане и Краснодарском крае, где восстановлено порядка 5 тыс. скважин, из которых добыто около 18,5 млн. т нефти. Имеется незначительный опыт и в других районах: Башкортостане, Татарстане, Западной Сибири, Пермской области. Однако применяемая в этих районах технология до недавнего времени являлась довольно примитивной, рассчитанной лишь на роторный способ и применение несовершенного инструмента, не удовлетворяющего современным требованиям. Бурение направленных боковых стволов в настоящее время находится на стадии своего развития и совершенствования. Еще существует ряд сложных проблем, нуждающихся в своем решении. К ним относятся технология и техника вырезания окон в эксплуатационной

колонне, установка высокопрочного моста, управление траекторией ствола и крепление колонны.

Целью диссертационной работы является совершенствование строительства боковых стволов скважин путем повышения эффективности фрезерования эксплуатационных колонн и технологии их зарезки.

Автором решаются следующие основные задачи исследований:

разработка технических средств зарезки боковых стволов из эксплуатационных колонн, обеспечивающих проектные параметры выхода бурового инструмента из основного ствола;

- разработка технологии забуривания БС, обеспечивающей выход инструмента из основного ствола скважины в заданном направлении;

- оценка влияния технологических параметров бурения БС и компоновок низа бурильной колонны на изменение зенитного угла;

- обоснование рекомендуемых радиусов искривления БС в зоне набора кривизны на опыте бурения дополнительных стволов в АНК Башнефть.

Поставленные задачи решались путем проведения опытно-промышленных экспериментов на реальных скважинах по специально разработанным программам и планам проведения работ. Результаты анализов и исследований обрабатывались методом математической статистики.

Научная новизна

1. Установлено значение зенитного угла скважины в зоне зарезки БС (около 20 ), при превышении которого фрезерование окна целесообразно производить с применением разработанного клинового отклонителя (Патент РФ № 2119573). В

условно-вертикальных скважинах и в скважинах с наклоном до 20° фрезерование окна осуществлять с применением разработанного вырезающего устройства (Патент РФ №2110665).

2. Получены статистические зависимости изменения зенитного угла наклона бурящегося бокового ствола от нагрузки на долото для различных углов перекоса переводников объемного винтового двигателя, длины нижнего плеча его и глубины забуривания.

3. Разработана методика и определены минимально допустимые радиусы искривления боковых стволов в зонах набора кривизны для конкретных геологических условий Республики Башкортостан.

4. Обоснована целесообразность разработки техники и технологии забуривания БС секционированным винтовым забойным двигателем-отклонителем (Патент РФ № 2109921).

В диссертационной работе защищаются следующие основные положения:

- технические устройства для фрезерования окон в эксплуатационной колонне при различных углах наклона основного ствола скважины;

- технологии забуривания бокового ствола, обеспечивающая направленный выход бурового инструмента из основного ствола;

- зависимости изменения зенитного угла бокового ствола от геометрических параметров инструмента и нагрузки на долото;

- методика определения рекомендуемого радиуса искривления бокового ствола в зоне набора кривизны.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Разработаны на уровне изобретений и внедрены в широких масштабах новые конструкции устройств для фрезерования эксплуатационной колонны, используемые при различных углах наклона основного ствола в месте зарезки.

2. Разработаны на уровне изобретений технологии забуривания БС с использованием спецмоста высокой прочности, изготавливаемого в наземных условиях, и подъема верхней части эксплуатационной колонны, обеспечивающего достаточную для забуривания без осложнений протяженность открытого основного ствола.

3. Предложен способ поэтапного спуска райбера для вырезки щелевидного окна в эксплуатационной колонне, увеличивающий срок службы инструмента.

Разработанный комплекс технических средств и технологий прошел опытно-промышленные испытания и внедрен при бурении БС в АНК "Башнефть" и НГДУ «Бавлынефть» АО Татнефть.

Основные положения диссертации доложены на технических советах Туймазинского УБР, АНК "Башнефть", конференциях и семинарах.

Автор благодарен работникам: АНК «Башнефть» - Юмашеву Р.Х.; Башнипинефть - Давлетбаеву М.Г., Рахимкулову Р.Ш., Уразакову K.P., Самигуллину В.Х., Бикмухаметовой Г.И., Шайнурову P.C., Туймазинского УБР- Рамазанову Г.С., Хайруллину В.Ф., Логинову Б.В., Зиганшину А.Ш., Гафарову Г.В., Безлепкину Н.П., Ивановой Т.С.

Глубокую благодарность автор выражает научному руководителю, Действительному члену РАЕН, доктору технических наук, профессору Валееву М.Д.,

под чьим непосредственным научным руководством выполнялась работа, за внимание и поддержку в работе над диссертацией.

Особую благодарность автор выражает первому научному руководителю, члену-корреспонденту АН РБ, академику инженерной академии РБ, доктору технических наук, профессору Кагарманову Н.Ф.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР БУРЕНИЯ БОКОВЫХ СТВОЛОВ ИЗ СТАРОГО ФОНДА СКВАЖИН И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕГО ОСВОЕНИЯ НА НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ

1.1. Основные этапы развития бурения горизонтальных скважин, боковых стволов и боковых стволов с горизонтальной частью

Бурение горизонтальных скважин и боковых стволов с горизонтальной частью имеет принципиально одинаковые подходы. Разница лишь состоит в необходимости фрезерования эксплуатационной колонны и зарезки при бурении бокового ствола. Поэтому обзорная часть диссертации включает и этапы развития бурения горизонтальных ' скважин. В ряде библиографических источников под горизонтальными скважинами подразумеваются боковые стволы с горизонтальной частью /5,9,22, 29,30,37,47,69,76 /.

Наиболее полный анализ мировой истории развития бурения ГС и БС выполнен профессором Н.Ф.Кагармановым /24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31/. Им было показано, что обычные скважинные методы разработки, основанные на бурении вертикальных и наклонных скважин с применением заводнения, позволяют извлечь лишь 30-50 % нефти, содержащейся в пласте. Новые методы увеличения нефтеотдачи (МУН), кроме тепловых, не дали ожидаемых результатов и оказались трудно управляемыми и достаточно дорогими.

В отличие от МУН горизонтальная технология отвечает самым высоким требованиям эффективности и экологичности. Она позволяет увеличить дебиты

скважин в 3-5 и даже в 10 раз, а коэффициент извлечения нефти довести до 70-80 %, т.е. увеличить на 20-30 пунктов /24,59,7 /.

Начало бурения горизонтальных скважин положено в СССР в 30-х годах /59/. Достаточно много горизонтальных многозабойных скважин (110-120) пробурено в 50-х годах, из них около половины в Башкортостане. Однако отсутствие в ряде случаев положительных результатов объективно привело к снижению объемов бурения ГС.

Интерес к ГС возобновился лишь в 80-е годы. Современное состояние строительства горизонтальных скважин характеризуется бурно растущим интересом к этому технологическому процессу во всем мире, в том числе и в развивающихся странах. Например, в 1988 году в Индонезии на континентальном шельфе пробурено 11 скважин со средней длиной горизонтальной части около 500 м. При этом толщина продуктивного пласта составила 7,8-12 м /59/. Считается, что до 80-х годов на нефть пробурено всего несколько сотен ГС, а после 1988 г. более тысячи ГС, причем более половины ш них уже после 1988 г. В 1980 -1984 гг. ежегодно бурилось не более одной скважины в год, а в 1988 году их число в мире превысило 200. Ожидается, что объемы бурения таких скважин в ближайшие годы будут резко расти. По прогнозам ряда специалистов к 2000 г. они могут составить 30-50 % от числа пробуренных скважин на суше. По оценкам других общая доля ГС в целом может достичь 70 % от числа всех скважин.

Существенно растет число фирм, занимающихся бурением ГС (например, Horwell, Becfield, Drilling Servise и др.). На ряде месторождений сделана попытка создания систем разработки, хотя до сего времени бурились лишь отдельные ГС /57, 59/.

Значительный опыт проводки горизонтальных скважин накоплен в горнорудной промышленности и при шахтной добыче нефти. Последний опыт относится целиком к проводке скважин из шахтных камер с помощью буровых установок, обслуживаемых непосредственно в подземных горных выработках.

Что касается опыта проводки нефтяных горизонтальных, разветвленных и многозабойных скважин - все они пробурены с поверхности. Впервые в СССР разветвление скважин для увеличения притока нефти из пласта предложил в 1941 г. Н.С.Тимофеев. На практике проводку горизонтальных скважин осуществили А.М.Григорян и В.А.Брагин в 1947 г. на Краснокамском месторождении нефти. Здесь из основного ствола были пробурены два ствола длиной 30и35м /15,16,17/.

Более широкие эксперименты по проводке МЗС, ГС и БС, БГС были начаты в 1952 г. на Карташевском рифогенном месторождении. Здесь в 1952-1953 гг. пробурено 5 многозабойных скважин (№№ 59, 64, 65, 66, 68) с отклонениями от основного ствола до 300 м (скв.№ 65). Скважина № 59 имела один горизонтальный, скв. № 64 и № 75 - по 4, скв. № 66 и № 68 - по 7 и 8 стволов. Наибольшая длина горизонтального ствола составила 260 м/18, 19, 20/.

В 1957-1959 гг. эксплуатационные многозабойные скважины пробурены еще на двух рифовых месторождениях - 7 скважин на Тереклинском и 4 скважины на Южно-Введеновском. Количество стволов в этих скважинах составляло от 2-х до 4-х, и отклонения от вертикали доходили до 150 м. Однако, возможности указанных многозабойных скважин не были использованы ввиду того, что динамический уровень жидкости в дополнительных стволах оказался ниже глубины их отхода от основного ствола. Кроме того, не была создана система разработки: горизонтальные

скважины работали на истощение. Поэ