Результаты применения новых технологий в бурении при разработке Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения
Программа разработки Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения предусматривает бурение в 2007-2021 годах более 500 горизонтальных скважин. Чтобы успешно выполнить эту программу и выйти на плановые объемы добычи (10 млн т в год), необходимо было сократить сроки строительства скважин и максимально увеличить отношение эффективной длины горизонтальной секции к ее общей длине. Для решения этой задачи специалисты Департамента буровых работ ОАО «Верхнечонскнефтегаз» и Департамента по геологии и разработке месторождений компании Schlumberger полностью пересмотрели технологию бурения и методы получения геофизических данных, применяемые на месторождении.
Геологическая структура Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения уникальна: продуктивный пласт ВЧ залегает на относительно небольшой глубине и характеризуется малой мощностью – менее 10 м. Из-за отложений минеральных солей коллектор неоднороден по проницаемости, поэтому эффективная нефтенасыщенная мощность еще больше сокращается и составляет всего 3 м. Кроме того, прежде чем достичь продуктивный пласт, необходимо перекрыть отложения солей, твердых доломитов и нестабильных аргиллитов. Все эти факторы значительно снижают эффективность бурения и препятствуют реализации намеченной программы строительства скважин.
Изначально разработка Верхнечонского месторождения велась с помощью вертикальных скважин, однако они в силу малой эффективной мощности пласта ВЧ не отличались высокой продуктивностью. В 2007 году был предло- жен новый план разработки месторождения, предусматривающий бурение не вертикальных, а наклонно-направленных и горизонтальных скважин, благодаря чему число скважин сократилось вдвое при сохранении общего объема добычи. Однако бурение с использованием винтового забойного двигателя (ВЗД) и гамма-каротажа не обеспечивало проводку стволов по наиболее продуктивным участкам пласта, поэтому дебиты некоторых наклонно-направлен- ных и горизонтальных скважин оказались недостаточно высокими.
Для того чтобы повысить эффективность бурения и оптимизировать цикл строительства скважин, специалисты Департамента буровых работ ОАО «Верхнечонскнефтегаз» совместно с Департаментом по геологии и разработке месторождений компании Schlumberger предложили новую методологию, предусматривающую использование роторно-управляемой системы (РУС), каротажа во время бурения (КВБ) и геонавигации. Сочетание технологий РУС и КВД обеспечило необходимый контроль траектории и важную информацию о геофизических свойствах пород, а благодаря применению геонавигации продуктивность каждой скважины увеличилась более чем вдвое.
Тщательное предварительное планирование
Для использования на Верхнечонском месторождении был выбран тип РУС, получивший название push-the-bit (Рис. 1): при использовании данной технологии набор параметров кривизны осуществляется за счет трех педалей, работающих от гидравлического привода, которые отталкиваются от стенок скважины, тем самым отклоняя долото в нужном направлении. Кроме того, в отличие от ВЗД, РУС является полностью вращающейся системой, поэтому передает большую нагрузку на долото, что позволяет использовать более агрессивные долота и гарантировать лучшую промывку ствола.
При дизайне компоновки низа бурильной колонны (КНБК) учитывались такие основные аспекты как управляемость и надежность. Для того чтобы обеспечить эффективное управление во время углубления скважины и последующего сбрасывания угла при добуривании секции диаметром 152,4 мм, была запроектирована РУС, имеющая калибратор диаметром 147,64 мм. Также использовался гибкий переводник для обеспечения плановой интенсивности искривления ствола (3° на 30 м).
Выбор оптимального долота, позволяющего пробурить секцию за один рейс и, в то же время, снизить возникающие скручивающие колебания, осложнялся ограничениями в гамме долот, поскольку технология РУС ранее не применялась при бурении коллекторов, аналогичных пласту ВЧ. Гидравлические характеристики были рассчитаны для достижения необходимого перепада давления в РУС (50 атм.), позволяющего использовать систему максимально эффективно. Гидравлическое моделирование и анализ работы бурильной колонны доказали выполнение всех критериев, обеспечивающих совместимость РУС с буровыми установками, используемыми на Верхнечонском месторождении (по крутящему моменту и ограничениям по давлению).
Успех пилотного проекта
В сентябре-октябре 2009 года на Верхнечонском месторождении стартовал пилотный проект по строительству скважин с использованием систем РУС и КВД, предусматривавший бурение четырех горизонтальных секций диаметром 152,4 мм. Все работы осуществлялись при поддержке удаленного оперативного центра в Иркутске и команды геологов, что обеспечивало безаварийное ведение буровых работ и эффективную геонавигацию.
Благодаря применению более агрессивных долот, средняя механическая скорость проходки с использованием РУС на четырех скважинах составила 16 м/ч (рекорд – 21,85 м/ч), что вдвое выше, чем при использовании ВЗД. Это позволило сократить цикл бурения горизонтальных секций на три дня – до 3,62 суток (Рис. 2, 3). Иными словами, на бурение 100 м с использованием РУС требуется вдвое меньше времени – 0,65 суток вместо 1,39 суток.
Кроме того, применение РУС позволило эффективнее проводить скважину с использованием КВБ и размещать ее в самых продуктивных зонах (Рис. 4). При этом эффективная длина горизонтальной секции увеличилась до более чем 70 % (скв. 814 – 86%), в то время как на скважинах, пробуренных с использованием ВЗД, этот показатель составляет всего 30%. В результате, дебиты скважин увеличились вдвое – до 200-250 т в сутки (скв. 814 – 290 т в сутки).
Сравнительный анализ бурения с РУС и с ВЗД также выявил преимущества новой технологии. Как показано на Рис. 5А, траектория ствола с ВЗД представлена простой нисходящей линией от середины продуктивной зоны до ее подошвы. Бурение последних 200 м горизонтальной секции сопровождалось значительными осложнениями. Результатом низкой эффективности направленного бурения и непредсказуемого падения зенитного угла стал тот факт, что конечная глубина по вертикали была достигнута на 100 м ранее проектной глубины по стволу, и геологические цели скважиной выполнены не были – в отличие от скважины, пробуренной с применением РУС и КВБ (Рис. 5В). Таким образом, новые технологии открывают широкие возможности для максимально эффективной разработки продуктивных горизонтов ВЧ1 и ВЧ2.
Использование РУС в сочетании с технологией геонавигации отлично зарекомендовало себя при бурении на больших глубинах. Так, из-за сложности траектории скв. 640, на определенной глубине (3 270 м) невозможно было достигнуть забоя без вращения – бурильная колонна складывалась даже без нагрузки на долото (Рис. 6А). Решить эту проблему позволило применение РУС: после каждого наращивания верхний привод обеспечивал вращение бурильной колонны для достижения забоя без посадок и складывания, в результате чего следующие 90 м были пробурены без проблем (Рис. 6В), и проектная глубина была достигнута в установленные сроки. В итоге, скв. 640 стала самой глубокой в рамках пилотного проекта – 3 360 м.
В общем же, технологии КВБ и геонавигации доказали свою эффективность при разработке Верхнечонского месторождения, поскольку геологическая неопределенность пласта очень высока: скважины могут значительно отличаться от соседних. Геонавигация позволила увеличить эффективную длину горизонтальной секции в условиях неопределенности расположения продуктивного коллектора за счет своевременной корректировки траектории скважины. Это способствовало проводке стволов в наиболее продуктивных зонах, таким образом, улучшая начальный дебит и сокращая период окупаемости.
Итак, в ходе пилотного проекта был выявлен ряд преимуществ технологий РУС и КВБ как с технической, так и с экономической точек зрения:
» экономия затрат на строительство скважин;
» сокращение сроков бурения и снижение связанных с бурением рисков;
» улучшение расположения скважины в пласте и повышение качества ствола;
» ускорение ввода скважин в эксплуатацию и обеспечение более высоких дебитов;
» возможность бурения скважин с большим отходом от вертикали.
Широкомасштабное внедрение
Вслед за успехом пилотного проекта, технологии РУС и КВД нашли применение в масштабах всего Верхнечонского месторождения – с осени 2009 года с использованием новой методики было пробурено около 90 % всех секций диаметром 152,4 мм.
Дополнительные преимущества РУС и КВБ были выявлены при зарезке бокового ствола из основной секции диаметром 152,4 мм – на сегодняшний день, проведено уже две таких операции. В одном из случаев, зарезка в открытом стволе была произведена без подъема КНБК после бурения основного ствола. Операция проводилась по специальной мето- дике – «бурение по времени», предусматривавшей подъем на 1 м от точки зарезки, затем бурение с ограниченной нагрузкой на долото со скоростью 0,3 м/ч, затем подъем на 2 м и ограниченное бурение со скоростью 0,6 м/ч. Подобным образом осуществлялось бурение всего интервала 7-10 м. Зарезка бокового ствола была завершена за один день, позволив сэкономить время и затраты на установку цементного моста, спуско-подъемные операции и замену КНБК.
Выполнение зарезки по азимутальному направлению с РУС является возможным благодаря отталкиванию долота педалями в необходимую сторону от ствола скважины с одновременным действием силы гравитации. Режущее действие долота направлено на нижнюю стенку ствола скважины, что обеспечивает отход от основного ствола в кратчайшие сроки. При этом, опыт двух операций на Верхнечонском месторождении показывает, что «бурение по времени» необходимо производить как минимум на всю длину прибора РУС.
С другой стороны, такой способ зарезки боковых стволов открывает дорогу использованию РУС для бурения многоствольных скважин для одновременной добычи нефти из пластов ВЧ1 и ВЧ2 с оптимальной динамикой флюида.
Оптимизация строительства секции диаметром 215,9 мм
В соответствии с типовым дизайном скважин на Верхнечонском месторождении, секция диаметром 215,9 мм является самой длинной. Необходимо отметить, что ее бурение зачастую осложняется низкой скоростью проходки в твердых доломитах, риском прихвата в нестабильных аргиллитах, расположенных над продуктивной зоной, а также сни- жением эффективности направленного бурения в нижней части секции. Большинство проблем можно решить с использованием специальной РУС с силовой
секцией (Рис. 7).
Эта система использует полностью интегрированный силовой привод, представленный высокомоментным забойным двигателем, который преобразует гидравлическую энергию раствора в механическую энергию. В сочетании с вращением от верхнего привода, эта энергия увеличивает мощность, поступающую на долото, что позволяет применять для направленного бурения более агрессивные долота PDC (с поликристаллическими алмазными вставками) и оптимально использовать нагрузку на долото, что приводит к повышению механической скорости проходки и сокращению цикла строительства скважины (Рис. 8).
К настоящему времени с применением силовой РУС на Верхнечонском месторождении пробурено четыре скважины – и новая технология дока- зала свою эффективность. Более гладкий ствол обеспечил снижение осевых и скручивающих нагрузок, действующих на бурильную колонну. Повышенные скорости вращения на долоте и менее интенсивное враще- ние бурильной колонны привели к снижению уровня вибраций в бурильной колонне и, следовательно, увеличению проходки – в среднем, на 58 %. При этом отработанные долота PDC оставались в хорошем состоянии, что позволяет увеличить время работы долота и заканчивать секцию за один рейс.
Одним из наиболее важных положительных эффектов применения РУС с силовой секцией является стабильность КНБК: во время бурения наблюдались очень слабые вибрации за счет отделения поверхностного вращения от вращения на долоте. Дополнительными преимуществами использо- вания силовой РУС стали сокращение извилистости и улучшение очистки ствола скважины.
Таким образом, очевидно, что ключевыми компонентами дальнейшей оптимизации процесса бурения на Верхнечонском месторождении являются оптимизация КНБК с силовой РУС и правильный выбор долот PDC, а сокращение продолжительности бурения секции диаметром 215,9 мм и оптимизация спуска обсадной колонны способны значительно улучшить эффективность и прибыльность проекта в целом.
Золотой стандарт
Использование технологий РУС и КВБ стало одной из главных составляющих успешного бурения на Верхнечонском месторождении. И если раньше цикл строительства добывающих скважин с использованием ВЗД и стандартной технологии наклонно-направленного бурения составлял в среднем 63 дня, а эффективная длина горизонтальной секции не превышала 30% от ее общей длины, то, благодаря внедрению технологий РУС, КВБ и геонавигации, к июлю 2010 года цикл строительства скважины удалось сократить до 22,3 суток (и это с учетом бурения дополнительных 100 м горизонтальной секции!), а эффективная длина секции увеличилась до 70%, что привело и к кратному росту добычи.
В ближайшие два года ОАО «Верхнечонскнефтегаз» планирует продолжить совершенствование процесса бурения:
» увеличить длину скважины по стволу до 3 600 м и более;
» реализовать пилотный проект бурения скважин с большим отходом от вертикали (горизонтальная секция диаметром 152,4 мм длиной 1 500 м);
» сократить число кустов на месторождении за счет увеличения отхода стволов от вертикали.
Все это было бы невозможно без использования роторно-управляемых систем.
Опыт применения роторно-управляемых систем и каротажа во время бурения в ОАО «Верхнечонскнефтегаз» установил новые технологические стандарты, своеобразную новую «точку отсчета» в эффективности и затратах на разработку месторождений Восточной Сибири, а предложенные основы проектирования скважин, теоретические пределы бурения и новые технологии, опробованные на Верхнечонском месторождении, могут быть применимы и на других проектах региона.
Доклад «Результаты применения новых технологий в бурении при разработке сложного месторождения Восточной Сибири – Верхнечонского нефтегазоконденсатного месторождения» был подготовлен для представления в 2010 году в рамках Российской нефтегазовой технической конференции и выставки SPE. Номер доклада – SPE 135969. Спасибо компании TNK-BP и журналу «Новатор» за предоставление материалов.
Кевин Уилсон, директор по бурению, ОАО «Верхнечонскнефтегаз»;
Иван Шокарев, инженер по бурению, Schlumberger;
Джон Смолл, директор по маркетингу, Schlumberger;
Эльнур Ахундов, менеджер по продажам бурового и телеметрического оборудования, Schlumberger
