что такое профиль скважины в бурении
Профили горизонтальных скважин
Профилем направленной скважины называется вертикальная проекция оси данной скважины. Иными словами, это рисунок, по которому можно легко представить себе, как расположена скважина на всем своем протяжении, в каком направлении и с какими отклонениями она проходит через породу и нефтеносные пласты.
Профили вертикальных скважин состоят из одного участка, расположенного строго вертикально или имеющего небольшое отклонение. Направленные скважины, имеющие значительные отклонения по вертикали, могут иметь различные профили.
Профиль состоит из направляющей части, которая нужна, чтобы вывести скважину в заданную проектом точку нефтеносного пласта, и горизонтального участка, который проходит в пласте. Виды профилей зависят от расположения направляющей и направленной частей, кривизны и других факторов.
Типология профилей горизонтальных скважин
Выделяют три основных типа формы профилей:
Также можно встретить классификацию профилей по количеству интервалов – от 2-интервального до профиля с 4, 5 и более интервалами (так называются участки скважины, которые имеют одинаковую степень искривления). Чем больше интервалов, тем сложнее профиль, первый интервал при этом всегда вертикальный.
Еще одна классификация профилей – по радиусу кривизны ствола. Условно выделяют малый радиус – до 60 м, средний – до 190 м, большой – свыше 190 м.
Первый вид профилей с большим радиусом искривления применяется чаще всего при бурении скважин, у которых горизонтальная часть имеет длину от 600 до 1500 м, либо при бурении группы скважин с общего основания.
Профили среднего радиуса кривизны обычно применяются для восстановления показателей эксплуатируемых скважин. Профили малого радиуса кривизны используются, когда нужно обеспечить максимально точное попадание в заданную точку пласта.
Как выбирается профиль горизонтальной скважины
На выбор профиля влияет масса факторов – вид и плотность пород, наличие препятствий на пути ствола, тип и глубина залегания скважины и другие технические характеристики скважины и геологические особенности месторождения.
Профиль должен быть таким, чтобы максимально снизить нагрузки, которые испытывает буровой инструмент при работе на скважине.
Также при выборе профиля следует учитывать фактор минимизации затрат на бурение. Кроме того, должно быть обеспечено прохождение приборов и оборудования, применяемого при разработке, по стволу скважины.
Наконец, выбранный профиль должен давать возможность при разработке залежей с множеством пластов осваивать их одновременно.
Основная цель, которую преследует проектировщик скважины при выборе профиля – обеспечить попадание скважины в нужную зону продуктивного пласта залежи при минимальных затратах ресурсов и времени. От этого, как от одного из комплекса факторов, зависит экономическая и производственная эффективность работы скважины.
Примеры проектов профилей горизонтальных скважин демонстрируются на ежегодной тематической выставке «Нефтегаз».
Профиль направленной скважины
Профиль ствола скважины выбирается исходя из условий:
— наличие препятствий для заложения устья скважины над забоем;
— куст скважин или одиночная скважина запроектирована;
— расположение фильтра (вертикально, наклонно или горизонтально).
Профиль скважины должен обеспечивать:
— минимальные нагрузки на буровой инструмент во время спускоподъемных операций;
— прохождение приборов и устройств по стволу скважины;
— возможность применения запланированных методов одновременной эксплуатации нескольких горизонтов в многопластовых залежах;
— минимальные затраты на сооружение скважины.
Существует три вида профилей направленных скважин:
1 — тангенциальные скважины (состоят из трех участков);
2 — S-образные скважины (состоят из пяти участков);
3 — J-образные скважины (состоят из двух участков).
Другие виды профилей можно считать промежуточными видами или комбинацией вышеперечисленных профилей.
Тангенциальные скважины, как правило бурят с отклонением вблизи устья до набора необходимого угла, а далее бурят с набранным углом до проектной глубины. Подобный вид часто применяют для строительства скважин умеренной глубины в простых геологических условиях, если не используются промежуточные колонны. Данный профиль дает возможность наибольшего отклонения ствола скважины от вертикали при наименьшем зенитном угле, в связи с этим профиль выбирают при кустовом бурении.
При S-образном профиле, бурят вертикальный участок ствола, затем отклоняются на некоторый угол, а после проходки необходимой длины, угол отклонения уменьшают до полного восстановления вертикального положения скважины. Промежуточная колонна может быть установлена в интервале второго отклонения, после чего скважину добуривают вертикальным стволом.
S-образный профиль применяется:
— при наличии газовых зон, соленой воды и другие геологических факторов требующих применения промежуточных обсадных колонн;
— при глушении аварийно-фонтанирующей скважины;
— если есть необходимость развести забои скважин при бурении их с одной платформы.
Третий, J-образный тип профиля используется, когда нужно отклонить забой от вертикали на значительных глубинах. При этом скважина бурится на необходимую глубину вертикально, после чего начинается участок отклонения ствола, угол наклона постоянно растет, пока скважина не достигнет проектной глубины. Подобные скважины бурятся для вскрытия пластов, находящихся под солевыми куполами, при кустовом бурении, а также вскрытия глубоких залежей. К J-образным относятся также, горизонтальные скважины.
Для первого и второго типов профилей — первый вертикальный интервал должен быть как можно короче, это уменьшит усилия и время затрачиваемые на ориентированный спуск бурильной колонны. Для третьего типа профиля — длина вертикального участка должна быть наибольшей, это позволяет уменьшить длину второго участка и тем самым сократить время работы отклоняющими устройствами в скважине.
Для минимизации возможности образования желобов, а также для уменьшения силы трения о стенки скважины при спускоподъемных операциях — искривление скважины начинают и заканчивают в сравнительно твердых породах, при этом траектория набора и уменьшения кривизны должна быть не менее окружности определенного радиуса. Однако, сами интервалы набора и уменьшения кривизны скважины должны быть по возможности минимальными, для обеспечения минимального времени на их проходку. Это приводит к противоречию, когда необходимо с одной стороны увеличивать радиус, с другой уменьшать его. Поэтому рассчитывается минимально возможный радиус при данных условиях.
По радиусу искривления ствола, горизонтальные скважины делятся на три типа профиля.
а) Большой радиус кривизны (более 190 м.) — часто применяется при кустовом бурении, а также при бурении одиночных скважин с большой протяженностью горизонтального участка (от 600 до 1500 м.). Для подобных скважин используют стандартную технику направленного бурения, позволяющую создать максимальную интенсивность искривления (0,7 — 2° на 10 м. проходки).
б) Средний радиус кривизны (60 — 190 м.) — используется при строительстве одиночных скважин, для восстановления эксплуатационных характеристик действующих скважин. Максимальная интенсивность искривления при этом 3 — 10° на 10 м., при длине горизонтального участка 450 — 900 м. Скважины со средним радиусом дают возможность точно попадать в глубинную цель.
в) Малый радиус кривизны (10 — 60 м.) — обеспечивает максимальную точность попадания в глубинную цель. Интенсивность искривления, при этом составляют 0 — 25° на 1 м. проходки при длине горизонтального участка 90 — 250 м.
Чем меньше радиус кривизны ствола скважины, тем хуже условия работы буровым инструментом и обсадными трубами.
Что такое профиль скважины в бурении
Проектирование профилей наклонно направленных скважин заключается, во-первых, в выборе типа профиля, во-вторых, в определении интенсивности искривления на отдельных участках ствола, и, в-третьих, в расчете профиля, включающем расчет длин, глубин по вертикали и отходов по горизонтали для каждого интервала ствола и скважины в целом.
Типы профилей и рекомендации по их выбору
Профиль наклонно направленной скважины выбирается так, чтобы при минимальных затратах средств и времени на ее проходку было обеспечено попадание скважины в заданную точку продуктивного пласта при допустимом отклонении.
Простейшим с точки зрения геометрии является двухинтервальный профиль (рис. 9, а), содержащий вертикальный участок и участок набора зенитного угла. Такой тип профиля обеспечивает максимальный отход скважины при прочих равных условиях, но требует постоянного применения специальных компоновок на втором интервале, что приводит к существенному увеличению затрат средств и времени на бурение. Поэтому такой тип профиля в настоящее время применяется сравнительно редко и только тогда, когда имеет место значительное естественное искривление скважин в сторону увеличения зенитного угла.
Четырехинтервальный тип профиля (рис. 9, г) включает вертикальный участок, участок набора зенитного угла, участок стабилизации и участок уменьшения зенитного угла. Это самый распространенный тип профиля в Западной Сибири. Его применение рекомендуется при значительных отклонениях скважин от вертикали в случае, если по геолого-техническим условиям затруднено безаварийное бурение компоновками с полноразмерными центраторами в нижних интервалах ствола скважины.
Для обеспечения попадания ствола в заданную точку вскрытия продуктивного горизонта в реальной практике бурения, профиль скважины может содержать еще несколько дополнительных интервалов, например, набора зенитного угла, его стабилизации и т. д. Поэтому могут быть шести, семи, и более интервальные профили скважин.
В последнее время все большее распространение получает бурение скважин с горизонтальным участком ствола, что позволяет существенно повысить дебит скважин и нефтеотдачу пластов. В практике буровых работ США такие скважины по типу профиля делятся на четыре категории в зависимости от величины радиуса кривизны при переходе от вертикального участка к горизонтальному (большой, средний, малый и сверхмалый радиусы).
Скважины с большим радиусом кривизны имеют интенсивность искривления от 0,6 до 2 град/10 м. С указанными интенсивностями искривления бурится подавляющее большинство наклонно направленных скважин в Западной Сибири. Длина горизонтальной части ствола в этом случае может быть весьма значительной и определяется, главным образом, только сопротивлением продольному перемещению бурильной колонны. Такой тип профиля скважин наиболее подходит для морских месторождений, когда требуется обеспечить добычу из пласта, находящегося на большом расстоянии от платформы.
Интенсивность искривления при бурении со средним радиусом кривизны составляет от 2 до 6 град/10 м. Западными фирмами по такому типу профиля бурится подавляющее большинство скважин с горизонтальным участком ствола. Это обусловлено следующим:
— многие зоны осложнений могут быть разбурены вертикальным стволом и обсажены;
— длина интервалов применения отклонителей существенно меньше, чем для скважин с большим радиусом кривизны;
— точка забуривания искривленного ствола располагается ближе к точке вскрытия продуктивного горизонта, что повышает точность попадания в заданный круг допуска.
Однако проходка таких скважин требует специального инструмента, вписывающегося в принятый радиус кривизны.
Стандартный тип профиля со средним радиусом кривизны (рис. 9, ж) содержит наклонный прямолинейный участок 3, длина которого может меняться для обеспечения попадания ствола в заданную точку. Однако если накоплен значительный опыт бурения таких скважин, то этот участок может быть исключен (рис. 9, з). Интервалы 5 (рис. 9, ж) и 3 (рис. 9, з) имеют интенсивность искривления порядка 1 град/10 м и возникают самопроизвольно вследствие невозможности резкого перехода от криволинейного интервала к прямолинейному даже при применении стабилизирующих компоновок. Длина этих интервалов около 30 м.
Наклонно-направленное бурение
Бурение таких скважин отличается тем, что вначале они имеют прямолинейное направление, заданное шпинделем бурового станка, a затем в силу анизотропии разбуриваемых пород отклоняются от прямолинейного направления.
Рост объемов ННБ скважин с углами отклонения ствола скважин от вертикали более 50° обусловили ограничения по применению традиционных методов исследований с помощью аппаратуры, спускаемой в скважину на кабеле, и вызвали необходимость разработки специальных технологий доставки скважинных приборов в интервал исследований.
Решение этой проблемы возможно с помощью бескабельных измерительных систем, доставляемых на забой с помощью бурового инструмента.
Горизонтально направленное бурение является частным случаем наклонного бурения.
Наклонно направленные скважины подразделяют на одно- и многозабойные.
При многозабойном бурении из основного, вертикального или наклонного ствола проходится дополнительно один или несколько стволов.
Искусственное отклонение скважин широко применяется при бурении скважин на нефть и газ.
Искусственное отклонение скважин делится на:
Искусственное отклонение вплоть до горизонтального применяется в следующих случаях:
1) при вскрытии нефтяных и газовых пластов, залегающих под пологим сбросом или между 2 я параллельными сбросами;
2) при отклонении ствола от сбросовой зоны (зоны разрыва) в направлении продуктивного горизонта;
3) при проходке стволов на нефтеносные горизонты, залегающие под соляными куполами, в связи с трудностью бурения через них;
4) при необходимости обхода зон обвалов и катастрофических поглощений промывочной жидкости;
5) горизонтальное бурение незаменимо при вскрытии продуктивных пластов, залегающих под дном океанов, морей, рек, озер, каналов и болот, под жилыми или промышленными застройками, в пределах территории населенных пунктов
6) при проходке нескольких скважин на продуктивные пласты с отдельных буровых оснований и эстакад, расположенных в море или озере;
7) при проходке скважин на продуктивные пласты, расположенные под участками земли с сильно пересеченным рельефом местности (овраги, холмы, горы);
8) при необходимости ухода в сторону новым стволом, если невозможно ликвидировать аварию в скважине;
9) при забуривании 2 го ствола для взятия керна из продуктивного горизонта;
10) при необходимости бурения стволов в процессе тушения горящих фонтанов и ликвидации открытых выбросов;
11) при необходимости перебуривания нижней части ствола в эксплуатационной скважине;
12) при необходимости вскрытия продуктивного пласта под определенным углом для увеличения поверхности дренажа, а также в процессе многозабойного вскрытия пластов;
13) при кустовом бурении на равнинных площадях с целью снижения капитальных затрат на обустройство промысла и уменьшения сроков разбуривания месторождения;
14) при бурении с целью дегазификации строго по угольному пласту, с целью подземного выщелачивания, например, калийных солей и др.
Искусственное отклонение скважин в нефтяном бурении в основном осуществляют забойными двигателями (турбобуром, винтовым двигателем и реже электробуром) и при роторном бурении.
Основные способы искусственного отклонения скважин.
-Использование закономерностей естественного искривления на данном месторождении (способ типовых трасс).
В этом случае бурение проектируют и осуществляют на основе типовых трасс (профилей), построенных по фактическим данным естественного искривления уже пробуренных скважин.
Способ типовых трасс применим только на хорошо изученных месторождениях, при этом кривизной скважин не управляют, а лишь приспосабливаются к их естественному искривлению.
Необходимо также для каждого месторождения по ранее пробуренным скважинам определять зоны повышенной интенсивности искривления и учитывать это при составлении проектного профиля.
— Управление отклонением скважин посредством применения различных компоновок бурильного инструмента.
В этом случае, изменяя режим бурения и применяя различные компоновки бурильного инструмента, можно, с известным приближением, управлять направлением ствола скважины.
Этот способ позволяет проходить скважины в заданном направлении, не прибегая к специальным отклонителям, но в то же время значительно ограничивает возможности форсированных режимов бурения.
— Направленное отклонение скважин, основанное на применении искусственных отклонителей: кривых переводников, эксцентричных ниппелей, отклоняющих клиньев и специальных устройств.
Перечисленные отклоняющие приспособления используются в зависимости от конкретных условий месторождения и технико-технологических условий.
К наклонным скважинам при турбинном и роторном бурении на нефть и газ относятся в основном скважины, забуриваемые с поверхности вертикально с последующим отклонением в требуемом направлении, вплоть до горизонтального, т.е. под углом в 90 градусов.
Получив широкое распространение, одноствольное наклонное бурение не исчерпало своих резервов.
Возможность горизонтального смещения забоя относительно вертикали (проекции устья скважины на пласт) позволила создать вначале кустовой, а затем многозабойные методы бурения.
Техническое усовершенствование наклонного бурения явилось базой для расширения многозабойного и кустового бурения.
Под кустовым бурением понимается способ, при котором устья скважин группируются на общей площадке, а конечные забои находятся в точках, соответствующих проектам разработки месторождения.
Горизонтальное и разветвленное горизонтальное бурение применяются для увеличения нефте- и газоотдачи продуктивных горизонтов при первичном освоении месторождений с плохими коллекторами и при восстановлении малодебитного и бездействующего фонда скважин.
При этом протяженность завершающего участка скважины, расположенного в продуктивном пласте (горизонтального участка), может превышать 1000 м.
К разновидностям кустового бурения можно отнести 2-ствольное последовательное, 2-ствольное параллельное и 3-ствольное бурение.
Преимущества параллельного 2-ствольного бурения скважин:
— возможность совмещения отдельных операций: подъем бурильного инструмента из одной скважины со спуском его в другую;
— промывка, выравнивание раствора и механическое бурение в одной скважине с геофизическим исследованием в другой.
— с одним комплектом бурильных труб и с одного подвышечного постамента осуществляют одновременную проходку 2 х наклонных или 1 й вертикальной и 2 й наклонной скважин.
При этом вместо обычного ротора применяют спаренные роторы типа РМБ-560, перемещающийся крон-блок типа К.
Конструкция скважины
Элементы, входящие в понятие конструкции скважины
Конструкция скважины зависит от целей, геологических условий, глубины, техники бурения, метода разработки месторождения и других факторов.
Определяется глубиной начального и конечного диаметра бурения, числом, Ø и длиной спущенных обсадных колонн, толщиной их стенок, Ø различных участков ствола, углом наклона скважины или отклонением ее от вертикали.
Интервал бурения – это часть траектории скважины, сооруженная с помощью долота одного диаметра и преимущественно с применением одной запроектированной технологии бурения.
Интервал цементирования – это интервал, в котором цементируется конкретная обсадная колонна.
Обсадные колонны могут цементироваться до устья (в основном, направление и кондуктор) и «внахлест» с предыдущей (обычно, технические и эксплуатационные).
Для нефтяных скважин величина перекрытия предыдущей колонны – 150 м, для газовых скважин – 500 м.
Обсадные колонны разведочных скважин цементируются обычно на всю длину.
Устье скважины – верхняя, приповерхностная, часть скважины.
Забой скважины – самая нижняя часть скважины, «дно».
Стенки скважины – боковая часть цилиндрической основы скважины.
Продуктивный горизонт – пласт в разрезе, в котором находятся природные ресурсы.
Зона перфорации – часть обсадной колонны в интервале продуктивного пласта, в которой делаются отверстия для эксплуатации.