Реферат Горизонтально-направленное бурение. ..

Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Самарский государственный технический
университет»
Институт нефтегазовых технологий
Кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин»
РЕФЕРАТ
по дисциплине
«ГЕОНАВИГАЦИЯ В БУРЕНИИ»
по теме:
«Горизонтально-направленное бурение»
Выполнил
Студент: 5-ИНГТ-ЗФ-Д9А
Сызганцев В.П.
________________________
Проверил
Ст. преподаватель каф. БНГС
Агеева Ю.А.
__________________________
подпись
«___» ____________2023 г.
подпись, оценка
«___» ____________2023 г.
Самара 2023 г.
2
Содержание
Введение………………………………………………………………………….3
1. Технология горизонтально-направленного бурения……………………...5
2. Кустовое бурение горизонтально – направленных скважин …………….12
3. Многозабойный метод бурения горизонтально – направленных
скважин……………………………………………………………………….14
Заключение ……………………………………………………………………..18
Список литературы……………………………………………………………..19
3
Введение
Горизонтально-направленное бурение - это метод бестраншейной
прокладки трубопроводов и других коммуникаций на различной глубине под
естественными и искусственными препятствиями без нарушения режима их
обычного функционирования.
Этот метод был разработан и впервые внедрен в 1971 г. в США
корпорацией "Titan Contractors" под рекой Педжейро в Калифорнии. Был
проложен трубопровод диаметром 115,3 мм протяженностью 231,6 м. С этого
времени метод горизонтально направленного бурения завоевал большую
популярность за рубежом .Уже 30 лет на западе никому и в голову не придет
для прокладки коммуникаций вскрывать асфальт, разбирать рельсовые пути,
менять транспортные потоки и создавать таким образом массу неудобств
людям.
Между тем, технология горизонтально - направленного бурения (ГНБ)
проста и понятна. В нужной точке входа трубопровода (на берегу реки, на
одной из сторон дороги) ставится установка направленного бурения , которая
по заданной траектории бурит пилотную скважину и выходит с высокой
точностью на другой стороне препятствия .
В зависимости от требующегося диаметра скважины для протяжки
одной или нескольких труб или труб-футляров, выполняется в один или
несколько этапов расширение скважины. В полученную скважину с
использованием специального бурового раствора, как смазывающего и
формирующего канал вещества, затягиваются нужные трубы и кабеля. Для
волоконно-оптических кабелей затягивается труба-футляр, в которую затем
затягивается кабель.
Таким
способом
можно
бурить
как
прямолинейные,
так
и
криволинейные скважины, благодаря тому, что в буровом снаряде
располагается передатчик, а сигналы, излучаемые этим передатчиком,
принимаются приемником на поверхности. Это позволяет непрерывно
отслеживать направление, глубину и другие параметры проходки.
4
Преимущества работы буровых комплексов неоспоримы. Они, не
нарушая покрытия проходят все наземные и подземные препятствия: районы
плотной жилой застройки, автотрассы, железнодорожное полотно, реки,
дамбы, каналы
Машины не остановят ни скалы, ни плавуны, ни овраги, ни сложно
пересеченная местность. Комплексы быстроходны. Те объемы строительства,
которые
траншейным
методом
осваиваются
месяцами,
комплексы
выполняют за считанные дни.
Очень важна так же и экологическая составляющая: нетронутые
насаждения и рельеф местности, сохраненный плодородный слой почвы. При
использовании этой технологии значительно сокращаются объемы работ: как
правило на объекте задействована одна буровая установка и бригада рабочих
из 3-4 человек. Все это дает огромную экономию финансовых средств
примерно 30%.
Метод ГНБ - это уникальный метод, который уже в ближайшее время в
строительстве подземных коммуникаций будет вне конкуренции.
5
1. Технология горизонтально-направленного бурения
Горизонтально-направленное бурение часто используется при разведке
и добыче таких полезных ископаемых, как нефть и газ, особенно при
многоствольном и кустовом бурении. С 1990-х активно развиваются
технологии направленного бурения для создания скважин с горизонтальными
участками длиной до нескольких километров.
В настоящее время горизонтально – направленное бурение широко
применяется на морских нефтяных платформах, для охвата большей
территории с помощью стационарной установки, чем, если бы скважины
были
вертикальными,
для
разведки
полезных
ископаемых
в
труднодоступных местах, а также для прокладывания коммуникаций под
водоёмами различными строениями. Отдельно нужно сказать о том, что
наклонно-направленное серьезно упрощает добычу нефти и газа, в местах,
где запрещена постройка промышленных сооружений, в частности – в
заповедниках.
Рисунок 1. – Различия между типами скважин
6
Впервые данный метод бурения стал применяться в середине XX века.
Основоположниками данного метода являются американские нефтяники
Джон Истман, Роман Хайнс и Джордж Фейлинг, впервые применившие его в
1934 году для добычи нефти из месторождения Конро, Техас.
В СССР подобный метод при поддержке бакинского ученного М.П.
Гулузаде впервые применил азербайджанский нефтяник Ага Нейматулла для добычи нефти из труднодоступного месторождения: на суше - в 1941
году (район Баку Бибиэйбат), и в Каспийском море - в 1946-47 годах [3].
Технология горизонтального
бурения развивалась постепенно. Для
отклонения компоновки низа бурильной колонны (КНБК) от вертикали в
скважину устанавливались клиновые отклонители; бурение производилось
традиционными роторными компоновками. Однако направленные скважины,
созданные по такой технологии, часто не достигали целевых пластов, имея
значительные отклонения от целевых азимутов[2].
В невертикальных участках скважин с наклоном более 12 градусов при
необходимости дальнейшего изменения зенитного угла может применяться
забойная роторная компоновка со стабилизаторами и утяжеленными
бурильными трубами, которая создает на долоте отклоняющую нагрузку.
Опорная компоновка применяется для набора угла, маятниковая для
уменьшения.
Для
сохранения
набранного
угла
используется
стабилизированная компоновка[2].
С 1960-х годов для горизонтально - направленного бурения стали
применяться компоновки с кривым переходником и забойным двигателем
(например, использующими гидравлический привод винтовым забойным
двигателем или турбобуром). Изначально кривые переходники имели
фиксированный угол наклона от 0,5 до 1 градуса. Направление в таких
компоновках задавалось поворотом бурильной колонны, однако для
изменения угла наклона требовалось поднятие на поверхность и замена
переходника[2].
7
Позже были изобретены и внедрены переходники с управляемым
изгибом (от 0 до 4 градусов), задаваемым с поверхности без поднятия
компоновки из скважины. Они также использовались совместно с забойными
двигателями, образуя управляемый двигатель. Такой двигатель может
использоваться в двух режимах: роторного (вращательного) бурения, при
котором усилие создается роторным столом или верхним приводом, и
скользящем режиме, в котором бурильная колонна не вращается, а долото
приводится в действие забойным двигателем. В скользящем режиме
поворотом колонны задается азимутальный угол отклонения, а зенитный
угол задается изгибом управляемого переходника.
Рисунок 2. – Регулятор угла перекоса гидравлического забойного двигателя.
С 1990-х развиваются роторные управляемые системы, позволяющие
управлять наклоном скважины во время роторного бурения без периодов
скольжения. Изначально они использовались для бурения скважин с
большими отклонениями от вертикали, но затем стали широко применяться
для бурения скважин любых профилей[2].
Развитие в 2000-х годах горизонтально - направленного бурения с
горизонтальными участками до 3-4 километров длиной, совместно с
8
многостадийным гидроразрывом пласта позволило начать в Северной
Америке экономически оправданную добычу газа, а затем и лёгкой нефти
плотных коллекторов из сланцевых формаций
Наиболее
эффективная
область
использования
горизонтально-
направленного бурения — при разработке месторождений в акваториях, в
болотистых или сильно пересечённых местностях и в случаях, когда
строительство буровых может нарушить условия охраны окружающей среды.
Горизонтально-направленное бурение применяют также при бурении
вспомогательных
скважин
для
глушения
открытых
фонтанов,
при
многоствольном бурении или отклонении нижней части ствола вдоль
продуктивного горизонта с целью увеличения дренажа.
Рисунок 3. – Пример применения установки
горизонтально -направленного бурения
Горизонтально-направленное бурение нефтяных и газовых скважин
осуществляется по специальным профилям. Профили скважин могут
варьироваться, но при этом верхний интервал ствола наклонной скважины
должен
быть
вертикальным,
с
последующим
отклонением
в
запроектированном азимуте.
При геологоразведочных работах на твёрдые полезные ископаемые
наклонно-направленное бурение осуществляется шпиндельными буровыми
станками с земной поверхности или из подземных горных выработок.
Бурение
таких
скважин
отличается
тем,
что
вначале
они
имеют
прямолинейное направление, заданное шпинделем бурового станка, а затем в
9
силу анизотропии разбуриваемых пород отклоняются от прямолинейного
направления.
Существуют два способа горизонтально-направленного бурения на
нефть и газ. Первый (распространён в США) представляет собой
прерывистый процесс проводки скважин с использованием роторного
бурения (применяется с начала 20 в.). При этом способе с забоя скважины
долотом меньшего диаметра, чем диаметр ствола скважин, забуривается
углубление под углом к оси скважины на длину бурильной трубы с помощью
съёмного
или
несъёмного
клинового
либо
шарнирного
устройства.
Полученное таким образом направление углубляется и расширяется.
Дальнейшее бурение ведётся долотом нормального диаметра с сохранением
направления с помощью компоновки низа бурильной колонны, оснащённой
стабилизаторами.
Второй
способ
(применялся
в
CCCP),
предложенный
Р.
А.
Иоаннесяном, П. П. Шумиловым, Э. И. Тагиевым и М. Т. Гусманом в начале
40-х гг. 20 века, основан на использовании турбобура либо другого забойного
двигателя. Этот способ представляет собой непрерывный процесс набора
искривления и углубления скважины долотом нормального диаметра. При
этом способе для набора искривления используется такая компоновка низа
бурильной колонны, при которой на долото в процессе бурения действует
сила, перпендикулярная его оси (отклоняющая сила). В этом случае весь
процесс
наклонно-направленного
бурения
сводится
к
управлению
отклоняющей силой в нужном азимуте. Создание отклоняющей силы может
осуществляться различными путями. Если турбобур односекционный, то для
получения
необходимой
отклоняющей
силы
достаточно
иметь
над
турбобуром переводник с перекошенной резьбой, либо искривлённую
бурильную трубу[4].
При пропуске турбобура в скважину изогнутая часть компоновки над
турбобуром за счёт упругих деформаций стремится выпрямиться, а в сечении
изгиба возникает момент силы. Отклоняющая сила в этом случае равняется
10
моменту силы, разделённому на расстояние от сечения изгиба до долота.
Интенсивность набора угла искривления при описанной выше компоновке
будет невысокой, а предельный угол искривления — менее 30°. Для более
интенсивного набора искривления сечение изгиба, где возникает момент
упругих сил, переносят ближе к долоту. Для этой цели применяются
специальные шпиндели и турбобуры. Так как при таких шпинделях резко
увеличивается
искривления
отклоняющая
и
сила,
предельная
то
интенсивность
величина
набора
искривления
угла
существенно
увеличиваются.
На интенсивность набора угла искривления влияет также частота
вращения долота и скорость подачи бурильной колонны в процессе бурения.
Чем выше частота вращения долота и чем меньше скорость подачи
бурильной колонны, тем интенсивнее, под действием отклоняющей силы,
происходит фрезерование стенки скважины и тем интенсивнее искривление.
Наибольшая интенсивность искривления может быть получена при
применении в нижней части турбобура эксцентричного ниппеля, который
позволяет выводить ствол скважины в горизонтальное положение.
Прямолинейные наклонные участки ствола скважины бурятся с
компоновками,
оснащёнными
стабилизаторами.
Ориентирование
отклоняющей силы в нужном азимуте может осуществляться визирным
спуском бурильной колонны либо с помощью инклинометра при установке
над
турбобуром
диамагнитной
трубы
и
магнитным
устройством,
расположенным в плоскости действия отклоняющей силы. Указанные
методы ориентирования отклоняющей силы должны учитывать угол
закручивания бурильной колонны, возникающий из-за реактивного момента
турбобура, что в некоторой степени отражается на точности ориентирования.
В 80-х гг. распространяются системы телеконтроля, позволяющие в
процессе бурения контролировать направление действия отклоняющей силы.
В настоящее время для скважин под добычу нефти используют три
метода:
11
1. Роторное горизонтально – направленное бурение. Технология имеет
прерывистый характер, который заключается в бурении скважины
меньшего диаметра под определённым углом с использованием
шарнирного устройства и дальнейшего бурения долотом нужного
диаметра по плановому направлению. Согласно методу, дальнейшее
бурение производится после заглубления бурильной колонны нужного
диаметра по этому же направлению с помощью шарнирной установки
или клиновой. Буровая оборудуется стабилизаторами для обеспечения
полного контроля процесса.
2. Забойное горизонтально - направленное бурение с применением
турбобура
или
двигателя
забойного
типа.
Способ
является
непрерывным при формировании отклонения от вертикального
положения
ствола
скважины.
По
технологии
поворот
ствола
осуществляется за счёт воздействия отклоняющей долото силы в
колонне, способствующая его отклонению в заданном направлении.
Таким
образом,
управление
осуществляется
за
счёт
контроля
искривляющей силы бура, действующей в нужном азимуте. Создание
такой
силы
осуществляется
с
использованием
переводников с нарезанной резьбой.
специальных
Турбобур при наклонно-
направленном бурении за счёт сил деформации стремится выровняться,
но из-за наличия изгиба образуется момент силы, которая зависит от
момента вращения бура. То есть, чем больше вращающий момент, тем
больше угол наклона бурения. Предельный угол при этом составляет
до 300. Для увеличения угла применяют шпиндели, позволяющие
перенести момент отклоняющей силы в точку размещения долота.
Горизонтальные
участки
скважины
использовании эксцентриковых ниппелей.
можно
получить
при
12
3. Горизонтально-направленное бурение с применением различных
сочетаний буровых инструментов. В соответствии с методом, при
изменении порядка бурения с применением разных инструментов
создаётся скважина с необходимым направлением без использования
отклонителей.
Однако
при
этом
данная
технология
имеет
существенные ограничения по скорости бурения на максимальных
оборотах, что считается значительным её недостатком.
Рисунок 4. – Различные типы скважин при ГНБ
2. Кустовое бурение горизонтально – направленных скважин
При добыче нефти или газа методом наклонно-направленного бурения
может возникать необходимость увеличения скорости откачки и уменьшения
времени освоения продуктивных горизонтов во время создания новых или
ремонта старых скважин. Если жёсткие ограничения по способу проходки до
заданной области отсутствуют, то бурение может осуществляться путём
продольного прохождения пласта. Протяжённость горизонтального участка
при этом может превышать 1 км.
Кустовое наклонно-направленное бурение конструктивно представляет
собой наличие единого устья и разветвлённой серии забоев, которые
расположены в нескольких продуктивных пластах. Применяется при
13
необходимости попадания в заданный продольный участок пласта или
нескольких пластов, расположенных относительно недалеко друг от друга, а
также для прокладки проводных и трубных коммуникаций под надземными и
подземными препятствиями.
Минимальное число скважин при кустовом наклонно-направленном
бурении в одном кусте составляет два, а максимальное — ограничено
техническими и геологическими факторами. Способы бурения кустовым
методом следующие:
1.
Двуствольное последовательное;
2.
Двуствольное параллельное;
3.
Трёхствольное.
Ответвления скважин от устья при наклонно-направленном бурении
могут выполняться в пирамидальном или конусном виде, а основания иметь
округлую или многоугольную форму. При освоении многопластовых
месторождений возможно радикальное увеличение числа скважин в кусте,
относительно существующего количества. При этом количество работающих
буровых установок выбирается с учётом обеспечения максимальной
производительности освоения продуктивного пласта [5].
14
3. Многозабойный метод бурения горизонтально – направленных
скважин
Многозабойное наклонно-направленное бурение используется для
проходки базового ствола и дальнейшего забуривания с выполнением
проходки нижней части пласта. Технология применяется в основном для
разведки и разработки нефтяных месторождений. Осуществляется в пластах,
отличающихся высокой устойчивостью и имеющие не менее 20 м
монолитного пласта из твёрдых скальных пород. При глубине более 1500 м и
отсутствии
газового
слоя
многозабойное
бурение
сокращают
из-за
увеличения дренирования поверхности продуктивного пласта.
Преимуществом данного метода наклонно-направленного бурения
является использование одного и того же ствола для пробуривания
нескольких дополнительных стволов, что позволяет сократить время на
проведение
буровых
работ и
ускорить добычу нефти.
По
форме
дополнительных стволов многозабойные скважины могут быть следующих
видов:
Радиальные. Состоят из горизонтального основного ствола,
1.
который разветвляется на несколько вспомогательных, расположенных
радиально.
2.
Разветвлённые. Согласно технологии, дополнительные
стволы располагаются под определённым наклоном к основному.
3.
Разветвлённые
предыдущего
вида
по
только
горизонтали.
наличием
Отличаются
дополнительных
от
стволов,
расположенных под углом в 90°.
Многозабойное
наклонно-направленное
бурение
дополнительных
стволов выполняется сверху вниз или снизу вверх. Первый метод
используется
при
переносе
работ
от
разрабатываемого
пласта
к
неизвестному. Он эффективен при обнаружении полезного пласта ниже
исследованного
уровня,
поэтому
основное
назначение
метода
—
исследование близкорасположенных пластов. Технология бурения снизу
15
вверх
позволяет
выполнить
сгущение
сети
разведки
пласта
при
необходимости выяснения или уточнения оставшегося запаса полезных
ископаемых [5].
Бурение
многозабойных
горизонтально-наклонных
скважин
применяется:
 при отклонении ствола от зоны разрыва пласта;
 при необходимости повторного бурения нижней части ствола в рабочей
скважине;
 когда производят бурение наклонных и горизонтальных скважин;
 для дегазации угольного пласта;
 при вскрытии продуктивных пластов.
С помощью разветвленных скважин в технологии направленного
бурения решаются приоритетные задачи освоения месторождений:
 разработка
нефтяных
недр
земли
с
низкими
коллекторскими
свойствами продуктивного пласта;
 уменьшение числа скважин, необходимых для разработки локаций
нефти и газа;
 добыча высоковязкой нефти с большой глубины.
Горизонтально-наклонное
бурение
развивается
стремительными
темпами. Его суть состоит в том, что из базового ствола скважины с
определенной глубины проводят один или несколько стволов, а значит, ствол
может неоднократно использоваться.
В нынешнее время в нефтедобывающей наблюдается медленное
истощение запасов и все большая их часть приходится на труднодосягаемые
месторождения. Сложность добычи в том, что они характеризуются высокой
вязкостью нефти и шельфами морей.
Чтобы облегчить этот процесс применяют горизонтальное бурение
нефтяных и газовых скважин. При их строительстве используется
16
иностранное и российское оборудование, главным критерием которого
является эффективность.
Максимально стараются использовать отечественное оборудование, но
в виду отсутствия некоторых специальных приборов приходится прибегать к
покупке импортных.
Несмотря на то, что строительство горизонтальных скважин выше на
10-15%, чем вертикальных, их применение имеет немало плюсов:
 добыча нефти на дне крупных водоемов;
 рост добычи нефти и газа;
 исключение негативного влияния на окружающую среду;
 прокладка подземных коммуникаций.
Основой успешного строительства подземных коммуникаций является
наличие специализированного и мощного оборудования. Когда кабельные
системы или коммуникации нужно проложить там, где делать этого
категорически
нельзя,
используют
технологию
бестраншейного
строительства.
Бурение пилотной скважины машиной горизонтального бурения – один
из наиболее популярных способов рытья траншеи. Он появился сравнительно
недавно и является уникальным в своем роде.
При бурении не затрагивается верхний слой почвы и позволяет
прокладку различных коммуникаций в густонаселенных городах. Благодаря
такому методу рельеф местности остается без изменений, сохраняется слой
почвы и зеленые насаждения.
В основном, к выполнению работ привлекается одна бригада, что
позволяет сократить затраты примерно на 20%. Перед тем как начать работу,
досконально изучают свойства и состав грунта, обязательно оформляют
необходимые документы на согласие производимых работ.
Бурение скважин с горизонтальным окончанием разумно использовать
для предварительной промысловой добычи из недр земли. Данный способ
бурения требует подробного изучения газоотдачи пластов с применением
17
скважин с горизонтальным стволом, при этом следует учитывать множество
факторов.
18
Заключение
Методы горизонтально-направленного бурения позволяют наиболее
эффективно разведывать и разрабатывать продуктивные пласты. Их выбор
зависит от технических возможностей буровой установки, геологических
особенностей, а также от типа залегающих пластов.
Основным их преимуществом является быстрое прохождение сложных
твёрдых пород за счёт изменения направления бурения, а также облегчение
сгущения сети скважин в сильно пересеченной, или, вовсе, недоступной
местности.
19
Список литературы
1) Горизонтально-направленное бурение // Под редакцией Е. А.
Козловского. Горная энциклопедия. — М.: Высшая школа.. 2014.
2) Гибридная роторная управляемая система бурения Sclumberger —
сочетание лучшего // Нефтегазовое обозрение, 2012, том 23, № 4.
3) Овчинников В.П. Технология бурения нефтяных и газовых скважин.
Том 1. М.: Высшая школа, 2017.