Разветвленных горизонтальных скважин

Строительство радиально - разветвленных скважин (РРГС) производится путем создания расчетного количества стволов, проложенных по пласту в практически одной горизонтальной плоскости и направленных в разные стороны – азимуты. Количество ответвлений и протяженность горизонтальных стволов может колебаться в широких пределах от двух и более в зависимости от горно-геологической характеристики, толщины и ожидаемой производительности продуктивного пласта, а также от технико-технологических условий бурения РРГС. Метод строительства РРГС находит все более широкое применение при разработке нефтегазовых месторождений, так как при этом методе обеспечивается значительный прирост добычи продукции пласта по сравнению с одноствольными горизонтальными скважинами, при сопоставимых условиях их эксплуатации.

Таблица 16 - Результаты расчета пространственного профиля пологой скважины

Интервал по вертикали, м	Зенитный угол a, град	Азимутальный угол φ, град	Смещение, м	Координаты ствола, м	Длина по стволу, м
начальный	конечный	начальный	конечный	Z	X	Y	за интервал	общая
Вертикальный участок
0-1250
Интервал набора
1250-1548, 2		51, 8			144, 48	298, 22	78, 69	121, 17	342, 82	1592, 82
Интервал стабилизации
1548, 2-1808, 2	51, 8	51, 8			329, 22		223, 01	417, 07	419, 5	2012, 32
Интервал набора
1808, 2-1886, 3	51, 8				182, 63	78, 08	264, 11	595, 02	200, 92	2213, 24
Интервал набора в продуктивном пласте
1886, 3-1890					52, 88	3, 7	217, 47	647, 39	53, 02	2266, 3
Горизонтальный участок
1890-1890							348, 02	1192, 04		2816, 3

Радиальные ответвления производятся из одного ствола, причем чаще всего из обсаженной эксплуатационной колонны, хотя в отдельных случаях при устойчивых породах продуктивного пласта применяется также строительство РРГС в открытом стволе. Для удобств практического использования метода ниже приводится описание последовательности выполнения технологического процесса строительства РРГС на конкретном примере.

Проектируется строительство РРГС с четырьмя ответвлениями (рисунок 16), из которых ствол №1 является основным и прокладывается в середине продуктивного пласта на глубине 2005 м по вертикали в азимуте (условно) φ ₁ = 0^о. Остальные ответвления №2, 3, 4 бурятся из основного ствола путем вырезания «окна» в эксплуатационной колонне и продолжения бурения в пласте до проектной глубины. Азимуты искривления ответвлений равны, соответственно: φ ₂ = 90^о, φ ₃ = 180^о, φ ₄ = 270^о рисунок 16. Радиальные стволы прокладываются на расстоянии одного метра по высоте, считая от линии середины пласта к его кровле.

Основными исходными данными являются: глубина кровли продуктивного пласта Н_кр = 2000 м; толщина пласта h_пл = 10 м. общая протяженность ствола каждого ответвления в отдельности в пределах А_гор = 150 м. Проектное отклонение ствола скважины от вертикали на глубине кровли продуктивного пласта А_кр = 500 м.

Первым бурится основной ствол №1 РРГС (рисунок 16-18).

Параметры профиля и конструкция основного ствола представлены в таблицах 17, 18 и на рисунке 18. Строительство этого ответвления осуществляется по известной технологии бурения горизонтальных скважин. На глубине Н_кр = 2000 м зенитный угол ствола равен a_кр =79, 33°. Далее, в интервале от 2000 м до 2005 м по вертикали, что соответствует глубине середины продуктивного пласта, ствол скважины искривляется до a_г =90°, интервал искривления по стволу – 2246-2300 м и бурение скважины продолжается до глубины 2450 м со стабильной кривизной a_г =90° долотом диаметром 215, 9 мм. Таким образом, основной ствол №1 имеет протяженность ствола в продуктивном пласте, равную 204 м, из которых 150 м горизонтального ствола. Общее отклонение ствола от вертикали составляет а_скв = 703 м. На глубину 2300 м по стволу в скважину спускается эксплуатационная колонна диаметром 177, 8 мм. Затем устье скважины оборудуется превентором, и внутрь колонны спускается бурильный инструмент для разбуривания цементного стакана и дохождения до забоя. После соответствующей подготовки ствола в интервале от 2300 м до 2450 м в скважину спускаются фильтровые трубы типа насосно-компрессорных труб (НКТ) диаметром 101, 6 мм. Верхняя часть фильтровых труб оборудуется проходным пакером, а также устройством для подвески НКТ внутри обсадной колонны диаметром 177, 8 мм.

Следует отметить, что основной ствол №1 может быть продолжен практически на любой глубине в пределах продуктивного пласта в зависимости о глубины эффективной нефтенасыщенности пласта. Кроме того, возможны различные варианты конструкции призабойной части ствола скважины (обсаженный ствол, открытый ствол, фильтровые трубы и т.д.).

Строительство радиального ствола №2 (рисунок16, 17, 19), производится путем вырезания «окна» в эксплуатационной колонне диаметром 177, 8 мм и бурения ствола расчетной протяженности от 2282, 5 м до 2432, 5 м. Параметры профиля ответвления №2 приведены в таблице 19 и на рисунке 19. Для вырезания «окна» в колонне используется уипсток, плоскость искривления которого ориентируется в заданном азимуте. Уипсток снабжен в нижней части якорем для надежной его фиксации. Глубина установки уипстока – 2004, 5 м по вертикали, то есть на 0, 5 м выше, чем уровень горизонтального ствола №1, что соответствует глубине 2282, 5 м по длине ствола. В интервале от 2282, 5 м до 23000 м зенитный угол с 86, 5^о увеличивается до a_г =90°. Затем на интервале от 23000 м до 2432, 5 м ствол скважины бурится горизонтальным долотом диаметром 155, 6 мм. Состав компоновки низа бурильной колонны и параметры режима бурения на всем интервале т «окна» до окончания бурения ответвления, приводятся в п.8.2.

Пробуренный ствол на глубину 2432, 5 м по стволу спускаются фильтровые трубы – НКТ диаметром 88, 9 мм, верхняя часть которых в открытом стволе оборудуются затрубным проходным пакером рисунок 17.

Бурится радиально-разветвленный ствол №3 (рисунок 16, 17, 19). предварительно производится вырезание «окна» в эксплуатационной колонне. Уипсток устанавливается на глубине 2004 м по вертикале, что на 0, 5 м выше глубины зарезания ответвления №2. Это соответствует глубине скважины по стволу – 2275, 8 м и на расстоянии 6, 7 м от первого «окна». В интервале ствола от 2275, 8 м до 2300 м в пределах продуктивного пласта зенитный угол с 85, 16^о увеличивается до a_г =90°. Далее со стабильным углом скважина углубляется на 125, 8 м (рисунок 19). На глубину 2425, 8 м спускаются фильтровые трубы диаметром 88, 9 м, и также, как в ответвлении №2 верхняя часть НКТ оборудуется проходным пакером.

Бурится четвертый радиально-разветвленный ствол скважины №4 (рисунок 16, 17, 19). Параметры профиля представлены в таблице 19 и на рисунке 19. Глубина точки зарезки по стволу – 2266, 6 м, по вертикали – 2300 м. Расстояние между «окнами» №3 и 4 составляет 9, 2 м. Технологический процесс вырезания «окна» в обсадной колоне, бурение и заканчивание ответвления №4 такие же, как и в ответвлениях №2 и 3.

Таким образом, проектируемая РРГС с четырьмя радиально-разветвленными стволами имеет общую протяженность в продуктивном пласте, равную Σ А_гор = 600 м. Так как расстояние между устьями стволов составляет всего 2 м (по вертикали), то фактически эксплуатация пласта будет осуществляется в одинаковом режиме, что должно обеспечить значительный рост добычи нефти (газа).

8.1 Расчет параметров проектного профиля радиально-разветвленных горизонтальных стволов скважины в пределах продуктивного пласта

Исходные данные для расчета (ответвление №2):

Расстояние от основного горизонтального ствола до точки зарезки ответвления № 2 по высоте пласта h ₁ = 0, 5 м (от 2004, 5 м до 2005, 0 м).

Радиус искривления ствола скважины на интервале набора кривизны от значения a ₁ в точке зарезки до a_г = 90° после выхода ствола на горизонталь R ₁ = 286, 5 м (i = 2^о/10м).

Принятое значение R остается постоянным для набора кривизны во всех остальных радиально-ответвленных стволах, что соответствует радиусу искривления основного ствола от зенитного угла на глубине кровли продуктивного пласта a_кр = 79, 33^о до a_г = 90°.

Последовательность расчета:

1. Определяется значение зенитного угла a ₁ в точке зарезки второго ответвленного ствола из условия:

h ₁ = R ( sin90^o – sin a ₁ ), (86)

Решая относительно a ₁, имеем:

arcsin a ₁ = (R – h ₁ )/R (87)

Подставляя в формулу (75) известные значения R и h ₁, получим:

arcsin a ₁ = ( 286, 5 – 0.5 )/ 286, 5 = 0, 9982

Откуда a ₁ = 86^о30´.

2. Определяется расстояние l ₁ от глубины точки зарезки по дуге искривления до выхода ствола на горизонтальную линию:

l ₁ = 0, 01745· R · ( 90^o – a ₁ ) = 0, 01745·286, 5· ( 90 – 86, 5 ) = 17, 5 м

3. Определяется глубина точки зарезки L_т/з по стволу ответвления №2 из условия:

L_т/з(1) = L_э/к – l ₁ = 2300 – 17, 5 = 2282, 5 м

4. длина горизонтального ствола ответвления №2 составит:

а_г = А_г – а ₁ = 150 – 17, 5 = 132, 5 м

Здесь условно принимается, что l ₁ равно проекции этой длины на горизонталь a ₁ ввиду большого значения a ≈ 90^о.

5. Для определения глубины точки зарезки L_т/з(2) и параметров профиля ответвления ствола №3 определяется зенитный угол a ₂ на глубине L_т/з(2) по формуле:

a ₂ = arcsin (Rsina₁ – h₂)/R, (88)

где при известных R = 286, 5 м, a ₁ = 86, 5^о, h ₂ = 0, 5 м имеем: a ₂ = 85, 16^о.

6. Находятся l ₂ – расстояние между первым и вторым «окном» в эксплуатационной колоне по формуле:

l ₂ = 0, 01745∙ R∙ (a₁ – a₂) = 0, 01745∙ 286, 5∙ (86, 5 – 85, 16) = 6, 7 м

7. Искомое значение L_т/з(2) = L_т/з(1) – l ₂ = 2282, 5 – 6, 7 = 2275, 8 м.

8. После вырезания «окна» на глубине 2275, 8 м в дальнейшем зенитный угол увеличивается с a ₂ = 85, 16^о до a _г = 90^о, и бурение ответвления №3 продолжается горизонтальным стволом до глубины 2425, 8 м. Параметры профиля ответвлений ствола №2 и 3 приводятся в таблице 19 и на рисунке 19. По приведенной методике рассчитаны параметры профиля и для ответвления №4.

8.2 Компоновка низа бурильной колонны и режимы бурения при строительстве радиально-разветвленных скважин

8.2.1 Вырезание «окна» в эксплуатационной колонне диаметром 177, 8 мм

Перед вырезанием «окна» производится обследование состояния колонны. В скважину спускается «печать», затем локатор, с помощью которого определяются глубины нахождения муфт обсадных труб на интервалах вскрытия «окон» в колонне. Важное значение имеет также наличие цементного кольца за колонной. Для проверки наличия цементного камня за колонной производят акустический цементомер.

После выбора точки зарезки производится спуск отклонителя. Типовая конструкция КНБК (по зарубежной технологии [16, 17]) следующая: отклонитель-уипсток с якорем; стартовый фрезер (диаметр 149, 2 мм); диамагнитное УБТ диаметр 120, 6 мм в сочетании с MWD-телесистемой; диамагнитное УБТ (одна труба ≈ 10 м) диаметр 120, 6 мм; УБТС (стальные) диаметр 120, 6 мм расчетной длины, обеспечивающей требуемую осевую нагрузку на долото (≈ 100-150 м); остальное до устья скважины – СБТ 127х9, 19 мм; уипсток устанавливается (ориентируется) в заданном азимуте.

Усредненные значения параметров режима фрезерования (роторное бурение): осевая нагрузка, G_д = 0, 3-0, 7 т (3-5кН); число оборотов вращения n = 40 об/мин; производительность бурового насоса Q = 16-18 л/с.

8.2.2 Расширка «окна» в обсадной колонне

состав КНБК: фрезер колонный диаметром 149, 3 мм; УБТС диаметром 120, 6 мм (одна труба ≈ 10 м); фрезер колонный бочкообразный диаметром 156, 0 мм; УБТС диаметром 120, 6 мм расчетной длины (≈ 100-150 м); остальное до устья скважины СБТ 127х9, 19 мм.

Расширка «окна» до нормального диаметра скважины 155, 6 мм производится с помощью бочкообразного фрезера. Вырезание «окна» считается законченным тогда, когда последний фрезер и спущенное затем трехшарошечное долото свободно проходят через «окно» при подъеме и спуске инструмента. Параметры режима расширки «окна» практически мало отличаются от режима при первоначальной зарезки, за исключением некоторого увеличения числа оборотов вращения до 50-70 об/мин.

8.2.3 Набор кривизны в открытом стволе скважины

зенитный угол со значения a ₀ – на глубине вырезанного «окна» увеличивается до a_г = 90^о (таблица 19 и рисунок 18). Состав КНБК следующий: трехшарошечное долото диаметром 155, 6 мм; винтовой забойный двигатель-отклонитель с регулируемым кривым переводником с углом изгиба γ _к/п = 1, 5-1, 8^о (отклонитель ориентируется в заданном азимуте); перепускной клапан; немагнитный (диамагнитные) УБТ диаметром 120, 6 мм с телесистемой MWD; немагнитные УБТ диаметром 120, 6 мм (одна труба ≈ 10 м); яс диаметром 120, 6 мм; стальное УБТ диаметром 120, 6 мм длиной 40-50 м; остальное до устья скважины – СБТ 127х9, 19.

8.2.4 Стабилизация кривизны в открытом стволе скважины

Состав КНБК: трехшарошечное долото диаметром 155, 6 мм; ВЗД диаметром 120, 6 мм с центратором диаметром 149, 2 мм, с регулируемым кривым переводником γ _к/п = 1^о; перепускной клапан диаметром 120, 6 мм; спиральный лопастной центратор на валу ВЗД, над долотом диаметром 152 мм; система измерений – MWD/LWD кривизны и азимута, нейтронный каротаж, резистивиметрия диаметром 120, 6 мм; диамагнитные УБТ 120, 6х57, 1 мм (одна труба ≈ 10 м); СБТ 88, 9х11, 4 мм; яс диаметром 120, 6 мм; СБТ 88, 9х11, 4 мм (работают в открытом стволе от забоя до глубины нахождения вырезанного «окна» в обсадной колонне плюс примерно 100-150 м); УБТ 120, 6х50, 8 мм (внутри обсадной колонны длиной 70-80 м для обеспечения нагрузки на долото при бурении горизонтального ствола); остальное до устья скважины – СБТ 127х9, 19 мм.

Параметры режима бурения скважины на интервалах набора и стабилизации кривизны примерно одинаковые, следующие: осевая нагрузка на долото G_д = 7-8 т (70-80 кН); производительность бурового насоса Q = 14-16 л/с.

Параметры бурового раствора выбираются в зависимости от величины пластового давления, допустимой репрессии на пласт с учетом характеристики ВЗД.

Включенная в состав КНБК телесистема MWD предназначена для ориентирования отклонителя и контроля за траекторией ствола. Кроме того, в КНБК устанавливаются системы измерения фирмы «Schumberger», производящие резистивиметрию, акустический каротаж и нейтронный каротаж. Осуществление контроль и регистрацию процесса бурения и параметров вскрываемых горных пород, включая температуру и давление пласта.

Безопасный переводники яс в составе КНБК предназначены для ликвидации прихвата инструмента.

Описанная выше технология строительства РРГС, основанная на накопленном положительном опыте [16, 17], предусматривает вырезание «окна» в эксплуатационной колонне диаметром 177, 8 мм и продолжение бурения ответвленных стволов диаметром 155, 6 мм. Отработанная технология помимо этого включает оснащение скважины комплексом внутрискважинного оборудования для освоения, эксплуатации и ремонта скважины. Однако это не исключает использование в качестве эксплуатационной колонны обсадных труб диаметром 168, 3 мм (146 мм), тем более, что в отечественной практике восстановления скважин из бездействующего фонда подобные задачи успешно решаются [19]. В [20] приводится подробное описание применяемой в отечественной практике капитального ремонта скважин техники и технологии забуривания нового ствола из обсадной колонны роторным способом. Известны также другие оригинальные решения по совершенствованию технологии строительства многозабойных скважин.

Например: в [18] применили метод спуска обсадной колонны диаметром 168, 3 мм с заранее подготовленным «окном» в колонне, через которое после цементирования осуществили выход в открытый ствол и бурение скважины.

В [21] предлагается использование на расчетной глубине, где предусматривается забуривание нового ствола, разбуриваемого материала (чугунные трубы или ЛБТ Д16Т).

Рисунок 18 – Проектный профиль и конструкция основного ствола

№ 1 радиально-горизонтальной скважины

Таблица 17 – Параметры проектного профиля основного ствола радиально-горизонтальной скважины

Интервал ствола по вертикали, м	Длина интервала по вертикали, м	Зенитный угол, град	Горизонтальное отклонение ствола от вертикали, м	Длина скважины по стволу профиля
в начале интервала	в конце интервала	за интервал	общее	интервала	общая
Вертикальный участок
0-1397
Первый участок набора кривизны
1397-2000			79, 33
Второй участок набора кривизны
2000-2005		79, 33	90, 00
Интервал стабилизации кривизны (горизонтальный ствол)
2005-2005		90, 00	90, 00

Примечание:

На первом участке набора кривизны радиус искривления R ₁ = 613, 5 м (интенсивность набора кривизны 0, 934^о/ 10м).

На втором участке набора кривизны R ₂ = 286, 5 м (2^о/ 10м).

Радиально-горизонтальные стволы прокладываются в интервале ствола по вертикали от кровли Н_кр = 2000 м до середины пласта Н_с = 2005 м.

Эксплуатационная колонна диаметром 177, 8 мм спускается на глубину по вертикали 2005 м и по стволу 2300 м.

Диаметр обсадной колонны, мм	Диаметр долота при бурении интервала под спуск колонны, мм	Интервал установки колонны, м	Номер в порядке спуска колонны	Глубина установки головы раздельно спускаемой колонны, м	Тип соединения трубы	Максимальный наружный диаметр соединения, мм
по вертикали	по стволу
от (верх)	до (низ)	от (верх)	до (низ)
Направление
323, 9	393, 7							норм. КБ	315, 0
Кондуктор
244, 5	295, 3							ОТТМ Б	269, 9
Эксплуатационная колонна
177, 8	215, 9							ОТТМ А	198, 0
«Хвостовик»-фильтр
101, 6	215, 9/155, 6							НКТ гладкие	120, 6

Примечание: Глубина кровли продуктивного пласта по вертикали – 2000 м, по стволу 2246 м.

Глубина нахождения вырезанного «окна» в колонне, м	Зенитный угол на глубине вырезанного «окна» в колонне, град	Расстояние между «окнами» в колонне, м	Длина интервала ствола при наборе кривизны от α 0 до α г = 90о	Длина горизонтального ствола в пласта, м	Общая протяженность ответвления в пределах продуктивного пласта, м	Глубина скважины по длине ствола, м
по вертикали	по стволу	по вертикали	по стволу
РГС №2
2004, 5	2282, 5	86, 50	0, 5	-	17, 5	132, 5		2432, 5
РГС №3
2004, 0	2275, 8	85, 16	0, 5	6, 7	24, 2	125, 8		2425, 8
РГС №4
2003, 0	2266, 6	83, 30	1, 0	9, 2	33, 4	116, 6		2416, 6