Методические основы проектирования и бурения многоствольных трасс скважин с помощью навигационной системы (Ф.А. Бобылев, кандидат технических наук Каспийского общественного университета, Н.Ж. Смашов, ассоциированный профессор Каспийского общественного университета, К.М. Байхонов, ассоциированный профессор Каспийского общественного университета)

Методические основы проектирования и бурения многоствольных трасс скважин с помощью навигационной системы

Ф.А. Бобылев,

кандидат технических наук

Каспийского общественного университета

Н.Ж. Смашов,

ассоциированный профессор

Каспийского общественного университета

К.М. Байхонов,

ассоциированный профессор Каспийского

общественного университета

Аннотация

В статье описывается способ и технология непрерывного контроля за бурением многоствольных скважин с одновременным измерением зенитных и азимутальных углов с помощью применения забойных двигателей и навигационной системы.

Ключевые слова: скважина, бурение, искривление, забойный двигатель, азимут, зенитный угол.

Аңдатпа

Бұл мақалада түптік қозғалтщқышты және бақылау жүйесін қолдана отырып көп түпті ұңғымаларды бұрғылауда зениттік және азимуттық бұрыштарын үздіксіз бақылаудың технологиясы мен тәсілі жазылған.

Tүйінді сөздер: ұңғы, бұрғылау, ауытқу, түптік қозғалтқыш, азимут, зениттік бұрыш.

Annotation

This article discusses all kinds of transportation.

Key words: transportation, cargo shipper, transporter, consignee, the freight charge.

Производство геологоразведочных работ в отличие от других хозяйственных процессов обладает определенной спецификой, выраженной в большем разнообразии объектов разведки, их сложности и неопределенности строения, что вызывает практические трудности в планировании производства и в управлении ходом работ.

Многолетняя практика [1] геологоразведочных работ выработала определенную схему их планирования и управления, основанную на методе аналогий, когда объектом разведки является не конкретное месторождение, а его типовой аналог. Опора на обширный фактический материал определяет достаточно высокую степень обоснованности, но обладает многими серьезными проблемами. Результаты бурения здесь будут соответствовать не задачам и особенностям разведки данного месторождения, а всем возможным задачам и особенностям, присущим объектам данного типа. При таком подходе предельно завышаются требования к результатам процесса, когда многие его показатели, как например, объемы бурения, выход керна, предельные отклонения трасс скважин и др., не имеют рационального обоснования и формализуются в нормативные требования, т.е. по сути дела на каждый тип месторождения имеется готовый нормативный рецепт.

При этом нередки случаи, когда проекты настолько обобщены, что их применение затруднено в условиях реального месторождения.

Кроме того, такой подход теряет свою эффективность при использовании новых, нетрадиционных методов разведки.

Проведенный анализ фондовых материалов по рассматриваемым вопросам показал, что при проведении геологоразведочных работ, проектирование выполнения геологического задания в своем подавляющем большинстве базируется на упомянутом традиционно-эмперическом методе в силу его упрощенного подходы: зачем искать рациональные обоснования, когда имеются готовые - планово-нормативные рецепты. Вероятно, по этой причине в каждом учебнике или книге имеются обязательный раздел по проектированию трасс скважин и в т. ч. многоствольных. Незначительные отличия метода сводятся в основном к выбору единицы труда и расчету его стоимости.

Отсутствие новых веяний в геологоразведочной отрасли объясняется резким сокращением объемов бурения в последнее десятилетие и, как следствие, застой в области научных разработок.

Иное дело в нефтегазовой отрасли, где большие объемы бурения и требования к их результатам формируются рынком. Здесь произошел «взрыв» новых технологий с разрушением традиционных границ в области бурения многоствольных скважин с многообразием вариантов их сооружения. Поскольку техническая и аппаратная часть этих технологий, основанная на телеметрических каналах связи с высокоразвитой компьютерной и др., достигли высокого совершенства и промышленного освоения, то выбор строительства скважин здесь определяется в основном экономической эффективностью.

Столь высокая степень оснащенности совершенной буровой техникой позволяет не только осуществлять проводку скважин жестко по сложным профилям, рассчитанным на основе имеющихся геологических и геофизических материалов, но оперативно вносить изменения в проект на основе полученных фактических данных, а техническая вооруженность позволяет столь же успешно проводить бурение по измененному курсу.

Однако воспользоваться достижениями нефтегазовой отрасли в области проектирования и сооружения скважин для целей разведки месторождений на твердые полезные ископаемые в полном объеме практически не возможно. Это связано с тем, что эти новейшие технологии применяются не для разведки месторождений, которые и без того достаточно хорошо изучены, а для воздействия на продуктивные пласты с целью повышения их нефтеотдачи. Поэтому метр бурения несет очень низкую информативную нагрузку.

К тому же существующие (зарубежные) программные средства и готовые программы оптимальных траекторий скважин с вертикальными, наклонными и горизонтальными интервалами с минимальными затратами очень дорогостоящие (около $ 100 тысяч).

В конченом итоге построение трасс многоствольных скважин является частью процесса геометризации рудных тел и разрабатывается как проект в рамках одной из геоинформационных систем, например, в Auto CAD Lang Development - обладающей мощными инструментами для создания карт, различных сооружений и планировочных решений, чем по существу и является построение геометрической и геологической моделей трехмерного геологического пространства с траекториями скважин, пересекающих вмещающие породы и рудные тела. Интегральной мерой результативности конкретного решения должны быть возможные суммарные затраты на разведку изучаемого объекта.

По ходу решения вопросов проектирования сложных трасс скважин и средств их сооружения необходимо основываться не на многолетнем опыте эксплуатации, ни на эмперической традиции, а на рациональных подходах к функциональным возможностям техники, позволяющей оценивать ее с точки зрения геологической информативности и экономичности. Такой подход требует разработки нетрадиционной для разведочного бурения технологической схемы, близкой по своей сущности к технологии бурения по заданным профилям на нефтяных месторождениях.

Основой такой технологии должны быть винтовые забойные двигатели малого диаметра с невращающейся бурильной колонной, что позволит применить навигационные системы для наземного слежения и управления трассой скважины с кабельным телеметрическим каналом связи забоя с поверхностью. Поступающая по телеметрическому каналу на поверхность забойная информация должна обрабатываться компьютерными программными средствами с выработкой решения.

В качестве породоразрушающего инструмента может применяться алмазная или твердосплавная коронка с колонковой трубой, или шарошечное долото при бурении сплошным забоем.

С учетом обозначенной техники, применяемой для бурения многоствольных скважин, закономерности естественного их искривления и расчетным местом пересечения скважиной рудных тел строится проектный профиль многоствольной скважин с горизонтальным положением с одновременным определением оптимального соотношения между получаемой геологической информации и необходимых материальных денежных затрат для ее строительства. Поставленная задача определяется учетом изменчивости и неопределенностью конечного состояния изучаемого геологического объекта, требующая многовариантности возможных решений поставленных задач.

Следует учитывать также иерархичность строения геологических объектов организации минерального вещества. Химический элемент, минерал, горная порода, формация. Чем выше уровень строения месторождения, сложнее трасса. В свою очередь, чем сложнее трасса, тем меньше объем бурения по вмещающим породам, тем меньше временные и материальные затраты в общей стоимости геологоразведочных работ.

В то же время искусственное искривление скважин, без чего не мыслится многоствольное бурение, вызывает ряд проблем, несвойственных бурению по естественным профилям, а именно: увеличивается длина криволинейных участков без отбора керна, что приводит во-первых, к потере геологической информации, и во-вторых, к ухудшению условий работы бурового инструмента на этих участках. Альтернативой данных негативных проявлений должны быть новые технические и высокотехнологические решения, включенные в общий цикл сооружения многоствольных скважин.

Таким образом, вышеизложенное позволило сформировать основные положения, которые легли в основу проектирования трасс многоствольных скважин. Эти положения складываются из решения задач методического и технико-технологического направления.

Решение задач методического характеристика предусматривает технологическую и экономическую увязку уровня иерархичности строения месторождений, пространственную ориентацию и глубину залегания изучаемых геологических элементов с показателями сложности трасс скважин, а именно: с количеством дополнительных стволов, их длинной и глубиной зарезки, интенсивностью искривления отдельных участков, криволинейной длиной этих участков, последовательностью проводки дополнительных стволов, количеством циклов искривления и непроизводительными материалами затратами на эти циклы. Эффективность решения этих задач потребовало создания принципиально новых средств сооружения сложных трасс скважин и в первую очередь технических средств контроля за пространственным положением стволов скважин, что в свою очередь, требует точных мест пересечений рудных интервалов.

Допустимые отклонения трасс скважин от проектных определяются многими факторами, в число которых входят:

- требования обеспеченности нормального дальнейшего бурения скважин;

- заданная сетка разработка месторождения;

- интенсивность искривления скважин;

- глубина мест пересечений, диаметр и длина колонкового набора, расстояние между скважинами и многие другие геолого-технические факторы.

Для осуществления указанных требований на практике применяют скважинный прибор-инклинометр, измеряющий величину зенитного угла и направление апсидальной плоскости-азимут, которые по каротажному кабелю передается на поверхность.

Нами предлагается принципиально новая система измерений указанных параметров путем визуального просмотра величины видимых углов на масштабной сетке сферической поверхности инклинометра, опущенного на требуемую глубину скважины (рис. 1). Величина углов четко просматривается на экране компьютера по положению реперной метки относительно градусной сетки. В представленной навигационной системе величина углов (зенита и азимута) именно просматривается, а не измеряется и не вычисляется.

Погрешность определения зависит от масштаба градусной сетки и наклона скважины.

В качестве инклинометра представлен измерительный шар с нанесенной на его поверхности градусной сеткой, плавающий в сферической емкости (рис. 2).

Система позволяет проводить многократные измерения в процессе одного спуска. Такая система не имеет трущихся поверхностей, поэтому ее подвижная часть всегда строго устанавливается в плоскости магнитного меридиана и вертикальной оси. Поскольку система доступна для визуального наблюдения, то с помощью телекамеры, установленной над инклинометром, значения зенитного и азимутального углов по проводному каналу связи передаются на телеэкран или компьютер, установленные на поверхности. Поскольку на видимой части корпуса инклинометра наносится реперная метка, то с ее помощью отслеживается поворот вокруг своей оси корпуса забойного отклонения, жестко связанного с корпусом инклинометра (рис. 3) [2].

Наружный диаметр системы не превышает 47 мм и может быть установлен в трубах геологоразведочного номинала. В системе нет карданных рамок, кольцевых или угловых реохордов, токосъемных колец и пр., присущих существующим навигационным системам, поэтому отпадает необходимость в модулировании, кодировании и последующем дешифрировании сигнала.

Поскольку в процессе бурения вся забойная компоновка остается неподвижной, за исключением породоразрушающего инструмента, то в качестве отклонителя (см. рисунок) может применяться кривой переводник, ориентированный в требуемом направлении.

С помощью данной системы и считывающей программы строятся трассы скважин, (рис. 4-6).

Навигационную систему размещают в герметичном корпусе для защиты электронного блока, и устанавливают непосредственно над двигательной секцией ВЗД. Для осуществления связи со следящей наземной аппаратурой через сальник и бурильную колонну на кабеле опускают контактный штырь и герметизируют отверстие в сальнике.

При бурении в интервалах искривления скважины отклонитель ориентируют в заданном направлении по положению реперной линии путем поворота бурильной колонны и удержанию в установленном положении в процессе углубления скважины до достижения заданных значений угла и азимута.

Данная установка позволяет не только осуществлять постоянный контроль за направлением бурения на глубину равную длине направляющей трубы.

Если для набора требуемой кривизны этого углубления окажется недостаточно, то извлекают контактный штырь, наращивают буровой снаряд и вновь соединяют телеметрический канал связи.

1. Широтные линии зенитных углов

2. Меридианальные линии азимутальных углов

3. Реперная точка с координатами: Зенитный угол - 24°30' Азимутальный угол - 75°15'

Рис. 1. Изображение координат скважины, видимого на экране компьютера

Рис. 2. Измерительный узел буровой навигационной системы

Рис. 3. Скважинная телеметрическая система для непрерывного контроля за направлением действия отклонителя и измерения координат скважины

Рис. 4. Проекция скважины на вертикальные плоскости

Рис. 5. Проекция скважины на горизонтальную плоскость

Рис. 6. Объемное изображение трассы скважины

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов С.И., Гличев А.Ю., Купарев А.В. и др. «Технология восстановления продуктивности простаивающих и малодебитных скважин на ОНГКМ зарезкой боковых горизонтальных стволов». //Сб. докладов VIII Международной конференции по разработке нефтяных и газовых месторождений горизонтальными скважинами. - Москва, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2004 - С. 104-114.

2. Бобылев Ф.А., Смашов Н.Ж. и др. Патент РФ на изобретения «Способ непрерывного контроля за направлением действия отклонителя, измерения зенитных и азимутальных углов скважин и устройство для его осуществления», 2005 бюлл. - № 31.

3. Бобылев Ф.А., Смашов Н.Ж. и др. Патент РФ на изобретения «Способ ориентации отклонителя в вертикальных обсаженных скважинах и устройство для его осуществления», 2005 бюлл. - № 30.