На протяжении последнего времени доля разработки сложных запасов постоянно возрастает. Эта проблема сильно резонирует со сложностью выполнения самого процесса бурения скважин, который зависит от множества критериев, влияющих на общее качество выполнения работ. Успешность строительства скважины определяется рядом факторов, среди которых следует выделить следующие: состав композиции бурового раствора [1–12], соответствие выбранной технологии проведения работ геолого-техническим условиям [13–30], точность проектной траектории, эффективность мероприятий по предупреждению осложнений и используемого оборудования в целом [31–33]. Для успешного выполнения такого рода работ необходимо использование высокотехнологичного оборудования, как принципиально нового, так и являющегося модернизацией уже существующего решения. Однако главный недостаток использования подобного оборудования заключается в больших экономических затратах, которые многократно увеличиваются при выходе оборудования из надлежащего рабочего состояния, что может привести компанию-заказчика к огромным экономическим убыткам.
В связи с вышесказанным существует явная необходимость в разработке инновационных решений, способных увеличить эффективность проводимых работ и надежность самого оборудования. Наличие отечественного аналога высокотехнологичного оборудования позволит не только снизить стоимость проведения буровых работ, но и увеличить их эффективность. Более того, заказчики смогут быть обеспечены своевременной заменой оборудования при возникновении непредвиденных сценариев. Текущая мировая ситуация с первого взгляда представляется выгодной для проведения внутренних технологических изысканий и производства российских аналогов востребованного высокотехнологичного оборудования. Одним из наиболее перспективных направлений является обеспечение компаний РУС, спрос на которые растет с каждым годом. Производство отечественных РУС направлено не только на решение проблем импортозамещения и разработки подсанкционных объектов, но и на доказательство возможности разработки уникального оборудования, учитывающего особенности и специфику российских месторождений.
Расчлененность и неаддитивность информации о состоянии импортозамещения РУС и инновационных решениях по модернизации систем не позволяет в полной мере судить о степени завершенности существующих мероприятий и провести точную оценку их экономической и практической целесообразности. Данное положение является серьезной проблемой при проведении научных изысканий в направлении совершенствования процессов бурения скважин, путем модернизации уже существующего и разработки нового технического оборудования или технологических методов эксплуатации оборудования. В настоящее время в открытом доступе существует достаточное количество информации о течении процесса импортозамещения РУС, однако в подавляющем ряде случаев она представлена в разрозненной и несистематизированной форме, без каких-либо дополнений о ее актуальности в настоящее время.
На основе проведенного анализа литературных источников о разработанных и перспективных РУС было установлено, что эффективным и наиболее целесообразным решением является разработка отечественных РУС не только по уже достаточно изученным системам «Push-the-bit» и «Point-the-bit», но и по «Hybrid» и «Steer-at-bit». А также перемещение системы телеметрии как можно ближе к забою с целью уменьшения зоны неопределенности и повышения качества проводки скважин.
Обзор российских разработок.
В работе [34] приводятся данные о российских компаниях, занимающихся разработками РУС, таких как ООО «Тюменская буровая компания», ООО «Пермская компания нефтяного машиностроения», ГК «Интегра», АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» и ООО «НПП «Буринтех», причем отдельно сказано, что именно последним двум удалось перейти с этапа концептуальной проработки и проектирования к практическим скважинным испытаниям прототипов. Разработка концерна «Электроприбор» носит название РУК-8.75 БС (рис. 1). Данная система управляет направлением ствола с помощью нажатия на стенку скважины выдвижными башмаками, что относит ее к типу систем, известных как «Push-the-bit».
В сентябре 2015 года РУС 8.75-БС была испытана на Вынгапуровском месторождении компании ПАО «Газпром нефть». Работоспособность системы проверялась непосредственно в рабочих буровых условиях, где детально рассматривались ее рабочие характеристики и возможность управления с поверхности, на основании чего проводилась оценка общей надежности.
В работе [34] представлены следующие заключения по результатам испытаний прибора РУК-8.75 БС:
· успешно пройден тест перед спуском в скважину;
· обеспечен выход на плановый режим бурения;
· подтверждена способность прибора изменять траекторию скважины при непрерывном вращении всей бурильной колонны;
· показана возможность принимать команды с поверхности.
Наряду с этим отмечается, что у РУК-8.75-БС был выявлен и ряд недостатков, таких как:
· система не имеет связи с телеметрией;
· не передает данные на поверхность и не обеспечивает достаточно точное управление траекторией.
При этом внутренний элемент управления РУК-8.75-БС разрушился за 216 метров проходки [34].
Более подробно рассмотрим разработку ООО «НПП «БУРИНТЕХ». Эта компания является крупным производителем отечественного оборудования, в активах предприятия числится крупная производственная база, к которой относится высокотехнологичное оснащение современным оборудованием с возможностью реализации программного управления и высокоточного контроля качества выполняющихся процессов на разных этапах производства. Подобное оборудование позволяет компании выпускать уникальное качественное оборудование, примером которого является роторно-управляемая система РУС-ГМ-195.
По данным из новостной статьи об испытаниях роторно-управляемой системы РУС-ГМ-195 (рис. 2) компании ООО «НПП «БУРИНТЕХ» из новостного раздела официального сайта компании [35], отечественная разработка проверялась испытательными работами на Южно-Приобском месторождении «Газпром нефти» в ХМАО-Югре. В период с сентября по октябрь 2020 года на вышеупомянутом месторождении данная система проходила испытания в процессе бурения наклонно-направленного участка скважины с горизонтальным окончанием, по результатам которых поставленные цели были полностью достигнуты, а система подтвердила свою надежность. Интервал бурения начинался с 1560 м и доходил до 3480 м, его общая длина равна 1920 м. Зенитный угол в окончании интервала бурения составил 85,75 градуса. Результаты заключительных испытаний позволяют охарактеризовать РУС-ГМ-195 как первую отечественную РУС, пробурившую целиком заданный интервал скважины. Благодаря тому, что данная разработка более чем на 90 % состоит из российских комплектующих, существенно снижается вероятность возникновения барьеров при изготовлении оборудования при всевозможных негативных глобальных ситуациях.
На сайте компании есть страница с подробным описанием РУС-ГМ-195 [36], где сказано об осуществлении управления системой по гидромеханическому принципу, что позволило избежать использования сложных электроприборов и электроники. Еще одно важное условие, которое учитывалось при производстве данной системы, это обеспечение возможности ее использования с широким рядом применяемых телеметрических систем и обеспечения возможности управляемого бурения роторным способом наклонно-направленных и горизонтальных скважин, диаметром долот от 220,7 до 222,3 мм. Устройство РУС-ГМ-195 включает в себя не вращающийся в процессе бурения геостационарный корпус, имеющий узлы с отклонителем и центратором, и модуль электроники с магнитной меткой, обеспечивающий отслеживание ориентации корпуса в процессе бурения.
Обзор зарубежных инноваций
Основной упор для улучшения процесса буровых работ зарубежными компаниями сделан на совершенствование технологических решений по наклонно-направленному бурению. Это обосновано ростом качества и доступности методов для создания интеллектуальных систем, способствующих разработке автоматизированных и автономных систем управления рабочими процессами. К таким методам можно отнести машинное обучение и искусственный интеллект, главным недостатком которых является потребность в достоверных и качественно обработанных данных большого объема. Интеграция интеллектуальных систем в управление роторно-управляемой системой уже осуществлена американской компанией Halliburton в продукте iCruise Intelligent Rotary Steerable System (iCruise Intelligent RSS) (рис. 3). Создание подобной интеллектуальной РУС возможно лишь с применением сложных электронных компонентов, высокоточных датчиков, передовых технологий и систем получения и обработки информации в режиме реального времени.
iCruise Intelligent RSS работает по принципу «Push-the-bit». Основное новшество заключается в использовании продвинутых датчиков, взаимодействующих с высокоскоростными вычислительными модулями, для получения актуальной информации о текущих параметрах бурения и состоянии самой системы. Такое взаимодействие позволяет учитывать больший диапазон параметров для их дальнейшей интерпретации в модулях по предсказанию поведения системы и состояния ствола скважины. Взаимодействие предсказательного модуля с системой автоматизированного бурения позволяет обеспечивать высококачественное сопровождение процесса бурения [37].
Компании Enteq Technologies удалось создать необычную роторно-управляемую систему – The SABER Tool [38] (рис. 4). Управление направлением ствола скважины происходит за счет контролирования внутреннего перепада давления по принципу Бернулли, что позволило усовершенствовать конструкцию модели исключением выдвижных плашек, осуществляющих контакт со стенками скважины. Подобное решение обеспечивает лучшее качество создаваемого ствола и предупреждает возможные осложнения, связанные с эксплуатацией стандартной плашечной системы «Push-the-bit» в мягких породах. Подобное технологическое решение можно отнести к новому методу управления РУС. Сама система укомплектована датчиками для навигации в трехмерном пространстве, долотом и генератором.
В продуктах американской компании Schlumberger есть линейка РУС семейства PowerDrive, которая за счет вращения всех элементов КНБК и бурильной колонны позволяет сократить вероятность возникновения затяжек, увеличить скорость проходки, сокращает риск прихвата, т.е. минимизирует риск проявления осложнений, связанных с потерей подвижности бурильной колонны, и обеспечивает более качественное состояние ствола скважины. Среди необычных решений компании существуют модели PowerDrive Exceed, PowerDrive Xcel, PowerDrive ICE и PowerDrive Orbit G2.
Основной особенностью систем Exceed и Xcel является принцип управления направлением ствола – «Point-the-bit». Такой принцип управления увеличивает надежность систем за счет исключения истирающихся элементов, осуществляющих контакт со стенками скважины, что увеличивает качество буровых работ в условиях абразивных, мягких и твердых пород. Роторно-управляемые системы Exceed и Xcel способны автоматически корректировать азимутальный и зенитный углы для удержания заданного направления ствола, обеспечивая экономию времени для достижения проектной глубины. Резюмируя информацию со страницы продукта Power Drive Xcel [39] (рис. 5), данная система была спроектирована с целью использования для строительства скважин с высокими значениями интенсивности искривления, в том числе в зонах с сильными магнитными помехами. РУС Xcel оснащена гироскопическим датчиком для осуществления инерционного регулирования пространственного направления бурения ствола скважины, в том числе и при наличии сильных магнитных шумов или магнитных зон отчуждения. Еще одна особенность PowerDrive Xcel – наличие гамма-датчика, расположенного вблизи долота, который способствует определению буримости пород и получению более точных данных в режиме реального времени.
PowerDrive Orbit G2 (рис. 6) – это роторно-управляемая система, работающая по принципу «Push-the-bit», созданная для бурения стволов скважин с высокими значениями интенсивности набора зенитного угла, обеспечивающая большую надежность при работе с абразивной породой и способность бурить более протяженные интервалы. Система имеет возможность автоматического управления процессом регулирования направления бурения, что позволяет создавать более равномерный ствол скважины. Это стало возможно благодаря использованию высокоточного датчика, снимающего показания по 6 направлениям. РУС Orbit G2 может работать на максимальной частоте вращения в 350 об/мин [40]. По результатам использования PowerDrive Orbit G2 в режиме автоматического поддержания направления бурения на четырех скважинах месторождения Ближнего Востока, применение данной системы способствовало увеличению скорости проходки на 37 % и снижению количества исходящих с поверхности команд на 49 % [41].
Ключевая особенность роторно-управляемой системы PowerDrive ICE (рис. 7) – способность к работе при высоких пластовых температурах, превышающих 200 ОC, что позволяет оптимизировать рабочее время, исключение вспомогательных операций при работе в сложных геотермических условиях. Данная система также имеет возможность работы с данными, получаемыми и обрабатываемыми в режиме реального времени, и автоматического удержания заданного направления бурения по зенитному и азимутальному углам [42].
Revolution® Rotary-Steerable System (рис. 8) швейцарской компании Weatherford International обладает всеми важными компонентами, необходимыми для конкуренции с передовыми РУС, а именно: датчики для ориентирования в пространстве, датчики для определения радиального биения, вибродатчики, датчики колебаний прилипания-проскальзывания, система автоматического регулирования пространственного направления бурения, оснащение для работы в агрессивных условиях и бурения скважин высокой интенсивности пространственного искривления [43]. Система работает по принципу «Point-the-bit», такой подход обеспечивает строительство более качественного ствола скважины, увеличивает управляемость и повышает скорость проходки, особенно при использовании PDC-долот.
Китай также не стал отказываться от проведения технических изысканий в задачах по разработке оборудования для наклонно-направленного бурения. В работе [44] автор приводит описание роторно-управляемой системы Welleader RSS (рис. 9), разработанной китайской нефтесервисной компанией China Oilfield Services Limited (COSL). Данная РУС уже успешно использовалась в реальных операциях по бурению скважин в 2020 году, по результатам которых суммарный метраж проходки достиг 500 км. К преимуществам Welleader RSS можно отнести: наличие датчика определения зенитного отклонения, расположенного на расстоянии 1,1–1,3 метра от долота (зависит от типоразмера); высокоскоростную передачу данных; увеличение эффективности бурения на 20 %; возможность геонавигации в режиме реального времени для оптимизации траектории бурения.
Заключение
С целью упрощения представления о имеющихся в мировом производстве роторно-управляемых систем в таблице 1 приведена их краткая характеристика, которая включает все описанные выше и некоторые дополнительные РУС.
При детальном анализе современных роторно-управляемых систем явно заметен тренд на их совмещение с системами телеметрии. Такой подход позволяет получать данные о пространственном местоположении РУС на довольно близком расстоянии от долота. Размещение гамма-датчиков позволяет определить как литологию пластов, так и опасные участки с возможными осложнениями. Более того, некоторым компаниям удалось интегрировать получаемые с датчиков данные в специализированные цифровые модули, которые способны реализовать автоматическое управление определенными функциями РУС. Использование интеллектуальных модулей позволяет улучшить качество ствола скважины, снизить риски возникновения осложнений, оптимизировать траекторию и увеличить скорость бурения. Подобные технико-технические изыскания доступны лишь тем компаниям, у которых есть легкий доступ к производственной базе высокотехнологичных компонентов для их продукции. Более того, инновационные разработки зарубежных предприятий основываются на их многолетнем опыте производства высокотехнологичного оборудования, которое модернизируется не только посредством автоматизации, интеллектуализации и технологического совершенствования, но и реализацией совершенно новых конструктивных решений, в том числе и реализующих новые методы управления пространственным направлением траектории бурения.
По состоянию на середину 2022 года, единственная прошедшая все этапы испытаний и запущенная в производство отечественная РУС принадлежит компании ООО НПП «БУРИНТЕХ» и носит рабочее название РУС-ГМ-195. Пусть данная система и далека еще от передовых разработок зарубежных компаний, но ее доказанная работоспособность – это уверенный шаг на пути к отечественному производству инновационных продуктов для развития наклонно-направленного бурения. Однако, несмотря на наличие на внутреннем рынке возможности использования российской РУС и существование определенных барьеров для использования зарубежной продукции, заказчики могут потратить нерациональное количество усилий на обход этих барьеров с целью использования решений, у которых есть многолетний практический опыт, благодаря чему они выглядят более надежными и выгодными. Поэтому важный шаг в поддержании импортозамещения РУС – это допуск предприятий разработчиков до полевых испытаний их оборудования и оказание помощи в их финансировании.
Производство российского оборудования должно минимизировать важный недостаток современной отечественной нефтегазовой отрасли в виде зависимости от импорта технологий и инструмента. Но, к сожалению, в импортозамещающем оборудовании и по текущее время применяются узлы, работоспособность которых невозможна без использования импортных элементов, а их полная замена или излишне сложна и экономически нецелесообразна, или просто невозможна. Большая часть импортируемого оборудования является высокотехнологичными решениями, разрабатывающимися годами и являющимися следствием обработки многолетнего опыта. Именно поэтому они так сложны в разработке, особенно с учетом использования элементов исключительно российского производства. К прочим факторам негативного влияния на рассмотрение возможностей создания и производства высокотехнологичного импортозамещающего оборудования оказывает неуверенность производителей в выборе их предложения заказчиками. Предпочтения большинства компаний падают на продукты, которые обладают современных оснащением, уже имеют практический опыт эксплуатации и обладают доказанной повышенной эффективностью, перед своими аналогами.
