СПОСОБ ПРОВОДКИ СТВОЛОВ НАКЛОННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН
METHOD OF DRILLING INCLINED AND HORIZONTAL WELL BORES

Изобретение относится к области навигационного и геофизического сопровождения процессов бурения наклонно направленных и горизонтальных нефтегазовых скважин с использованием забойных телеметрических систем.
Известны способы проводки стволов наклонных и горизонтальных скважин, осуществляемые при помощи забойных телеметрических систем (см., например, книгу Белякова Н.В. «Интегрированные геофизические исследования бурящихся скважин». М.: Издательство «Физматкнига», 2008, с.105-139). Каждый из этих способов характеризуется наличием включенного в компоновку низа бурильной колонны измерительного модуля с датчиками геофизических и угловых параметров, обеспечивающего получение и передачу по специально организованному каналу связи с забоя на устье скважины информации, необходимой для реальной оценки геологической и навигационной обстановки в призабойной зоне с целью оперативной разработки программ оптимального управления траекторией ствола в пространстве. При этом технология направленной проводки стволов в основном определяется физическими принципами построения используемых каналов связи, каждый из которых (проводной, гидравлический, электромагнитный, акустомеханический и др.) не обладает необходимой универсальностью при строительстве скважин с различными геолого-техническими условиями бурения. По этой причине при проводке стволов наклонных и горизонтальных скважин находят применение различные отличающиеся по техническим характеристикам забойные телеметрические системы, в том числе и системы с комбинированными каналами связи, позволяющие наилучшим образом компенсировать недостатки, присущие отдельным каналам. При всем этом не снижаются требования к правильному выбору канала связи и рациональному способу организации его функционирования по всей проектной длине ствола скважины. Особую актуальность эти требования приобретают при разведке и разработке месторождений, например в Западной Сибири, которые по своему литологическому разрезу обеспечивают возможность строительства скважин одноколонной конструкции со спуском кондуктора на глубину порядка 500-800 м. В большинстве своем проводка таких скважин осуществляется с выходом из-под башмака кондуктора открытого ствола большой протяженности с интенсивным искривлением (при возрастании зенитного угла) в начале его формирования и с последующим наклонным, горизонтальным (либо близким к этому направлению) вхождением в продуктивные отложения небольшой мощности (до 30-50 м) с глубиной залегания до 1300-2500 м. Процесс бурения этих скважин сопряжен с необходимостью повышения при минимуме затрат достоверности и скорости передачи телеметрических данных с забоя к наземной приемно-регистрирующей аппаратуре на всех этапах разбуривания горных пород для высокоточного вычисления текущих координат оси ствола и качественной интерпретации геофизической информации о проходимом буровым инструментом геологическом разрезе. Для решения этой проблемы в последние годы получила распространение разработанная в России технология проводки стволов наклонных и горизонтальных скважин с применением комплексной забойной телеметрической системы ЗТС 48-АК-М (ранее ЗТС 45-АК-М), позволяющая в зависимости от поставленных задач использовать различные каналы связи на трех этапах строительства скважин. Так на первом этапе строительства скважин, таком как забуривание ствола под направление и кондуктор, используется акустомеханический (при передаче сигналов по колонне бурильных труб) канал связи, предусматривающий включение в компоновку низа бурильной колонны измерительного модуля с датчиками, как минимум, угловых параметров, оснащенного жестко смонтированным на его головной части акустическим излучателем (передатчиком акустических сигналов), а также размещение на стволе вертлюга приемника-ретранслятора акустических сигналов для передачи необходимой информации приемно-регистрирующей аппаратуре путем излучения с помощью антенны модулированных колебаний в виде электромагнитных волн. Применение такого типа канала связи позволяет на первом этапе отказаться от гидравлического канала связи, который для обеспечения передачи гидравлических импульсов использует вводимый в компоновку низа бурильной колонны пульсатор, не отличающийся высокой надежностью из-за подверженности значительному износу при повышенном расходе бурового раствора и наличии в нем повышенного содержания твердой фазы (мелких частиц выбуренной породы). Однако после спуска кондуктора на заданную глубину, его цементирования и оснащения бурильной колонны отклоняющей компоновкой продолжение проводки ствола из-под башмака кондуктора с резким искривлением нижнего интервала и последующим входом в продуктивный пласт применение забойной телеметрической системы с акустомеханическим каналом связи становится проблематичным. Это объясняется тем, что в связи с низкой интенсивностью передаваемых акустических сигналов возникают трудности выделения полезной информации на фоне дополнительно возрастающих при значительных изгибах бурильной колонны (особенно в местах замковых соединений) помех из-за рассеяния акустических волн в результате отражений и преломлений на стыках труб, ниппелей и муфт и потерей звуковой энергии, обусловленной наличием упругого гистерезиса, явления релаксации и термической природы поглощения упругих колебаний. По этой причине, несмотря на отмеченные выше недостатки гидравлического канала связи, на втором этапе направленной проводки ствола, связанном с интенсивным набором кривизны, во время смены компоновки низа бурильной колонны производят электромеханическое отсоединение акустического излучателя от измерительного модуля, а взамен на головной части устанавливают пульсатор гидравлических импульсов, что позволяет осуществлять дальнейшую проходку ствола большой протяженности при наличии, однако, вследствие низкой скорости передачи данных (около 3 бит/с) всего лишь двух геофизических датчиков (гамма-каротажа и резистивиметрии). Это сужает информационные возможности телесистемы, что ограничивает ее использование (особенно в процессе бурения разведочных скважин). Поэтому, несмотря на большую дальность передачи информации по гидравлическому каналу связи, после получения запроектированного минимально необходимого зенитного угла на завершающем третьем этапе направленной проводки наклонного или горизонтального ствола вплоть до проектной точки пласта, когда техническими условиями предусматривается тщательный контроль за положением его оси в продуктивном горизонте относительно кровли и подошвы и контроль за проходимой породой, возникает необходимость применения забойной телеметрической телесистемы с расширенным комплектом геофизических датчиков и повышенной скоростью передачи данных. Для решения этой задачи рассматриваемый способ проводки стволов наклонных и горизонтальных скважин предусматривает переход от гидравлического к комбинированному каналу связи, обеспечивающему повышенную дальность передачи информации при скорости до 200 бит/с и представляющему собой сочетание находящегося в нижней части бурильной колонны проводного канала, а в верхней - акустомеханического. При этом проводной канал формируют в виде сбросного проводного (кабельного) соединителя временного использования, обеспечивающего при монтаже-демонтаже бурильной колонны легкое электрическое соединение измерительного модуля с акустическим излучателем либо их отсоединение друг от друга с помощью разъемов, имеющих гальванические и индуктивные контакты. Причем длину соединителя выбирают максимальной исходя из глубины самопроизвольного на спуске дохождения его нижнего конца до вступления в индуктивный контакт с головной частью измерительного модуля (обычно ниже башмака кондуктора) при зенитных углах до 55-57° (см., например, статью Белякова Н.В. Малогабаритная забойная телеметрическая система с комбинированным каналом связи // НТВ «Каротажник», Тверь: Изд-во АИС, 1996, Вып.30, с.60-67). При больших зенитных углах спуск соединителя осуществляют принудительно потоком промывочной жидкости с помощью специальной устьевой головки с уплотнительным устройством (лубрикатором). Очевидно, что такой способ организации комбинированного канала связи, продиктованный стремлением обеспечить доведение забоя до проектного местоположения в пласте с помощью одного проводного соединителя, по эргономическим и экономическим показателям не является наилучшим, тем более что удлинение ствола в процессе бурения ограничено глубиной спуска акустического излучателя, который, как следует из вышеизложенного, не следует располагать в непосредственной близости от участка ствола с резким искривлением, ибо акустические шумы, возникающие в результате изгибных напряжений в бурильной колонне и интенсивного трения ее поверхности о породу, в качестве помех накладываются на спектр информационных акустических сигналов, искажая их при передаче. Если же учесть, что распространяющиеся по металлу бурильной колонны акустические волны помех достаточно быстро затухают в результате поглощения их энергии внутри металла и рассеяния в окружающей среде, особенно при возникновении надежного акустического контакта с башмаком кондуктора, то становится ясным, что для обеспечения необходимой помехозащищенности канала связи акустический излучатель нецелесообразно выводить за пределы внутренней полости кондуктора.
Наиболее близким к предлагаемому является способ проводки стволов наклонных и горизонтальных скважин при помощи забойной телеметрической системы, содержащей включенный в компоновку низа бурильной колонны измерительный модуль с датчиками геофизических и угловых параметров, электрически присоединенный посредством проводного соединителя к акустическому излучателю, информационно связанному через колонну бурильных труб с приемником-ретранслятором акустических сигналов, установленным на стволе вертлюга буровой установки (Беляков Н.В., Коданев В.П., Сизов И.И. Использование акустического канала в комбинированном варианте связи с ЗТС // НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд-во АИС, 2006. Вып.143-145, с.186-190). Этот способ, являющийся составной частью способа, использующего комплексную забойную телеметрическую систему, не обладает необходимой универсальностью, что ограничивает область его применения и приводит к снижению эффективности процесса направленной проводки наклонных и горизонтальных стволов скважин из-за искажения измеряемых величин вследствие затухания акустических колебаний в колонне бурильных труб с ростом глубины и необходимости проведения непредусмотренных регламентом дополнительных работ по извлечению бурового инструмента из скважины для удлинения проводного соединителя.
Изобретением решается задача расширения области применения и повышения эффективности способа проводки стволов при бурении наклонных и горизонтальных нефтяных и газовых скважин.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе проводки стволов наклонных и горизонтальных скважин при помощи забойной телеметрической системы, содержащей включенный в компоновку низа бурильной колонны измерительный модуль с датчиками геофизических и угловых параметров, электрически присоединенный посредством проводного соединителя к акустическому излучателю, информационно связанному через колонну бурильных труб с приемником-ретранслятором акустических сигналов, установленным на стволе вертлюга буровой установки, при забуривании по заданному профилю участка ствола под кондуктор с башмаком на нижнем конце излучатель закрепляют в переводнике и совместно с ним устанавливают в бурильной колонне на минимальном расстоянии от головной части измерительного модуля при укороченном по длине соединителе, а при забуривании из-под башмака кондуктора участка интенсивного набора зенитного угла с последующим вхождением в продуктивный пласт излучатель совместно с переводником передислоцируют в приустьевую часть бурильной колонны с увеличением длины соединителя до величины, суммарно с длиной излучателя не превышающей длины кондуктора, при этом проводку участка ствола осуществляют до входа излучателя в башмак кондуктора, причем при бурении с дальнейшим прохождением ствола по продуктивному пласту в приустьевой зоне бурильной колонны устанавливают переводник со вторым, идентичным первому, излучателем, электромеханически связанным через дополнительный соединитель с гидрофоном, который размещают на минимальном расстоянии от первого излучателя, при этом проводку ствола скважины завершают преимущественно до входа второго излучателя в башмак кондуктора.
Отличительными признаками предлагаемого способа проводки стволов наклонных и горизонтальных скважин от указанного выше известного наиболее близкого к нему являются закрепление акустического излучателя в переводнике и его установка при забуривании по заданному профилю участка ствола под кондуктор с башмаком на нижнем конце в бурильной колонне на минимальном расстоянии от головной части измерительного модуля при использовании укороченного по длине соединителя, а также осуществление передислокации акустического излучателя совместно с переводником в приустьевую часть бурильной колонны с увеличением длины соединителя до величины, суммарно с длиной излучателя не превышающей длины кондуктора при забуривании из-под его башмака участка интенсивного набора зенитного угла с последующим вхождением ствола в продуктивный пласт, а также осуществление при этом проводки участка ствола до входа излучателя в башмак кондуктора. Кроме того, отличительными признаками являются также установка в приустьевой части бурильной колонны при бурении с дальнейшим прохождением ствола по продуктивному пласту переводника со вторым, идентичным первому, излучателем, электромеханически связанным через дополнительный соединитель с гидрофоном, который размещают на минимальном расстоянии от первого излучателя, а также завершение проводки ствола скважины преимущественно до входа второго излучателя в башмак кондуктора.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1 и 2.
На фиг.1 показана схема направленной проводки ствола на завершающем этапе строительства скважины при помощи забойной телеметрической системы с комбинированием акустомеханического и проводного каналов связи.
На фиг.2 - фрагмент схемы проводки вертикального участка ствола скважины для установки кондуктора.
Сущность способа заключается в следующем.
Рассмотрим предложенный способ на примере строительства горизонтальной скважины.
Перед началом бурения горизонтальной скважины в соответствии со схемами, представленными на фиг.1 и 2, осуществляют подготовительные работы, связанные с доставкой на скважину и оснащением буровой установки, используемой в данном случае забойной телеметрической системой, включающей в себя наземную измерительную станцию 1 с приемно-регистрирующей аппаратурой и комплект скважинного оборудования для измерения и передачи глубинных параметров по проводно-акустомеханическому каналу связи забоя с устьем скважины. При этом приемно-регистрирующая аппаратура измерительной станции 1, располагаемой на безопасном расстоянии от буровой вышки 2, содержит радиоприемное устройство 3 с антенной и демодулятор 4 акустических сигналов, выполненный на базе персонального компьютера. Комплект скважинного оборудования включает в себя измерительный модуль 5 с датчиками геофизических и угловых параметров, акустический излучатель 6, приемник-ретранслятор 7 акустических сигналов и комплект проводных разрываемых, т.е. легко отделяемых от конструкций, соединителей 8 и 9 разной технологически обоснованной длины в виде отрезков геофизического кабеля с элементами 10 и 11 индуктивных разъемов на одних концах и элементами 12 и 13 гальванических разъемов на других. При этом акустический излучатель 6 снизу, а измерительный модуль 5 сверху (на головной части) имеют ответные элементы 14 и 15 указанных разъемов. Конструктивно элементы 14 гальванического разъема акустического излучателя 6, как обычно, могут быть выполнены в виде головки охранного кожуха скважинного прибора, а элементы 12 и 13 гальванических разъемов соединителей 8 и 9 - в виде унифицированных кабельных наконечников. Устройство индуктивных разъемов может быть различным, но таким, чтобы их встречные элементы 10, 11 и 15, включающие в себя катушки с большим числом витков намотанного провода, имели наибольший коэффициент связи между собой. Для осуществления процесса направленного бурения скважины акустический излучатель 6 жестко закрепляют внутри специально изготовленного переводника 16 с обеспечением надежного акустического контакта с ним. С обеспечением аналогичного требования на стволе 17 вертлюга 18 устанавливают приемник-ретранслятор 7 акустических сигналов, оснащенный радиоантенной. После этого в соответствии со схемой на фиг.2 формируют компоновку низа бурильной колонны, необходимую для забуривания вертикального участка ствола под установку кондуктора 19 (см. фиг.1). Эта компоновка, как минимум, включает в себя долото 20, турбобур 21, немагнитную бурильную трубу 22 с фиксировано размещенным в ней измерительным модулем 5, вспомогательный переводник 23 с расположенным в нем укороченным по длине соединителем 8 и переводник 16 с акустическим излучателем 6. Причем длина соединителя 8 выбирается такой, чтобы при сборке компоновки обеспечивать на минимальном расстоянии друг от друга надежную электромагнитную связь встречных элементов 10 и 15 индуктивного разъема. При необходимости, с целью минимизации расстояния между измерительным модулем 5 и акустическим излучателем 6, вспомогательный переводник 23 может быть исключен из компоновки. После присоединения этой компоновки через утяжеленную бурильную трубу 24 к ведущей бурильной трубе 25, связанной со стволом 17 вертлюга 18 (см. фиг.1), осуществляют с последующим наращиванием длины бурильной колонны разбуривание вертикального участка ствола до заданной проектной глубины. При этом в процессе бурения электрические сигналы, вырабатываемые датчиками измерительного модуля 5 через проводной соединитель 8, поступают на вход акустического излучателя, в котором они преобразуются в акустические сигналы, распространяющиеся в виде упругих колебаний по колонне бурильных труб до приемника-ретранслятора 7. В приемнике-ретрансляторе 7 акустические колебания, воспринимаемые пьезоприемником, преобразуются в электрические модулированные колебания, которые с помощью антенны в виде электромагнитных волн (или иначе радиоволн), несущих необходимую забойную информацию, излучаются в окружающее пространство. Радиоволны, пересекая антенну радиоприемного устройства 3, наводят в ней ЭДС различных частот, которые после избирательности и усиления в форме выделенных полезных сигналов, поступающих от датчиков измерительного модуля 5, преобразуются с помощью демодулятора измерительной станции 1 к виду, удобному для регистрации и отображения, например, на экране дисплея. Получаемую таким образом информацию используют для управления процессом проводки вертикального участка ствола до проектной глубины. При этом благодаря прямолинейному, либо слабо искривленному положению забуриваемого под кондуктор 19 (см. фиг.1) участка ствола и сравнительно небольшой длине бурильной колонны, обеспечивающих наиболее благоприятные условия для минимизации поглощения звуковой энергии и ее рассеяния, создаются наилучшие условия для помехоустойчивости используемого комбинированного канала связи, что, в конечном счете, приводит к повышению достоверности получаемой с забоя информации и, как следствие, к повышению точности проводки ствола по проектной траектории. С учетом этого фактора строится технология дальнейшей направленной проводки ствола скважины до достижения проектной точки пласта. После подъема из скважины бурильной колонны, спуска на заданную глубину и цементирования кондуктора 19 (см. фиг.1) осуществляют формирование очередной компоновки низа бурильной колонны, обеспечивающей проходку участка ствола с интенсивным набором зенитного угла и последующим вхождением в продуктивный пласт. При этом в качестве турбобура 21 используется, например, турбинный отклонитель, над которым так же, как и в первом случае, устанавливается немагнитная бурильная труба 22 с размещенным в ней измерительным модулем 5. При наращивании такой компоновки колонной из бурильных труб 26 и утяжеленных бурильных труб 25 с заранее выверенной длиной в ее приустьевую часть устанавливается ранее извлеченный из предыдущей компоновки переводник 16 с акустическим излучателем 6, который взамен укороченного по длине соединителя 8 предварительно оснащается соединителем 9, удлиненным до величины, суммарно с длиной излучателя 6 не превышающей длины кондуктора 19, и рассчитанным на максимальную глубину спуска его нижнего конца с вхождением элементов 11 и 15 индуктивного разъема в надежную электромагнитную связь при нахождении измерительного модуля 5 в пределах башмака 27, смонтированного на нижнем конце кондуктора 19. После присоединения к бурильной колонне ведущей бурильной трубы 25 продолжают проводку участка ствола в заданном направлении, ориентируясь на показания датчиков измерительного модуля 5, передаваемые к измерительной станции 1 по вновь организованному каналу связи с использованием одного и того же акустического излучателя 6, что значительно упрощает и удешевляет осуществляемый технологический процесс. При наращивании бурильного инструмента до подхода акустического излучателя 6 к башмаку 27 кондуктора 19 процесс бурения приостанавливают и в случае возможности дальнейшего продолжения ствола по продуктивному горизонту с используемой отклоняющей компоновкой в приустьевой зоне бурильной колонны, как это показано на фиг.1, устанавливают переводник 28 со вторым акустическим излучателем 29, идентичным по конструкции с первым акустическим излучателем 6 и электромеханически связанным через дополнительный соединитель 30 с гидрофоном 31, который размещают на минимальном расстоянии от акустического излучателя 6 для обеспечения с ним надежной акустической связи по промывочной жидкости. При этом соединитель 30 изготавливают в виде отрезка геофизического кабеля с элементами 32 и 33 гальванических разъемов на концах, электромеханически контактирующими со встречными элементами 34 и 35 разъемов, соответственно смонтированными на акустическом излучателе 29 и гидрофоне 31. При этом гидрофон 31, являясь звукоприемным устройством, может быть выполнен на основе известных конструкций с электромеханическим преобразователем пьезоэлектрического типа. После восстановления процесса бурения воспринимаемые гидрофоном 31 от акустического излучателя 6 (см. фиг.1) колебания звукового давления в промывочной жидкости преобразуются в электрические сигналы, которые после поступления по соединителю 30 на вход акустического излучателя 29 преобразуются, в свою очередь, в акустические сигналы, воспринимаемые через элементы бурильного инструмента приемником-ретранслятором 7. Таким образом, обеспечивается полный контроль за направленной проводкой ствола на завершающем этапе строительства скважины. При этом исходя из вышеизложенных соображений проводку ствола скважины завершают преимущественно до входа акустического излучателя 29 в башмак 27 кондуктора 19, что в большинстве случаев позволяет успешно достигать заданных по стволу конечных проектных глубин. Однако, в случае необходимости продолжения бурения при оставшемся резерве в осевой нагрузке на долото, достаточном для дальнейшего удлинения ствола, процесс его проводки не исключает выход акустического излучателя 29 из башмака 27 за пределы кондуктора 19. При этом, как обычно, для уточнения получаемой с забоя информации целесообразно осуществлять контроль процесса проводки ствола по выносимому шламу или, в крайнем случае, обеспечить удлинение соединителя 30 в ходе вынужденного спуско-подъема бурильного инструмента, связанного с заменой отработавшего долота 20 (см. фиг.1).
Благодаря технологической реализации условий по обеспечению более стабильной передаточной функции акустомеханического участка канала связи в сочетании с дальнодействием проводных участков канала связи предложенный способ проводки стволов наклонных и горизонтальных скважин, осуществляемый при помощи рассмотренной забойной телеметрической системы, является более эффективным по сравнению с известными способами и по существу становится универсальным для каналов с односторонней передачей сообщений типа «забой-устье», так как позволяет решать задачи направленного бурения на всех этапах строительства скважин без вовлечения в технологический процесс иных каналообразующих систем.