Бурение горизонтальных скважин – один из самых распространенных способов разработки месторождений [1, 13] (рис. 1). Проектирование и бурение горизонтальных скважин является очень сложным и затратным процессом, однако главной проблемой разработки месторождений остается относительно низкий коэффициент извлечения углеводородного сырья. Для решения этой проблемы необходимо повысить качество проводки горизонтальных участков скважины, а также увеличить проходку ствола по целевому интервалу коллектора, то есть повысить коэффициент вскрытия пласта (площадь контакта скважины с породой-коллектором). При этом необходимо учитывать сложное геологическое строение разрабатываемых объектов. В связи с этим неотъемлемой частью горизонтального бурения становится процесс геонавигации.
РИСУНОК 1. Статистика по бурению горизонтальных скважин в России
(РФ – Российская Федерация, ЗС – Западная Сибирь, ГПН – ПАО «Газпромнефть»). Составлено по данным [13, 17, 22]
Геонавигация – это процесс мониторинга или корректировки траектории скважины по данным геофизических исследований скважин (ГИС) в режиме реального времени с целью наибольшей проходки по продуктивному коллектору. С распространением современных забойных телеметрических систем, в том числе приборов каротажа в процессе бурения, и постоянно повышающейся технологичностью скважин роль геонавигации становится невероятно высокой.
Особую нишу занимают технологии геонавигации для подземных хранилищ газа, где, как отмечено в работе [31], для эффективного управления подземными хранилищами может потребоваться бурение новых скважин для лучшего воздействия на пласт или для доступа к ранее недоступным участкам. Поэтому при разработке подземных хранилищ газа часто используются услуги и технологии навигации по резервуарам.
В работах [1, 7, 18, 23] показано, что за последние годы в геонавигации произошло существенное развитие как технологий и аппаратуры, так и способов обработки и интерпретации данных, автоматизации процессов и оптимизации систем. Например, существенное развитие получили инструменты, позволяющие комплексно рассматривать данные геолого-технологических исследований (ГТИ), сейсморазведки, геологическую информацию о резервуаре и данные ГИС для наилучшей корректировки траектории скважины.
Целью настоящей работы является обзор и комплексный анализ текущего состояния и современных методов геонавигации, трендов совершенствования технологий и выявление их потенциальных перспектив и векторов развития. Обзор включает технологии каротажа в процессе бурения, обработку их данных, интеграцию разнородных геологических данных и цифровые решения.
В рамках выполнения работ по внутривузовскому конкурсу РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина «Подготовка аналитических материалов по специализированным тематикам топливно-энергетического комплекса» были подготовлены дайджесты научно-технических публикаций за 2024 г. по тематике «Геофизика горизонтальных скважин» [6], в которых одним из ключевых разделов является геонавигация.
Применительно к технологическому потенциалу отечественных и китайских производителей телеметрических систем для наклонно направленного бурения в настоящее время работы ведутся по четырем основным направлениям перспективных систем и модулей для телеметрии, а именно:
-
гидравлические пульсаторы роторного типа (для увеличения скорости телесистемы);
-
картографы границ;
-
роторно-управляемые системы;
-
гироскопы для подземной геонавигации.
Картограф границ – это азимутальный фокусированный многозондовый прибор электромагнитного каротажа большого радиуса исследования, приемники в котором расположены под углом 45о к корпусу прибора (к источникам), что позволяет оценивать расстояние до резистивных границ (и анизотропию по удельному электрическому сопротивлению). Согласно публикациям [8, 14], отечественный прибор картирования границ МЭС-127 позволяет обнаружить границы пластов на расстоянии до 6 м. Разработка новейшей аппаратуры позволяет повысить точность измерения свойств пласта и определения границ целевых интервалов. Примеры таких устройств приведены в работах [3, 8, 12, 14, 16, 19, 30]. Картограф границ, входящий в телеметрическую систему «Луч» [3], использует высокочастотное индукционное электромагнитное зондирование, его отличительная черта – компактность: длина прибора не более 2,5 м. В работе [30] показано устройство работы азимутального прибора для измерения удельного сопротивления c помощью электромагнитных волн в 3D. Данный прибор предназначен для оценки анизотропии и обнаружения геологических границ.
Из источников [16, 18, 20, 21] можно сделать вывод, что параллельно развиваются технологии физического и математического картографов со стохастической инверсией, что позволяет повысить эффективность проходки и, как следствие, увеличить начальный дебит нефти. Как следует из статьи [4], существует возможность замены физического картографа границ методикой расчета инверсии (то есть так называемым математическим картографом) в программном обеспечении (ПО) Дарси, что позволяет сэкономить средства. Согласно источникам [7, 8], аналогичные возможности есть в программных пакетах «Неотрекер» ООО «РЕ-СИМ» (бывшее StarSteer ООО «Роджии Европа») и в «РН Горизонт+» компании ПАО «НК «Роснефть».
Для геонавигации разрабатываются также другие геофизические приборы, например, в публикации [19] был предложен конструктивный проект компактного азимутального гамма-навигационного прибора для бурения боковых стволов, а главной его особенностью являются малые габариты прибора.
При конструировании новых приборов LWD и планировании их расположения в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) необходимо помнить, что одним из ключевых параметров технологического решения в сфере телеметрического сопровождения строительства горизонтальных скважин является непромер (расстояние от режущей кромки долота (от забоя) до датчика измерительной аппаратуры). Поэтому при анализе или разработке новых продуктовых и технологических решений рекомендуется обозначить конкурентные целевые показатели непромера. Особенно актуальным, по нашему мнению, является уменьшение непромеров дирекционных датчиков.
Интеграция роторных управляемых систем (РУС) в состав КНБК для строительства горизонтальных скважин значительно расширила возможности в области бурения [15]. Благодаря использованию современных геофизических приборов и телеметрии РУС помогают эффективно решать задачи по управлению траекторией, оптимизации процесса бурения и повышению его скорости. Использование РУС позволяет повысить скорость бурения на 67–110 %, снижая стоимость каждого метра проходки на 14–22 % [15].
Для обеспечения надежной геонавигации, в частности для наилучшего контроля траектории скважины и повышения точности результатов структурной интерпретации имиджей азимутальных приборов, крайне важным является получение непрерывных значений зенитного угла по всему стволу скважины. Точечные замеры, осуществляемые при наращивании КНБК, приводят к большой пространственной неопределенности. В связи с этим одним из направлений технологического развития телесистем является создание гироскопа в процессе бурения.
Современная геонавигация представляет собой комплексный процесс, объединяющий традиционные методы с передовыми цифровыми технологиями. Основой для принятия решений является геонавигационная модель, построенная на полученных в процессе бурения данных [1, 2]. Как отмечается в [2], для корректировки модели применяются два основных метода – модельный и стратиграфический. Для получения наилучшего результата чаще всего эти методы комбинируют друг с другом и данными сейсморазведки.
Геонавигация стремительно развивается в направлении цифровой трансформации [11, 25, 26, 29]. Особый прорыв наблюдается в применении машинного обучения и нейросетевых моделей для прогнозирования коллекторских свойств. Активно разрабатывается искусственный интеллект (ИИ) для поддержки принятия решений. Перспективным направлением являются цифровые двойники пластов, которые интегрируют данные каротажа в процессе бурения – logging while drilling (LWD) с сейсмическими данными и геомоделями. Например, в работе [11] описывается создание цифровых двойников, позволяющих моделировать различные сценарии в процессе бурения в реальном времени, что обеспечивает существенное снижение рисков. Такие инновации кардинально меняют традиционные подходы к геонавигации, повышая точность и экономическую эффективность проводки скважин.
В статье [33] рассматривается переход к более сложным моделям, включая технологию 2,5D модели пласта и алгоритм инверсии данных, позволяющий построить самые сложные структурные модели пласта и передать все физические и геологические характеристики. Особенно хорошо данные модели показывают себя при работе с неоднородными карбонатными коллекторами, где, согласно работе [28], осуществляют совместное использование методов ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и глубокого азимутального сопротивления deep azimuthal resistivity (DAR), что позволяет оптимально корректировать траекторию скважины в реальном времени.
Важным направлением стала оптимизация процессов геонавигации. В работе [10] показано, что метод, основанный на комплексном учете результатов структурной интерпретации имиджа плотности, данных сейсморазведки и картографов границ, является одним из самых эффективных для точного определения направления бурения. В работе [29] приведен еще один метод оптимизации траектории, основанный на оценке вероятностного пространственного расположения ствола скважины. Алгоритм представлен на рисунке 2 (УЭС – удельное электрическое сопротивление).
РИСУНОК 2. Алгоритм оптимизации траектории скважины
Данный метод позволил авторам работы [29] улучшить кумулятивную нефтенасыщенность на 12,8 % по сравнению с первоначально запланированной траекторией. В исследовании [24] предложен альтернативный метод оптимизации процесса проектирования траекторий скважин, имеющий кардинальное отличие от существующих технологий. Оно заключается в сокращении комплекса исследований в процессе бурения (LWD), что позволяет существенно снизить финансовые затраты и ускорить процесс принятия управленческих решений. Автор предлагает компенсировать усеченный комплекс LWD использованием сейсмических данных при проведении геологического сопровождения бурения, автоматической расстановкой портов и автогеонавигацией.
Благодаря использованию алгоритмов машинного обучения происходит оптимизация построения траектории скважины и увеличение проходки по целевому интервалу за счет математических алгоритмов, обрабатывающих данные LWD. Особенно интересный способ решения задач геонавигации предлагают специалисты в работе [25], где, благодаря использованию генеративно-состязательной сети generative adversarial network (GAN) и нейронной сети прямого распространения feedforward neural network (FNN), строятся точные геомодели, снижая при этом человеческий фактор. Алгоритм работы данного подхода представлен на рисунке 3.
РИСУНОК 3. Алгоритм, основанный на нейронных сетях
Искусственный интеллект способен на высоком уровне создавать геомодели и обновлять информацию о них в реальном времени. Неотъемлемой частью современных систем геонавигации является автоматизация принятия решений. В работе [5] представлен алгоритм (рис. 4), который позволил сократить временные затраты дежурного инженера в два раза. Автогеонавигация в «Geosteering Office» реализуется при помощи технологии «Автокорреляции».
РИСУНОК 4. Алгоритм автоматизации в «Geosteering Office»
Появление систем автогеонавигации позволяет массово использовать архивные данные и осуществлять автокорреляцию по ранее пробуренным без сервиса геонавигации горизонтальным скважинам. Полученные таким образом данные используются для анализа результатов бурения, а также обновления геологической модели месторождения.
Рассмотрим другие интересные тенденции в геонавигации горизонтальных скважин. В диссертации [23] представлен новый алгоритм оценки по стволу скважины доли присутствия коллектора с конкретными свойствами, что повышает информативность результатов интерпретации данных LWD и позволяет наиболее оптимально корректировать траекторию ствола скважины на их основании. В статье [9] подчеркивается особая значимость применения газового каротажа в процессе бурения, который позволяет наиболее точно определить интервалы высоковязкой нефти и тектонических разломов. А в статье [32] раскрывается особая роль гамма-гамма плотностного каротажа, позволяющего добиться повышения эффективной проходки за счет быстрой передачи информации о плотности породы. Наравне с этими технологиями, согласно работе [27], применяется метод измерения удельной механической энергии, который также может быть использован для принятия наилучших решений в геонавигации. Наибольших успехов можно добиться при комплексировании всех этих данных.
Подведем итоги. Современное горизонтальное бурение невозможно представить без геонавигации. Именно она позволяет увеличить проходку по продуктивным пластам и управлять траекторией ствола скважины. Благодаря использованию комплекса скважинных методов и сейсморазведки значительно повышается точность геонавигации в сложных геологических условиях. Такие передовые технологии, как физические и математические картографы границ, нейросетевое моделирование и цифровые двойники позволяют не только решать очень сложные задачи, но и оптимизируют процесс бурения, делая его более эффективным и предоставляя точную информацию о геологических условиях залегания пластов. Отдельным шагом в развитии геонавигации стало применение искусственного интеллекта и автоматизации. Применение машинного обучения и нейросетей позволяет открыть новые перспективы в обработке данных, интерпретируя их с наибольшей точностью и снижая влияние человеческого фактора.
Дальнейшее развитие геонавигации связано с цифровизацией процессов бурения, а также улучшением алгоритмов обработки и интерпретации данных, модернизацией аппаратуры и повышением ее точности и надежности. Также актуальной задачей является разработка геофизических приборов сверхмалых и сверхбольших диаметров для зарезки боковых стволов и бурения на шельфе соответственно. Основные современные тренды геонавигации, выявленные авторами, показаны на рисунке 5.
РИСУНОК 5. Основные тренды геонавигации
Конечно, как бы динамично ни развивалась геонавигация, все еще есть нерешенные задачи. Высокая неопределенность геологического строения месторождений остается в тектонически сложных районах и в условиях литологической неоднородности. Сложной, но решаемой проблемой остается то, что на все вычислительные методы машинного обучения и нейронных сетей уходят огромные вычислительные ресурсы и при этом результаты вычислений не всегда бывают точными, а их применение в режиме реального времени не всегда возможно. Большинство передовых технологий геонавигации значительно увеличивают стоимость работ, из-за чего на небольших месторождениях применение таких методов бывает нерентабельным. Тем не менее внедрение инновационных методов, оптимизация алгоритмов и модернизация оборудования для измерения геофизических и других параметров в процессе бурения существенно повышают надежность геонавигации.
Литература
1. Артамонов В.П. Методы создания синтетических геонавигационных разрезов для уменьшения неопределенностей при предбуровом моделировании и проводке горизонтальных скважин / В.П. Артамонов, В.В. Жук, И.А. Никитин, Н.К. Каюров // Горизонтальные скважины 2024. – 2024. – С. 91–94.
2. Белоусова Н.А. Модельный и стратиграфический методы геонавигации на примере месторождения, характеризующегося сложным тектоническим строением / Н.А. Белоусова, Д.А. Немущенко // Горизонтальные скважины 2024. – 2024. – С. 308–312.
3. Власов А.А. Исследование эквивалентных моделей быстрым симулятором сигналов модуля высокочастотного индукционного каротажа в процессе бурения телеметрической системы «ЛУЧ» для горизонтальных скважин / А.А. Власов, Г.П. Быкова // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений. – 2024. – № 6. – С. 25–33.
4. Гимазов В.Д. Применение расчета инверсии в ПО Дарси по данным электромагнитного каротажа в процессе бурения горизонтальных скважин / В.Д. Гимазов // Санкт-Петербург 2024. – 2024.
5. Еремеев Н.С. Успешный опыт автоматизации ручных операций при геонавигации в карбонатном разрезе НАО / Н.С. Еремеев, А.С. Воробец, В.В. Пимкин, Л.В. Дивин // Горизонтальные скважины 2024. – 2024. – С. 79–83.
6. Жедяевский Д.Н. Дайджест научно-технических публикаций по направлению: «Геофизика горизонтальных скважин»
7. Зарипов С.С. Системы моделирования и инженерных расчетов, применяемых в нефтегазовой отрасли / С.С. Зарипов // Технологические инновации и научные открытия. – 2024. – № 15. – С. 73–79.
8. Зимовец С.В. Картирование границ пластов и проактивная геонавигация прибором МЭС-127 в процессе бурения / С.В. Зимовец, А.А. Жилин, Д.А. Баширова, Р.У. Исянгулов, М.Ю. Сунарчин // Каротажник. – 2025. – № 1. – С. 154–161.
9. Ильязов Р.Р. Повышение информативности комплекса ГИС с помощью данных газового каротажа для оперативной геонавигации при бурении горизонтальных скважин на нефть и газ / Р.Р. Ильязов // Вестник РАЕН. – 2025. – Том 25. – № 1. – С. 12–13.
10. Казанцев Г.В. Новые возможности применения структурной интерпретации имиджера плотности при геонавигации скважин / Г.В. Казанцев, В.Ф. Гришкевич // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. – 2025. – № 2. – С. 26–38.
11. Карпов Р.Б. Повышение эффективности бурения и обеспечение контроля качества данных с использованием цифрового двойника в режиме реального времени
12. Кондрашов А.В. Аппаратура КСПРК-Ш для геофизических исследований горизонтальных скважин на трубах / А.В. Кондрашов, В.Н. Даниленко, Н.М. Зараменских // Каротажник. – 2024. – № 4. – С. 143–151.
13. Кравец В. Отчет RPI: Развитие рынка MWD/LWD - Свет в конце туннеля появился [Электронный ресурс]
14. Левашов А.В. Опыт применения первого российского картографа границ МЭС-127 на примере терригенных отложений Западной Сибири / А.В. Левашов, С.В. Зимовец, А.А. Жилин // Горизонтальные скважины 2024. – 2024. – С. 95–98.
15. Мезенцев Д.Ю. Опыт разработки и применения роторно-управляемой системы РУС-120-GT
16. Мингазов А.Н. Оценка анизотропии УЭС горных пород в процессе бурения по данным LWD картографа границ / А.Н. Мингазов, Д.С. Леонтьев, Е.Н. Климов // Горизонтальные скважины 2024. – 2024. – С. 125–129.
18. Рассказов А.А. Оптимизация бурения и снижение неопределенностей в юрских отложениях Южно-Тамбейского месторождения с использованием технологии многопластового картирования разреза в высоком разрешении / А.А. Рассказов, Е.П. Агеева, П.В. Быбин, И.И. Евдокимова, М.Н. Медведев, И.К. Дударева, Д.С. Леонтьев // Горизонтальные скважины 2024. – 2024. – С. 87–90.
19. Райимжонов Б.И.У. Конструкторский проект компактного азимутального гамма-навигационного прибора на основе аксиоматического проектирования / Б.И.У. Райимжонов // Актуальные вопросы современной науки и образования. – 2024. – С. 91–93.
20. Романов Р.С. Комплексирование глубинного картографа границ, многопластовой инверсии и 3D сейсмических данных в реальном времени для геонавигации на месторождении Российской Федерации / Р.С. Романов, Ч. Ошакбаев, В.С. Власенко // Горизонтальные скважины 2024. – 2024. – С. 67–71.
21. Санина О.И. Применение технологий картирования границ при геонавигации на Русском месторождении. Прошлое и будущее / О.И. Санина, Д.В. Орлов, М.Л. Марков, В.П. Филимонов // Горизонтальные скважины 2024. – 2024. – С. 102–107.
22. Сребродольская М.А. Алгоритмическое обеспечение интерпретации данных азимутального плотностного гамма-гамма метода в процессе бурения горизонтальных скважин / М.А. Сребродольская. – М., 2024. – 193 с.
23. Сребродольская М.А. Оценка доли вскрытия коллекторов горизонтальной скважиной при пространственно ориентированной интерпретации данных азимутального гамма-гамма плотностного метода в процессе бурения / М.А. Сребродольская // Геофизика. – 2025. – № 2. – С. 92–99.
24. Хуббатуллин А.Р. Методики геологического сопровождения бурения при усеченном комплексе LWD, применяемые Газпромнефть-Ноябрьскнефтегазом / А.Р. Хуббатуллин, Е.В. Степанов // Горизонтальные скважины 2024. – 2024. – С. 71–78.
25. Alyaev S. DISTINGUISH Workflow: A New Paradigm of Dynamic Well Placement Using Generative Machine Learning [Электронный ресурс]
26. Burak T. Real-Time Lithology Prediction at the Bit Using Machine Learning [Электронный ресурс]
27. El Gezeery T. M. The Application of Mechanical Specific Energy and Drilling Dynamics in Geo-steering Slim Hole Horizontal Wells / T. M. El Gezeery, E. S. Sitinjak, P. Odiase, N. A. Shemali, S. H. Al-Sabea, M. A. Al Rashidi, A. Alazmi // First EAGE Workshop on Advances in Carbonate Reservoirs from Prospects to Development. – 2024. – С. 1–10.
28. Mohammed D. A Proactive Geosteering Approach Integrating Advanced LWD Nuclear Magnetic Resonance and Deep Azimuthal Resistivity Tools / D. Mohammed, M. F. Fahmy, K. Long, S. B. Mohamed, P. Odiase, H. E. El Masry // First EAGE Workshop on Advances in Carbonate Reservoirs from Prospects to Development. – 2024. – С. 1–4.
29. Pavlov M. Geosteering based on resistivity data and evolutionary optimization algorithm [Электронный ресурс]
30. Rongqin C. Circuit Design of LWD 3D Holographic Azimuthal Electromagnetic Wave Resistivity Tool / C. Rongqin, B. Yuxin, G. Meixiang, W. Wenbo, L. Xiao, X. Jiaqi // International Core Journal of Engineering. – 2024. – Vol. 5, № 10.
31. Sudiro P. EDAR Application for Accurate Well Landing and Boundaries Mapping of thin Reservoir Level in UGS Field / P. Sudiro, A. Mantegazzi, V. Pozzovivo, F. Marzano // EAGE GeoTech 2024 Fourth EAGE Workshop on Practical Reservoir Monitoring. – 2024. – С. 1–5.
32. Voynilenko V. Lithology Prediction on the Bit Using Calculated Density Log from Drilling and LWD Data During Geosteering / V. Voynilenko // First EAGE Workshop on Advances in Carbonate Reservoirs from Prospects to Development. – 2024. – С. 1–3.
33. Wu Z. A Novel Pseudo-2.5D Method for Directional Electromagnetic Logging while Drilling Modeling / Z. Wu, X. Liao, X. Yue // 85th EAGE Annual Conference & Exhibition. – 2024. – С. 1–5.
