При выполнении замеров инклинометрии в горизонтальных скважинах через значительные промежутки глубины по стволу возникает пространственная неопределенность положения ее ствола. В работе показано, что при расчете координат скважины необходимо учитывать режимы ее бурения (слайдирования или с вращением) и использовать для них разные методы расчета. В противном случае погрешность может достигать 3.5 м и более.
Горизонтальные скважины на территории Российской Федерации бурятся по одной бурильной трубе (как правило длиной 12 м) или по одной свече (связка из двух бурильных труб длиной 24 м). Замеры инклинометрии делаются по окончании бурения каждой трубы или свечи. В связи с этим наблюдается проблема неопределенности действительной траектории скважины, рассчитанной по показаниям инклинометра (зенитному углу и азимуту) через такие значительные промежутки. В процессе бурения при вращении бурильной колонны по гидравлическому каналу связи могут передаваться дополнительные промежуточные замеры зенитного угла, которые позволяют заметно уточнить траекторию бурящийся скважины, однако это производится только в случае особой необходимости. При этом неопределенность в расчете пространственного положения горизонтальной скважины в процессе бурения может привести к потере эффективного ствола (уменьшению коэффициента вскрытия пласта). Эта проблема чаще всего наблюдается при бурении горизонтальных скважин на слабоизученных месторождениях или в пластах малой мощности [2].
При бурении горизонтальной скважины винтовым забойным двигателем применяются два режима бурения: слайдирование и бурение с вращением. При слайдировании происходит набор зенитного угла, а при бурении с вращением зенитный угол скважины сохраняется постоянным, что необходимо учитывать при расчете координат скважины.
Для того чтобы минимизировать неопределенность в расчете траектории скважины авторами была рассмотрена методика учета режимов бурения горизонтальной скважины при расчете ее фактической траектории.
Целью исследования являлось изучение погрешн6ости расчета траектории ствола горизонтальной скважины, возникающей вследствие применения различных методов расчета координат скважины, либо в тех случаях, когда не учитываются режимы бурения. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи: изучение методики коррекции кривизны скважины; применение методики на нескольких горизонтальных скважинах с учетом режимов бурения на их отдельных участках; анализ полученных результатов.
Применяемая методика основана на том, что на участках горизонтальной скважины, пробуренных с набором зенитного угла или с вращением компоновки низа бурильной колонны (КНБК), необходимо применять разные формулы расчета траектории. На интервалах слайдирования необходимо проводить расчеты координат по методу минимальной кривизны, а на интервалах с вращением – тангенциальным.
Объектом исследования являлись шесть горизонтальных скважин, пробуренных в Пермском, Красноярском краях, в Ханты-Мансийском и Ямало-Ненецком автономном округах.
Этапы работы
Первым этапом работы являлось сравнение методов расчета координат на примере скважин №№1, 2, 3 для того, чтобы проследить, на сколько могут отличаться результаты определения широты, долготы и глубины скважины в зависимости от выбранного метода и от частоты снятия замеров инклинометрии.
На втором этапе производился учет режимов бурения в горизонтальных скважинах №№4, 5, 6 для практической оценки величины вероятной ошибки в определении координат положения забоя.
Методы расчета координат горизонтальной скважины
В настоящей работе применялись следующие методы расчета координат скважины:
1. Тангенциальный метод (ТАНГ). Используются только последние данные замера зенитного угла и азимута без учёта предыдущих, что не обеспечивает реального представления о траектории скважины за исключением участков стабилизации зенитного угла и азимута.
2. Метод среднего угла (СР). Этот метод предполагает усреднение углов (зенитного угла и азимута) в двух последовательных точках замера. Кроме того, предполагают, что длина интервала равна кратчайшему расстоянию между точками.
3. Сбалансированный тангенциальный метод (СБТАНГ). Интервал между двумя последовательными точками замера делится на два отрезка прямой линии. Для каждого участка определяют приращение координат тангенциальным методом. Результирующие приращения находят как сумму приращений координат для верхнего и нижнего участков. В данном методе погрешности предыдущего вычисления компенсируются текущим.
4. Метод минимальной кривизны (ммк). В этом методе участок реальной кривой ствола скважины, расположенный между двумя последовательными точками замера, эффективно заменяется сферической дугой. Стоит отметить, что данный метод является наиболее точным среди всех для определения координат ствола скважины, поэтому является отраслевым стандартом. Формулы (1-5), которые используются для расчетов по этому методу, приведены ниже [3]:
Из формул (4 и 5) видно, что на участках стабилизации зенитного угла и азимута, когда I1=I2 и А1=А2, происходит проблема деления на 0, что делает метод неприменимым на участках бурения с вращением (стабилизации зенитного угла).
I Сравнение результатов расчетов координат горизонтальных скважин
По перечисленным выше методам были рассчитаны координаты горизонтальных скважин №№1, 2, 3 с целью оценки расхождений между результатами расчетов (рис. 1, 2, 3, 4; табл. 1). Графики приведены на примере скважины №1.
Из графиков сопоставления глубин Zi (рис. 1), рассчитанных разными способами, и вертикальных проекций вблизи забоя горизонтальной скважины (рис. 2) видно, что глубины по методам среднего угла и сбалансированного тангенциального в скважине №1 обладают тесной сходимостью с глубиной по методу минимальной кривизны, в то время как глубина по тангенциальному методу значительно меньше по абсолютной величине.
Были рассчитаны погрешности глубин, определенных разными методами, относительно глубин по методу минимальной кривизны (ΔTVD) и построен график их изменения с глубиной по стволу (MD) для скважины №1. На графике отмечены участки скважины с различными величинами зенитного угла I. Погрешность расчета по тангенциальному методу в данной скважине значительно возрастает при наборе угла более 5o и достигает 1 м при 28о, а на забое – 4.52 м. В интервалах постоянного зенитного угла погрешность по тангенциальному методу не меняется, а при его падении снижается.
В таблице 1 представлены координаты забоя скважин №№1, 2, 3, определенные разными методами. По широте и долготе указаны величины смещения от устья. Также приведены величины погрешностей координат относительно метода минимальной кривизны – отраслевого стандарта. На рисунке 4 – горизонтальные проекции скважины №1, полученные разными методами.
Горизонтальные проекции скважины №1 близки друг к другу (рис. 4), однако координаты положения забоя могут значительно отличаться (табл. 1), в первую очередь из-за расхождений по глубине, описанных ранее.
По результатам анализа всех рассмотренных скважин (табл. 1) сделан ряд выводов. Наибольшие расхождения между методами наблюдаются по координате Y.
Наибольшие погрешности относительно метода минимальной кривизны получены, в целом, в скважине №2, в которой замеры инклинометрии производились каждую свечу (24 м), по сравнению со скважинами №№1 и 3, в которых замеры снимались каждую трубу (12 м). Также стоит отметить, что скважина №2 бурилась с роторной управляемой системой (РУС) и не имела интервалов стабилизации зенитного угла, а скважины №№1 и 3 бурились с винтовым забойным двигателем (ВЗД).
В скважинах №№2 и 3 отмечены более существенные отличия в горизонтальных проекциях, чем в скважине №1. Причем в них самые большие погрешности относительно метода минимальной кривизны наблюдаются не по тангенциальному методу, как в скважине №1, а по методу среднего угла.
II Учет режимов бурения горизонтальных скважин
Как было показано выше, результаты оценки координат горизонтальной скважины в значительной степени зависят от принятого метода расчета. Метод минимальной кривизны принят как отраслевой стандарт, однако только его использование для расчета координат на протяжении всего ствола горизонтальной скважины вне зависимости от ее угла и азимута не отражает фактическую траекторию ствола. Для того, чтобы описать истинные координаты горизонтальной скважины, необходимо учитывать режимы бурения, которые соблюдались при ее строительстве. Для этого авторами при оценке траектории горизонтальных скважин №№4, 5, 6, пробуренных с ВЗД, применялась коррекция кривизны ствола скважины Local DLS (dogleg severity – интенсивность искривления ствола скважины).
Процесс Local DLS позволяет точно рассчитать извилистость траектории ствола скважины между последовательными замерами инклинометрии путем анализа и контроля данных управления процессом бурения (режимы – направленный/с вращением). По данным полевых отчетов, заполняемых инженерами по направленному бурению, которые называются slide sheets, были выделены интервалы слайдирования (интервалы бурения с набором зенитного угла) и бурения с вращением КНБК. На интервалах слайдирования при расчете координат скважин применялся метод минимальной кривизны, так как на этих участках у скважины изменяется зенитный угол. На интервалах бурения с вращением предполагается, что угол скважины сохраняется постоянным и этот участок скважины аппроксимируется прямой, на этом участке координаты рассчитывались по тангенциальному методу. Таким образом, используется дифференциальный подход к оценке траектории горизонтальной скважины на разных участках с учетом режимов ее бурения [4].
Данный подход был использован при определении глубин и координат горизонтальных скважин №№4, 5, 6, пробуренных на карбонатном газоконденсатном месторождении Красноярского края. В целом на месторождении пласты-коллекторы обладают достаточно большими мощностями, но зоны с повышенными фильтрационно-емкостными свойствами, а именно с высокой эффективной пористостью и развитой трещиноватостью, имеют ограниченное распространение по площади и по глубине. Рассматриваемые скважины бурились без геонавигационного сопровождения, ввиду чего особенно важно грамотное планирование траектории горизонтальных стволов, точное следование плану и корректная оценка фактических координат пробуренных скважин.
В указанных скважинах первоначально траектория рассчитывалась с помощью общепринятого в отрасли метода минимальной кривизны на протяжении всего ствола (а также по тангенциальному для сравнения), а затем производился расчет координат с учетом режимов бурения. Полученные траектории были сопоставлены между собой и определены расхождения между ними.
На рисунках 5 и 6 приведено сопоставление глубин и вертикальных проекций на участке скважины №4 вблизи забоя, полученных с учетом режимов бурения (рис. 5 по оси абсцисс, рис. 6 – красная кривая «Итог») и без учета режимов бурения (рис. 5 по оси ординат, рис. 6 – синяя и черная кривые).
Также были рассчитаны погрешности глубин (ΔTVD) относительно определенных с учетом режимов бурения и построен график их зависимости от глубины по стволу (MD) (рис. 7).
Величина ошибки определения глубины горизонтальной скважины №4 без учета режимов бурения по методу минимальной кривизны, являющегося отраслевым стандартом, достигает -1,84 метра на забое (по тангенциальному 1.75 м), что является весьма существенным, особенно для рассматриваемого месторождения.
В таблице 2 приведены величины погрешностей определения глубины забоя горизонтальных скважин №№4, 5 и 6 относительно предлагаемого подхода для методов минимальной кривизны и тангенциального. Также указана доля ствола, пробуренного с вращением КНБК, по всей протяженности ствола скважины от устья до забоя и отдельно – в горизонтальной секции 152.4 мм.
Во всех трех скважинах при строительстве преобладали участки бурения с вращением (табл. 2), которые аппроксимируются прямой (как на протяжении бурения всей скважины, так и на ее горизонтальном участке). При этом ошибка при расчете окончательной глубины забоя через метод минимальной кривизны в скважинах №№4 и 6 больше (по модулю), чем через тангенциальный, а в скважине №5 – меньше.
В скважине №6 ошибка по методу минимальной кривизны (отраслевому стандарту) достигает -3.53 м. То есть величина глубины, принятая для скважины №6 в официальных документах, является завышенной (по абс.) на 3.53 м, что дает отметку глубже.
Данный пример показывает, что при бурении горизонтальной скважины и определении ее глубины исключительно по методу минимальной кривизны происходят ситуации, когда по абсолютной глубине скважина уже должна находиться на пересечении с кровлей целевого горизонта, но по факту так и не вошла в него, так как на самом деле располагается выше. При геонавигации в таких ситуация приходится менять траекторию ствола скважины в процессе бурения и «искать» нужный горизонт ниже. При этом, как правило, ситуацию списывают на геологические неопределенности, тогда как в действительности ее можно было бы избежать, корректно определив координаты траектории ствола скважины с учетом режимов бурения.
Результаты определения прочностных свойств и интерпретации данных геофизических исследований скважин, произведенных в процессе бурения, также будут иметь некорректную привязку к глубине, что может сказаться на эффективности операций, которые будут проводиться в скважине или на месторождении в будущем.
Результаты оценки положения ствола горизонтальной скважины в пространстве используются при создании структурных карт и карт резервуаров, которые применяются в дальнейшем при подсчете запасов и планировании работ по эффективному извлечению углеводородов, и, в свою очередь, для принятия управленческих решений на месторождении на основе этой информации. В связи с вышесказанным очень велика цена ошибки в определении фактической глубины горизонтальной скважины.
Расчеты показали, что расхождения по площади (координаты X, Y) в скважинах №№4-6 не существенные, особенно по направлению на Север.
Заключение
По проделанной работе можно сделать следующие выводы.
1. Наибольшее расхождение рассчитанной глубины относительно метода минимальной кривизны наблюдается по тангенциальному методу. По координатам X и Y закономерности на наблюдаются.
2. Погрешности увеличиваются с увеличением интервала снятия замера инклинометрии и с ростом зенитного угла.
3. Метод минимальной кривизны не применим на интервалах стабилизации зенитного угла.
4. Величины погрешностей без учета режимов бурения НЕ зависят от того, какой режим бурения преобладал в скважине: слайдирования или бурения с вращением. При этом при расчете по методу минимальной кривизны забой всегда получается глубже, чем истинный (с учетом режимов бурения).
5. Необходимо учитывать режимы бурения при расчете координат горизонтальной скважины, так как ошибка может достигать 3.5 метров и более, что особенно важно в сложных геологических условиях.
6. На участках бурения с вращением КНБК необходимо рассчитывать координаты скважины тангенциальным методом, а на интервалах слайдирования – методом минимальной кривизны.
Стоит отметить, что согласно исследованиям [4], при бурении с РУС рассмотренные эффекты погрешностей по глубине гораздо слабее, чем при бурении с ВЗД, но все равно присутствуют. Поэтому режимы бурения необходимо учитывать при расчете фактической траектории ствола скважины вне зависимости от способа ее бурения.
Литература
1. Батлер Р. М. Горизонтальные скважины для добычи нефти, газа и битумов. – М.–Ижевск: Институт компьютерных исследований, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2010. – 536 с.
2. Блоцкая А. И. Учет режимов бурения горизонтальной скважины при расчете ее фактической траектории // Тезисы докладов 75-ой международной молодежной научной конференции «Нефть и газ – 2021», 26-30 апреля 2021 г. Том 1. Москва, РГУ нефти и газа имени (НИУ) И.М. Губкина, 2021 г. С. 18-19.
3. Все про нефть и газ [Электронный ресурс]: нач. журн./ Бурение горизонтальных скважин, Методы расчетов профиля – Электр. журн. – режим доступа к журналу: http://www.neft-i-gas.narod.ru/litera/raznoe/7/5/index.htm
4. SPE/IADC 79917. Continuous Directional and Inclination Measurements Lead to an Improvement in Wellbore Positioning. E. J. Stockhausen, SPE, Chevron Texaco and W. G. Lesso, Jr., SPE, Schlumberger // This paper was prepared for presentation at the SPE/IADC Drilling Conference held in Amsterdam, The Netherlands, 19-21 February 2003.
