В настоящее время все чаще приходится строить скважины в сложных геолого-технических условиях. Из-за истощения традиционных месторождений возникает необходимость разработки залежей с маломощными продуктивными пластами. А применение существующих технологий допускает вероятность выхода за пределы пласта. Отсюда возникает необходимость в использовании инновационного высокотехнологичного оборудования. К таковому можно отнести роторные управляемые системы (РУС) и наддолотные управляемые системы (НУС).
В начальной стадии полностью автоматизированные РУС были внедрены в скважинах с высокой стоимостью и значительными отклонениями ствола от вертикали. Эти системы были предназначены для выполнения задач, выходящих за рамки возможностей существующих механизированных забойных систем, включая автоматическую навигацию по сложным профилям ствола скважины [1, 2].
«Перспективы применения наддолотных управляемых систем бурения для строительства наклонно-направленных, горизонтальных и многоствольных скважин» [3] заключаются в возможном усовершенствовании некоторых аспектов технологии бурения. В результате это позволяет увеличить точность попадания в круг допуска на 20–50 % по сравнению с бурением винтовыми забойными двигателями отклонителями, повысить механическую скорость бурения на 10–90 %, снизить вероятность возникновения осложнений и аварий на 15–50 % [1, 4].
При строительстве скважин с большим отходом от вертикали с использованием традиционного оборудования возможны определенного рода осложнения и аварии, обусловленные сложностью профиля, несоответствием фактических параметров бурового раствора проектным [5, 6], несоблюдение технологии проводки скважины [7]. Анализ промысловых данных подтверждает, что в этих условиях фактический профиль скважины отличается от проектного. Многие из этих проблем были успешно устранены с появлением РУС и НУС [8].
Процесс бурения также сопровождается колебаниями компоновки низа бурильной колонны (КНБК), которые связаны с ее жесткостью и искривлением ствола скважины. Данную проблему можно решить за счет оптимизации параметров режима бурения и изменения жесткости КНБК. В этом случае также могут помочь НУС [9].
Система NeoSteer представляет собой новую категорию устройств для направленного бурения, поскольку она объединяет долото с системой управления, обеспечивая высокие возможности интенсивности искривления ствола и повышенную скорость проходки, а также оптимальный контроль управления для достижения более гладких наклонных участков [10]. Буровые компании получат выгоду за счет повышения производительности работ и увеличения механической скорости проходки, а также соответствия фактической траектории проектной [11].
Направленное бурение – это процесс, характеризующийся непрерывным мониторингом параметров режима бурения, прогнозированием будущей траектории ствола скважины и корректировкой текущих параметров по мере необходимости [12]. Однако следующее поколение буровых систем направлено на полную автоматизацию строительства скважины с целью уменьшения количества необходимого персонала и снижения нагрузки на человека. Для этого могут применяться интеллектуальные и автоматизированные системы наклонно-направленного бурения.
При помощи буровых систем NeoSteer ABSS было пробурено в общей сложности более 792 480 пог. м (2,6 млн футов) в ходе 250 спусков в нетрадиционных коллекторах в Северной Америке и Аргентине. Самая быстрая скважина была пробурена в бассейне DJ (США), где за 29 часов работы было пройдено 4609,5 м (15 123 фута) со средней механической скоростью бурения 159,4 м/ч (523 фут/ч) [11].
Несмотря на значимость и успешность технологий НУС в зарубежных компаниях, строительство большинства наклонно-направленных и горизонтальных скважин в России в настоящее время осуществляется по традиционной технологии бурения. Это связано с тем, что данная система на данный момент недоступна в нашей стране [1, 2].
Наддолотная управляемая система, At-bit steerable system (ABBS), «NeoSteer CL» производства SLB – Schlumberger
NeoSteer CL – это наддолотная управляемая система с одновременным измерением параметров бурящейся скважины и с максимально близким расположением датчиков к долоту (с минимальной зоной неопределенности) [4]. В сравнении с системами push the bit и point the bit это новая категория управляемых систем, которая называется at-bit steerable system (ABBS).
Система push the-bit основана на использовании блока отклонения с тремя или более лопатками. Отклоняющая сила возникает при выдвижении этих лопаток и воздействия на стенки скважины. Система имеет гидравлический привод, который приходится в действие путем последовательного поступления бурового раствора в определенные гидрокамеры [13].
В системе point the-bit используется гибкий приводной вал, который отклоняется относительно оси скважины. Таким образом, изменяется и направление бурения. Гибкий вал вращается вместе с колонной бурильных труб, однако имеет противоположное направление вращения. За счет чего достигается сохранение заданной траектории скважины [14].
В NeoSteer CL используется поршневая технология для создания отклонения за счет выдвижения и отталкивания снаряда от стенки скважины. «Поршни интегрированы в корпус долота, что позволяет максимально увеличить интенсивность изменения зенитно-азимутального угла без применения дополнительных гидравлических усилий. Это позволяет соответствовать требованиям по изменению зенитно-азимутального угла, как на наклонных, так и на горизонтальных участках скважин» [15].
НУС совместимы с режущими элементами серии Blade от компании Smith Bits группы Schlumberger. Эти резцы демонстрируют исключительную долговечность в различных условиях применения, позволяя системам NeoSteer CL и CLx бурить дольше, быстрее, с лучшей управляемостью и за одно долбление.
Применение таких НУС особенно эффективно в том случае, когда вертикальные, наклонно-направленные и горизонтальные секции имеют одинаковый диаметр, что позволяет снизить непроизводительное время бурения за счет исключения необходимости» [4] замены бурильной колонны для каждой секции [15].
На сланцевом месторождении Марцеллус (США) с экстремальными интенсивностями искривления NeoSteer CLХ и боковая КНБК позволили проводить сложные и протяженные боковые стволы через твердые пласты. Традиционные методы потребовали бы использования двух КНБК для проходки сложных участков песчаника с абразивным цементом [16]. Однако при помощи NeoSteer CLx удалось пробурить три секции общей длиной 4212 м (13 819 футов) при более высокой скорости бурения за один рейс [11].
В бассейне DJ (США) компания SRC Energy использовала систему NeoSteer CLХ для бурения куста из 12 скважин. По результатам бурения было установлено увеличение механической скорости проходки на 20 %, экономия времени составила 21 час на строительство одной скважины [11].
При использовании НУС достигается высокая эффективность бурения как участков с большой интенсивностью набора зенитного угла и азимута, так и прямолинейных горизонтальных участков секций без необходимости изменения конфигурации при смене интервалов. Таким образом, система NeoSteer CL не только сокращает НПВ за счет отсутствия необходимости менять КНБК для каждой секции, но и снижает выбросы CO2 [17].
«Система управления поршнями NeoSteer CL включает в себя гидравлические уплотнения металл-металл, которые уменьшают эрозию и увеличивают гидравлические возможности конструкции для повышения производительности» [4].
NeoSteer CL имеет шесть комплексных датчиков, которые расположены по окружности и производят постоянные замеры зенитного и азимутального углов. А в совокупности с автоматизированными системами управления траекторией обеспечиваются ровные участки стабилизации параметров с минимальной извилистостью [18].
В систему также может быть интегрирован азимутальный гамма-датчик, который находится на расстоянии менее двух метров от долота, что позволяет повысить точность вхождения в продуктивный пласт и проводку скважины в его пределах. «Азимутальный гамма-датчик позволяет инженерам детектировать изменения литологии на более ранних этапах, что позволяет оперативно корректировать траекторию» [4].
· Максимальная температура – 150 градусов Цельсия (302 градуса F);
· Максимальное гидростатическое давление – 138 МПа (20 000 фунтов на квадратный дюйм);
· Максимальная скорость вращения – 350 об/мин;
· Номинальный наружный диаметр (API) – 172 мм (6,75 дюйма).
Преимущества:
· Обеспечивает однозаходное бурение с помощью одной КНБК;
· Увеличение силы воздействия на долото за счет размещения поршней в режущей структуре;
· Улучшение контроля и скорости времени реакции.
Наддолотная управляемая система «NeoSteer CLX» производства SLB – Schlumberger
Отклоняющие поршни в системе NeoSteer CLX расположены максимально близко к режущей части долота, что сильно увеличивает интенсивность набора угла при наклонно-направленном бурении. Из-за такого отличия от предыдущей системы скорость достижения необходимого азимутального или зенитного угла намного выше.
Сверху – наддолотная управляемая система NeoSteer CL, снизу – NeoSteer CLX
На рисунке 3: А – буровой инструмент включает в себя режущую конструкцию – долото; Б – поршни, которые прижимаются к стенкам ствола скважины для управления. Поршни интегрированы в долото, что обеспечивает лучший рычаг для выполнения более резких поворотов [19]. C – датчик инклинометрии обеспечивает автоматическое поддержание зенитного угла скважины. D – многоосевой компонент обеспечивает автоматическое поддержание зенитного угла и азимута для точного позиционирования скважины. Этот компонент также помогает обеспечить плавную траекторию с минимальной извилистостью. E – азимутальный гамма-каротаж расположен всего в 1,83 м (6 футах) от долота. Это позволяет мастеру заблаговременно выявлять признаки изменения литологии и мгновенно корректировать направление траектории скважины [20, 21].
Заключение
В результате проведенного анализа можно сделать вывод о высоком потенциале технологии NeoSteer CL и NeoSteer CLX, так как эта технология является следующим этапом развития нефтегазовой отрасли для улучшения производительности бурения и повышения точности проводки скважин. Эти инновационные решения, а именно интеграция поршней с долотом и использование современных датчиков, позволят значительно повысить эффективность строительства скважин, особенно в сложных условиях российских месторождений нефти и газа.
Литература
1. Закиров А. Я. Первые результаты испытаний роторно-управляемых систем российского производства // PROнефть. Профессионально о нефти. – 2016. – №. 2. – С. 43-47.
2. Marck J., Vitta L. The path to autonomous directional drilling // World Oil. – 2018. – Т. 239. – №. 10.
3. Schlumberger. NeoSteer At-Bit Steerable Systems. [Электронный ресурс] URL: https://www.slb.com/products-and-services/innovating-in-oil-and-gas/drilling/bottomhole-assemblies/d... (дата обращения: 08.03.2024)
4. Schlumberger. NeoSteer - Семейство систем роторного управляемого бурения PowerDrive. [Электронный ресурс] URL: https://www.slb.ru/services/drilling/drilling_measurements/powerdrive_family/neosteer/?ysclid=lpo0jt... (дата обращения: 08.23.2024)
5. Дохотеру Б.В. Разработка рекомендаций по повышению эффективности передачи осевых нагрузок на долото в наклонно-направленных и горизонтальных скважинах / Б.В. Дохотеру, В.В Салтыков // Инновационная наука. 2022. № 4-2. С. 21-23.
6. Хасанов, Р. А. Совершенствование технологии проводки скважин сложного профиля при использовании телеметрических и роторных управляемых систем: кандидатская диссертация / Р. А. Хасанов. – Уфа : УГНТУ, 2021. – 179 с.
7. Никишин В.В., Блинов П.А., Болдырев С.А. Анализ проводки скважин и разработка бурового раствора для бурения горизонтальных скважин в терригенных отложениях // Деловой журнал NEFTEGAZ.RU. – 2022. – №. 8. – С. 14-17. – Текст : электронный. – URL: https://magazine.neftegaz.ru/articles/nefteservis/747806-analiz-provodki-skvazhin-i-razrabotka-burov... (дата обращения: 08.03.24)
8. Хвощин П. А. и др. Утяжеленный инвертный эмульсионный раствор с регулируемым реологическим профилем для строительства горизонтальных скважин //Нефтегазовое дело. – 2015. – Т. 13. – №. 1. – С. 35-44.
9. Овчинников В. П. и др. Полимерные буровые растворы. Эволюция «из грязи в князи» // Бурение и нефть. – 2014. – №. 12. – С. 24-29.
10. Двойников М.В., Куншин А.А. Повышение эффективности бурения наклонных и горизонтальных скважин // Деловой журнал Neftegaz.RU. – 2020. – № 4 (100). – стр. 98-101.
11. Васильченко C.B. О теории и практике борьбы с разрушениями стенок скважин // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – М.: ОАО «ВНИИОЭНГ». – 2009. – № 4. – стр. 22–27
12. Леушева Е.Л., Страупник И.А. Бурение нефтяных и газовых скважин: Методические указания к лабораторным работам для студентов направления 21.03.01 «Нефтегазовое дело» // Санкт-Петербургский горный университет. – 2019. – 35 стр.
13. Двойников М.В. Проектирование траектории скважин для эффективного бурения роторными управляемыми системами // Записки Горного института. 2018. Т.231. С.254-262. DOI: 10.25515/PMI.2018.3.254
14. Жданеев О.В. О возможностях создания российской высокотехнологичной компоновки низа бурильной колонны / О.В.Жданеев, А.В.Зайцев, Т.Т.Продан // Записки Горного института. 2021. Т. 252. С. 872-884. DOI: 10.31897/PMI.2021.6.9
15. Revolution® Rotary-Steerable System // Официальный сайт компании Weatherford. 2015. URL: https://www.weatherford.com/documents/brochure/products-and-services/drilling/revolution-rotary-stee... (дата обращения: 08.03.2024)
16. Двойников М.В. Анализ результатов исследований технико-технологических параметров бурения наклонных скважин // Записки Горного института. 2017. Т.223. С.86-92. DOI10.18454/PMI.2017.1.86
17. Литвиненко В.С. Обоснование выбора параметров режима бурения скважин роторными управляемыми системами / В.С.Литвиненко, М.В.Двойников // Записки Горного института. 2019. Т.235. С.24-29. DOI: 10.31897/PMI.2019.1.24
18. PowerDrive Xcel // Официальный сайт компании Schlumberger. 2022. URL: https://www.slb.com/drilling/bottomhole-assemblies/directional-drilling/powerdrive-xcel-rotary-steer... (дата обращения: 08.03.24).
19. PowerDrive Orbit G2 Rotary Steerable System // Официальный сайт компании Schlumberger. 2021. URL: https://www.slb.com/-/media/files/drilling/product-sheet/powerdriveorbitg2-ps.ashx (дата обращения: 08.03.24).
20. Schlumberger Introduces At-Bit Steerable System For Drilling Horizontal Wells In A Single Run [Электронный ресурс] UR: https://www.oilandgasonline.com/doc/schlumberger-introduces-at-bit-steerable-system-for-drilling-hor... (дата обращения: 08.23.2024)
21. The SABER Tool // Официальный сайт компании Enteq Technologies. 2021. URL: https://www.enteq.com/products/rotary-steerable-system-srss/ (дата обращения: 08.03.24).
22. Бакирова Д.А., Шаляпин Д.В., Бабушкин Э.В., Бакиров Д.Л., Кузнецов В.Г. Проблемы и решения, возникающие при бурении скважин в неустойчивых глинисто-аргиллитовых породах // Нефть и газ. – 2020. №2 стр. 18-25.
23. Hansen, C., Stokes, M., Mieting, R., Quattrone, F., Klemme, V., Rao, K. N., . . . Zaeper, R. (2020). Automated trajectory drilling for rotary steerable systems. Статья представлена на SPE/IADC Drilling Conference, Proceedings, , 2020-March doi.org/10.2118/199647-ms
24. Литвиненко В.С., Калинин А.Г. Основы бурения нефтяных и газовых скважин: Учебное пособие // Серия «Золотой фонд Российской нефтегазовой литературы». – М.: Высш. шк. – 2007.
25. Dvoynikov M. V. et al. Development of hydraulic turbodrills for deep well drilling // Applied Sciences. – 2021. – Т. 11. – №. 16. – С. 7517. DOI: 10.3390/app11167517.
26. Zafarian, H., Ameri, M., Vaghasloo, Y. A., & soleymanpour, J. (2021). Error reduction of tracking planned trajectory in a thin oil layer drilling using smart rotary steerable system. Journal of Petroleum Science and Engineering, 196 doi.org/10.1016/j.petrol.2020.107668
27. Zhang, C., Zou, W., Cheng, N., & Gao, J. (2018). Trajectory tracking control for rotary steerable systems using interval type-2 fuzzy logic and reinforcement learning. Journal of the Franklin Institute, 355(2), 803-826. doi.org/10.1016/j.jfranklin.2017.12.001
28. Успешные испытания РУС-ГМ-195! // Официальный сайт компании ООО НПП «Буринтех». 2020. URL: https://burintekh.ru/company/news/uspeshnye-ispytaniya-rus-gm-195/ (дата обращения: 29.08.2022)
29. РУС-ГМ-195 // Официальный сайт компании ООО НПП «Буринтех». 2022. URL: https://burintekh.ru/products/rotorno-upravlyaemye-sistemy/rss-gm-195/ (дата обращения: 29.08.2022)
30. Закарян А.В. Применение роторных управляемых систем с принципом действия «push the-bit» // Международный научный журнал инновационная наука. 2022. №4-2. С. 26-29.
31. Иванова Т.Н. Анализ технологии бурения скважин и механизмов искривления, применяемых в роторных управляемых системах / Т.Н. Иванова, А.В. Доможиров // Булатовские чтения. 2020. Т.3. С.108-112.
32. Леушева Е.Л., Моренов В.А. Буровые технологические жидкости: Методические указания к лабораторным работам // Санкт-Петербургский горный университет. 2018. 52 с.
33. Акбулатов Т.О. Определение расчетного радиуса искривления при работе роторных управляемых систем (РУС) / Т.О. Акбулатов, Л.М. Левинсон, Р.А. Хасанов // Бурение и нефть. 2007. №6. С.8-9.
34. Усов Д.П. Анализ применения различных типов роторных управляемых систем при проводке горизонтальных скважин / Усов Д.П. // Золотухинские чтения. Нефть, газ и энергетика в Арктическом регионе. 2023. С.181-184.
35. Li Fei, Ma Xue-ying, Tan Yu-qi. Journal of Physics: Conference Series, Volume 1894, 2020 International Conference on Intelligent Control, Measurement and Signal Processing and Intelligent Oil Field (ICMSP 2020) 4-6 December 2020, Xi'an, China. DOI 10.1088/1742-6596/1894/1/012015
36. Нуцкова М. В., Кучин В. Н., Ковальчук В. С. Профилактика и ликвидация осложнений, возникающих при заканчивании скважин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология, нефтегазовое и горное дело. – 2020. – Т. 20. – №. 1. – С. 14-26.
37. Новосельцев Д.И. Применение методики расчета нагрузок, действующих на отклоняющий модуль роторной управляемой системы, для определения риска отказа системы / Д.И. Новосельцев, А.В. Епихин, А.В. Анисимов // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2017. – № 6. – С. 4-8.
38. "Status and development of intelligent drilling tools for coal mine," Coal Geology & Exploration: Vol. 51: Iss. 10, Article 17. DOI: 10.12363/issn.1001-1986.23.04.0214
39. Autonomous Downhole Control System Reduces Downlinks 49%, Increases ROP 37% // Официальный сайт компании Schlumberger. 2021. URL: https://www.slb.com/resource-library/case-study/dr/adcs-middle-east-cs (дата обращения: 08.03.2024).
40. Николаев Н. И., Леушева Е. Л. Теоретические и экспериментальные исследования эффективности бурения твердых горных пород // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология, нефтегазовое и горное дело. – 2015. – №. 15. – С. 38-47.
41. Тумаев М.О., Ханжигитов Т.Е., Кожина Т.В. Ингибированные буровые растворы для вскрытия терригенных отложений большой толщины с применением силиката натрия // Технологические инновации в современном мире. – 2019. – С. 11-15.
42. Двойников М.В., Кузнецова Н.Ю., Минаев Я.Д., Крюков Е.В. Разработка технологии освоения газовых и газоконденсатных скважин на регулируемом давлении // Вестник ассоциации буровых подрядчиков. – № 1, 2022. – С. 23-29.
43. Li Z. et al. Progress and prospect of CNOOC's oil and gas well drilling and completion technologies // Natural Gas Industry B. – 2022. – Т. 9. – №. 2. – С. 209-217. DOI: 10.1016/j.ngib.2021.08.020.
44. Третьяков И.А. Преимущества применения буровых растворов на углеводородной основе при бурении нефтяных и газовых скважин // Трибуна ученого. – 2020. – №. 11. – С. 122-128.
45. Liu X.H. Downhole Propulsion/Steering Mechanism for Wellbore Trajectory Control in Directional Drilling / X.H.Liu, Y.H.Liu, D.Feng // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 318. P. 185-190.
46. Kadochnikov V. G., Dvoynikov M. V. Development of Technology for Hydromechanical Breakdown of Mud Plugs and Improvement of Well Cleaning by Controlled Buckling of the Drill String //Applied Sciences. – 2022. – Т. 12. – №. 13. – С. 6460. DOI: 10.3390/app12136460
47. Блинов П.А. Определение устойчивости стенок скважины при проходке интервалов слабосвязных горных пород с учетом зенитного угла // Записки Горного института. 2019. Т. 236. С. 172-179. DOI: 10.31897/PMI.2019.2.172.
48. Третьяк А.А., Рыбальченко Ю.М. Биополимерный раствор для осложненных условий бурения // Oil and Gas journal Russia. – 2011. – №. 11. – С. 52.
49. PowerDrive ICE ultraHT rotary steerable system // Официальный сайт компании Schlumberger. 2017. URL: https://www.slb.com/-/media/files/drilling/product-sheet/powerdrive-ice-ps.ashx (дата обращения: 11. 10.2022).
50. Чепик В.С. Анализ эффективности применения роторных управляемых систем при проводке скважины и перспективные направления развития // Научный форум. Сибирь. – 2017. – Т. 3. - №. 2. – С. 14-17.
