Сведения об истории развития направленного бурения

Первые сведения о применении направленного бурения относятся еще к XVII в., но интенсивное развитие направленного бурения связано с общим развитием промышленности и самого бурового дела со второй половины XIX в. В это время были изобретены алмазные коронки и созданы первые станки для алмазного бурения, что позволило бурить не только вертикальные, но и наклонные и горизонтальные стволы.

В 1864 г. были пробурены первые горизонтальные скважины при строительстве железнодорожного тоннеля в Альпах алмазным инструментом.

В России впервые наклонная скважина пробурена в 1894 г. Скважина пробурена ударным способом, работами руководил горный инженер С. Г. Войслав.

Первые публикации об искривлении скважин относятся к 1883 г. В 1907 г. Дж. Китчин опубликовал представительные данные об искривлении глубоких (до 1000 м) скважин в Южной Африке. В России первые публикации об измерении искривления нефтяных скважин на Апшероне относятся к 1900 г. К этому времени в США, Швеции и России уже появились первые приборы для контроля положения ствола скважины в пространстве на основе плавиковой кислоты, магнитной стрелки и желатина (прибор Мааса). Подобные приборы в России были изготовлены и использованы инженерами А. Шимановским и В. Згленицким.

В конце XIX и начале XX в. на рудниках Урала, Джезказгана, Алтая, Забайкалья уже было известно заложение скважин с учетом залегания рудного тела, а горизонтальное бурение применялось при строительстве тоннелей при сооружении Кругобайкальской железной дороги Трансиба. Работы выполнены в основном зарубежными мастерами.

В 1906 г. инж. П. Н. Потоцким был разработан проект бурения с берега Каспийского моря на шельф с целью разработки нефтяного месторождения.

В 1912 г. на юге Африки впервые для искривления скважины алмазного бурения был использован клин.

Начиная с 1910-1920 гг. В России появляются работы по теории искривления скважин. И. С. Васильев в 1916 г. издал работу, в которой привел данные об искривлении скважин на Урале и утверждал, что искривление скважин происходит в основном под влиянием геологических особенностей буримых горных пород.

Академик А. Н. Динник (1920), будучи механиком и крупным специалистом по теории сопротивления материалов, занимался исследованием устойчивости бурильной колонны и утверждал в своих работах, что искривление скважин - в основном результат деформации бурильной колонны.

Несколько позже проблемой искривления скважин в СССР занимались Н. В. Бобков, Ч. Л. Мочульский, Т. В. Ключанский. Они выделяли ряд причин искривления скважин, среди которых прогиб буровых штанг, неправильная центрация снаряда, частая смена твердых и мягких слоев горных пород, их слоистость, сланцеватость и трещиноватость. На основании проведенного анализа давались рекомендации по технологии бурения и использованию центровочных фонарей, центрированных буровых компоновок при бурении дробью и коронками с вооружением из «суррогатного» твердого сплава - «победита».

Рост объемов геологоразведочных работ после революции в России вызвал необходимость развития направленного бурения. Развитие направленного бурения в те годы связано с именами профессоров В. М. Крейтера и Ф. А. Шамшева. В 1930^40 гг. большой вклад в разработку приборов для измерения искривления скважин внес Н. О. Якоби, а в теорию искривления скважин Е. В. Боровский. Эти работы в 1934 г. способствовали решению задачи смещения забоя вертикальной скважины в заданном направлении.

В 1935 г. по предложению М. А. Геймана был использован турбобур с редуктором инж. М. А. Капелюшникова с кривой трубой, но только после усовершенствования турбинного редуктора в 1941 г. отклонитель на базе забойного гидродвигателя получил развитие в промышленности.

Начиная с этого момента развитие технологий направленного бурения становится более интенсивным, так как производительность работ по искусственному искривлению скважин резко возрасла, повысилось качество и надежность этих работ.

В США и других странах с высокоразвитой промышленностью методы направленного бурения начали применять с 30 г. прошлого столетия, чему способствовало создание инструментов и приборов, позволяющих точно определять азимут и угол наклона скважин, а также возможность ориентирования отклонителей в скважине. При этом в США распространение получили отклонители клинового типа.

В США с 1950 г. при колонковом бурении начали применять стационарный отклоняющий клин Холл-Роу, съемный клин и устройство фирмы «Томсон», а также различные конструкции электрических, гироскопических и фотоинклинометров. Эти разработки стали широко известны в СССР из книги Дж. Камминга, посвященной технологии алмазного бурения, развитие которого стало приоритетным в 50-60 г.

Значительный вклад в развитие теории направленного бурения глубоких скважин в 50-60 г.г. прошлого века внесли американские специалисты А. Лубинский и Г. Вудс, Д. Брентли работы которых получили широкое признание и дали импульс развитию техники и технологии направленного бурения и в СССР.

В СССР техника и технологии направленного бурения разведочных скважин стали разрабатываться с 50 г. XX в. Этому способствовало появление квалифицированных специалистов по технике разведки, которых в 1947 г. стали готовить в Московском геологоразведочном, Ленинградском и Свердловском горных институтах, а с 1949 г. - в Томском политехническом и Иркутском горно-металлургическом институтах.

В результате благодаря работам А. М. Геймана, И. П. Кулиева,

С. С. Сулакшина, А. Г. Калинина, А. О. Кайзера, В. А. Броневского,

Н. А. Грибского, С. А. Павлюченко, А. С. Юшкова, Ю. Л. Боярко,

Г. К. Кармальского, Б. 3. Султанова, А. С. Бронзова, М. П. Гулизаде, Н. А. Григоряна, В. П. Зиненко, В. В. Шитихина, Ю. Т. Морозова, В. Г. Вартыкяна, Ю. Л. Михалкевича, Е. Л. Лиманова, И. Н. Страбыкина, А. Е. Колесникова и др. специалистов появилось достаточное количество разнообразных технических средств для искусственного искривления и накоплен опыт их применения в производственных условиях КМА, Казахстана, Украины, Урала, Горной Шории, Хакассии, Западной и Восточной Сибири, Кольского полуострова , Забайкалья, Приморья.

Для развития теории направленного бурения в эти годы большое значение имели исследования Б.И.Воздвиженского, С. С. Сулакшина,

A. Г. Калинина, Ю. Л. Боярко, Е. Л. Лиманова, Ю. Т. Морозова,

B. В. Шитихина, В. Е. Копылова, Б. И. Спиридонова, И. М. Юдборовского, В. П. Рожкова и др.

Последующий период в разработке направленного бурения связан с реализацией важнейших мероприятий развития техники и технологии геологоразведочного бурения: уменьшение диаметра и увеличение глубины разведочных скважин, широкое использование алмазного бурения на гораздо более высоких частотах вращения бурильной колонны, внедрение буровых станков и бурового оборудования нового поколения, параметры которых определялись требованиями, вызванными реализацией новых буровых технологий.

В этот период в разных регионах страны выделились несколько творческих коллективов, занятых созданием современных технологий и технических средств: на Северо-Западе страны - лаборатория ВИТР (рук. Ю. Т. Морозов), на Украине - лаборатория ДО ИМР (рук. И. Е. Данильченко), в Казахстане - лаборатория КазИМС (рук. И. Н. Страбыкин и Ф. Д. Вытоптов), в Забайкалье - лаборатория ЗабНИИ (рук. Ю. С. Костин и Ю. Г. Соловов).

Названными лабораториями и коллективами авторов созданы комплексы технических средств и технологий искусственного искривления скважин в твердых породах для самых разнообразных горно-геологических и технических условий бурения, предложены методики проектирования, способы и техника многоствольного бурения, методы и средства снижения интенсивности естественного искривления скважин.

Наиболее широко используемыми геологоразведочным производством средствами искусственного искривления в твердых горных породах стали комплексы технических средств, среди которых съемный клиновой отклонитель СНБ-КО, ориентатор УШО, инклинометры типа «Зенит», компоновки для снижения искривления скважин, созданные в Казахстане, стационарный клин КОС, съемный клин СО, ориентаторы «Луч» и «Курс», инклинометр ОК-40У, разработанные ВИТРом, отклонитель АН, созданный и использовавшийся на Урале.

Из отклонителей непрерывного действия одним из первых был создан и испытан в Казахстане снаряд БСНБ М. П. Олексенко. На Украине разработан снаряд СНБ-ИМР, а в Забайкалье ТЗ-З (Тарбаган Забайкальский).

Наибольшее распространение в геологоразведочной отрасли получил снаряд непрерывного действия, созданный в лаборатории ЗабНИИ - ТЗ-З, который многократно модернизировался и используется для искусственного искривления скважин диаметром от 46 до 93 мм.

Позднее появились разработки отклонителей непрерывного действия лаборатории ВИТР и опытно-методической партии новой техники Центрально- Казахстанского геологоуправления - СБС и ОБС, КазИМС - СНБ-ГМ и ОГМ, новые конструкции инклинометров и ориентаторов.

Существенное влияние на формирование уровня направленного бурения в современный период оказали сотрудники ЗабНИИ Ю. С. Костин, В. В. Перминов, Ю. Г. Соловов, Ю. В. Андреев, И. В. Кукушкин, Р. Б. Закиев и др., которым принадлежит приоритет в разработке различных методик и технических средств направленного бурения.

В лаборатории ЗабНИИ впервые были созданы отклоняющие комплексы (отклонитель, ориентатор и регистратор, связанные в единую конструкцию), сначала на базе отклонителя ТЗ с ориентирующей приставкой ОП, затем модернизированного ТЗ-ЗП, а позже разработаны новые отклоняющие комплексы «КЕДР» и «КЕДР-ГБ» с шариковым ориентатором, отклоняющая система для ССК «Рейс-59» , созданы другие разработки.

В Томском политехническом институте (в настоящее время Томский политехнический университет) теорию и технологии направленного бурения активно развивали С. С. Сулакшин, В. В. Кривошеев, Ю. Л. Боярко, Б. И. Спиридонов, В. И. Рязанов и др., в Московском геологоразведочном институте (Российский государственный геологоразведочный университет)

A. Г. Калинин, В. П. Зиненко и др., в Иркутском политехническом институте (Иркутский государственный технический университет) И. Н. Страбыкин,

B. В. Нескоромных, И. А. Буглов и др., в Свердловском горном институте (Уральский государственный горный университет) Л. Г. Шолохов и др.

Под влиянием работ и при непосредственном научном руководстве проф.

C. С. Сулакшина сформировалась сибирская школа направленного бурения, а в 1987 г. С. С. Сулакшиным был издан первый в стране учебник «Направленное бурение» для высших учебных заведений.

На Урале активно действовала производственная группа технологов под руководством Г. Г. Анненкова, на Северо-Западе Б. Е. Стеблова, в Казахстане группа специалистов под руководством М. П. Олексенко, а позже А. И. Уржумова, в Забайкалье работал конструктор эффективных технических средств искусственного искривления и технолог В. Р. Бруев, в Таджикистане трудились специалисты под руководством В. И. Власюка. Плодотворно работали в направлении разработки теории и техники многоствольного бурения И. П. Мельничук, бурения горизонтальных скважин - Ю. В. Кодзаев, кернометрии А. С. Юшков.

В практику и развитие технологий, а также в совершенствование технических средств направленного бурения и кернометрии значителен вклад специалистов геологических объединений Министерства геологии СССР, таких как «Кировгеология», «Уралгеология», «Сосновгеология», «Северо-Западное», «ВостКазгеология», «Иркутскгеология» и др.

В 1988 г. ряд специалистов научных и производственных организаций удостоены премии Совета министров СССР за разработки в области направленного бурения.

Развитием техники и технологии направленного бурения скважин на нефть и газ в СССР активно занималась лаборатория направленного бурения ВНИИБТ, отраслевые институты СевКазНИПИнефть, ЗапСибНИПИнефть и др. Разработки этих институтов широко использовались и используются при производстве буровых работ на площадях Каспия, Башкирии, Западной и Восточной Сибири, Сахалина, послужили основой создания новых технологий интенсификации добычи нефти и газа вертикально-горизонтальными скважинами, получившими широкое развитие в мире за последние два десятилетия (первая работа по этой теме - монография А. М. Григоряна «Вскрытие пластов многозабойными и горизонтальными скважинами», 1969 г.), помогли пробурить самую глубокую скважину в мире - СГ-3 на Кольском полуострове, которая является многоствольной (4 дополнительных ствола, один из которых (ствол №Ш) достиг максимальной глубины - 12 262 м).

Первая вертикально-горизонтальная скважина на нефтяном месторождении пробурена в СССР в 1953 г. в Башкирии (скважина 66/45). В 1968 г. на Марковском месторождении (Иркутская область) пробурена скважина с рекордной для того времени протяженностью горизонтального ствола 632 м.

За рубежом активное начало промышленного бурения горизонтальных скважин начато с семидесятых годов. Лидером бурения горизонтальных скважин стал Французский институт нефти и фирма «Эльф-Атикен». За короткие сроки за рубежом были сконструированы, прошли промышленные испытания и появились на рынке новые забойные двигатели, долота, телеметрические системы, системы геофизических исследований в горизонтальных стволах и другое оборудование, позволяющее достигнуть высоких технико-экономических показателей при бурении горизонтальных скважин.

К сожалению, в СССР, из-за того, что резко увеличилась добыча относительно дешевой нефти в Западной Сибири, снизился резко интерес к бурению разветвленно-горизонтальных и горизонтальных скважин.

Активное развитие технологии бурения вертикально-горизонтальных скважин происходит в 80-е г. прошлого столетия, в связи с открывающейся возможностью резкого повышения коэффициента извлечения нефти (КИН) и возможностью извлечения нефти из истощившихся месторождений и месторождений с тяжелой нефтью. Начиная с 80-х годов, резко возрос интерес к бурению горизонтальных скважин в США. Бурятся горизонтальные скважины на месторождении Прадхо-Бей (Аляска), сложенного низкопроницаемыми известняками. Резко возросли объемы бурения горизонтальных скважин в шельфовой зоне Северного моря.

Проходка вертикально-горизонтальных стволов позволила:

  • - получать начальные дебиты в 20 раз выше, чем дебиты обычных скважин при повышении стоимости бурения только в 2-3 раза;
  • - обеспечить накопленную добычу за 10-15 лет эксплуатации в 10 раз выше при себестоимости добытой нефти в 3-5 раз ниже, чем по обычным соседним скважинам;
  • - на 20-30 % увеличить нефтеотдачу из продуктивных пластов;
  • - повысить эффективность разработки высоковязкой нефти, процессов заводнения, прогрева пластов и др.

Значительное развитие технология и техника направленного бурения получила в процессе освоения методов бурения вертикально-горизонтальных скважин. Это, прежде всего, развитие забойных телеметрических систем (ЗТС), включающих средства дистанционного контроля положения забоя скважины и управления направлением скважин. В качестве датчиков положения скважины в пространстве недр стали использоваться электронные средства: акселерометры, магнитометры и гироскопы, а в качестве средств дистанционного контроля параметров гидравлические, электромагнитные, кабельные и др. системы связи с забоем скважины.

ЗТС, имея автономный источник энергии (гидрогенератор или аккумуляторы), выдает замеры инклинометрии, свойств горных пород, степени их анизотропии и ориентации направлений анизотропии (акустический каротаж) пород слагающих стенки скважины, на поверхность посредством различных каналов связи. ЗТС управляются с поверхности посредством передачи управляющих сигналов, что позволяет ориентировать отклоняющие системы в соответствии с текущими задачами по корректировке направления скважины.

В настоящее время созданы интеллектуальные роторные ЗТС, которые запрограммированы на полностью автономную работу по бурению ствола скважины с использованием алгоритмов управления траекторией скважины.

При этом, если на начальном этапе этого развития ЗТС использовались отклонители на базе винтовых забойных двигателей с дистанционно управляемыми кривыми переходниками, то в настоящее время активно развиваются rotary steerable system (RSS) - роторные управляемые системы (РУС), в которых разрушение горной породы осуществляется вращением долота с бурильной колонной верхним приводом буровой установки, а также отклоняющие системы, сочетающие применение винтовых забойных гидродвигателей и РУС, которые позволяют обеспечить бурение существенно более протяженных горизональных стволов - несколько тысяч метров.

Системы RSS созданы такими компаниями как Halliburton, Baker Hughes, Nobl Drilling, Schlumberger и др. Созданные отклоняющие системы отличаются по конструкции, но основным их принципом является использование вращающейся вместе с колонной труб телеметрической системы, на которой установлены внешние или внутренние отклоняющие элементы. Отклоняющие элементы управляются электроникой, синхронизируются с вращением бурильной колонны и находятся в постоянном контакте со стенкой скважины, скользя по ней в процессе проходки, а также валом-ротором вблизи долота, меняя угол его перекоса, что позволяет вести непрерывное управление траекторией ствола скважины.

Системы RSS позволяют бурить пологие и горизонтальные скважины с плавным профилем из-за отсутствия перегибов ствола (обычных при использовании забойных двигателей) с большей протяженностью за счет снижения сил трения и лучшей очисткой ствола от шлама. Более высокая проходка с постоянным вращением бурильной колонны предотвращает вероятность прихватов бурильного инструмента, сокращает время на очистку ствола от выбуренной породы и дает ряд дополнительных преимуществ по качеству вскрытия продуктивного горизонта.

В 2010 г. в Чили применение скважины, направленной в заваленную породой при обрушении горную выработку на глубине 700 м позволило спасти 33 горняка, которые извлечены на поверхность через скважину. Этот опыт применения направленного бурения достоин особой оценки и позволяет отметить новые возможности технологий направленного бурения.

Примером проходки протяженных горизонтальных участков вертикально-горизонтальных скважин служит ствол, пробуренный в Южной Англии на месторождении Вич Фармс с применением роторно-управляемых систем. Длина горизонтального участка ствола скважины составила 10 км.

В 2010 г. на шельфе Сахалина Exxon Neftegas Limited (ENL) пробурена самая протяженная скважина в мире - суммарная длина стволов вертикальногоризонтальной эксплуатационной скважины на месторождении газа составила 12 345 м. Бурение самой протяженной скважины осуществлено за 60 дней.

Технология бестраншейной прокладки коммуникаций - горизонтальнонаправленное бурение (ГНБ) появилась в США. В 1972 г. первый проход под рекой Пажара в Калифорнии, выполнен М. Черрингтоном при помощи установки для вертикального бурения. В 70-80 г г. усилиями специалистов исследовательских центров и компаний США были созданы первые специализированные буровые агрегаты и системы локации для горизонтального бурения с целью прокладки электрических кабелей и трубопроводов. В настоящее время возможности ГНБ настолько высоки, что практически полностью заменяют метод траншейной прокладки коммуникаций как значительной протяженности (тысячи метров), так и поперечного размера прокладываемых труб.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >