Направленное бурение (или наклонное бурение ) — это практика бурения невертикальных скважин . Его можно разбить на четыре основные группы: направленное бурение на нефтяных месторождениях, направленное бурение для установки коммунальных коммуникаций, направленное бурение (горизонтально-направленное бурение — ГНБ) и поверхностное бурение в пласте (SIS), которое горизонтально пересекает вертикальную целевую скважину для извлечения метана из угольных пластов .
Многие предпосылки позволили этому набору технологий стать продуктивным. Вероятно, первым требованием было осознание того, что нефтяные скважины или скважины для воды не обязательно должны быть вертикальными. Это осознание было довольно медленным и не привлекло особого внимания нефтяной промышленности до конца 1920-х годов, когда было несколько судебных исков, утверждающих, что скважины, пробуренные с буровой установки на одном участке, пересекли границу и проникли в резервуар на соседнем участке. [ требуется ссылка ] Первоначально принимались косвенные доказательства, такие как изменения добычи в других скважинах, но такие случаи подстегнули разработку инструментов малого диаметра, способных исследовать скважины во время бурения. Установки горизонтального направленного бурения развиваются в направлении крупномасштабной микроминиатюризации, механической автоматизации, работы в жестких пластах, контролируемого бурения с превышением длины и глубины. [1]
Измерение наклона ствола скважины (его отклонения от вертикали) сравнительно просто, для этого требуется только маятник. Однако измерение азимута ( направления относительно географической сетки, в которой ствол скважины отклоняется от вертикали) было более сложным. В определенных обстоятельствах можно было использовать магнитные поля, но на них влияли бы металлические конструкции, используемые внутри стволов скважин, а также металлические конструкции, используемые в буровом оборудовании. Следующим шагом вперед стала модификация небольших гироскопических компасов корпорацией Sperry Corporation , которая производила аналогичные компасы для аэронавигации. Sperry сделала это по контракту с Sun Oil (которая была вовлечена в судебный процесс, как описано выше), и была образована дочерняя компания « Sperry Sun », бренд которой существует и по сей день, [ когда? ] [ необходимо разъяснение ] поглощенная Halliburton . Три компонента измеряются в любой заданной точке ствола скважины для определения ее положения: глубина точки вдоль хода ствола скважины (измеренная глубина), наклон в точке и магнитный азимут в точке. Эти три компонента в совокупности называются «обследованием». Серия последовательных обследований необходима для отслеживания хода и местоположения ствола скважины.
Предыдущий опыт роторного бурения установил несколько принципов конфигурации бурового оборудования в скважине («компоновка низа бурильной колонны» или «КНБК»), которое было бы склонно к «бурению искривленной скважины» (т. е. начальные случайные отклонения от вертикали были бы увеличены). Контр-опыт также дал ранним бурильщикам направленного бурения («DD») принципы проектирования КНБК и практики бурения, которые помогли бы приблизить искривленную скважину к вертикали. [ необходима цитата ]
В 1934 году Х. Джон Истман и Роман У. Хайнс из Лонг-Бич, Калифорния , стали пионерами в области направленного бурения, когда они с Джорджем Файлингом из Энида, Оклахома , спасли нефтяное месторождение Конроу, штат Техас . Файлинг незадолго до этого запатентовал переносной буровой грузовик. Он основал свою компанию в 1931 году, когда соединил буровую установку с грузовиком и узлом отбора мощности. Инновация позволила быстро пробурить ряд наклонных скважин. Эта способность быстро пробурить несколько разгрузочных скважин и сбросить огромное давление газа имела решающее значение для тушения пожара в Конроу. [2] В статье Popular Science Monthly за май 1934 года говорилось, что «лишь горстка людей в мире обладает странной силой, позволяющей заставить долото, вращающееся на милю под землей на конце стальной бурильной трубы, извиваться по кривой или вокруг угла излома, чтобы достичь желаемой цели». Eastman Whipstock, Inc. стала крупнейшей в мире компанией направленного инвестирования в 1973 году. [ необходима цитата ]
В совокупности эти приборы для обследования и конструкции КНБК сделали возможным направленное бурение, но оно воспринималось как нечто загадочное. Следующее крупное достижение произошло в 1970-х годах, когда стали распространены забойные буровые двигатели (они же грязевые двигатели , приводимые в действие гидравлической энергией бурового раствора, циркулирующего по бурильной колонне). Они позволяли буровому долоту продолжать вращаться на режущей поверхности в нижней части скважины, в то время как большая часть бурильной трубы оставалась неподвижной. Кусок изогнутой трубы («изогнутый переводник») между неподвижной бурильной трубой и верхней частью двигателя позволял изменять направление ствола скважины без необходимости вытаскивать всю бурильную трубу и устанавливать еще один отклонитель. В сочетании с развитием инструментов измерения во время бурения (с использованием телеметрии по гидроимпульсу , сетевой или проводной трубы или электромагнитной (ЭМ) телеметрии, которая позволяет инструментам в скважине отправлять данные о направлении обратно на поверхность, не мешая буровым работам), направленное бурение стало проще.
Некоторые профили не могут быть легко пробурены во время вращения бурильной трубы. Направленное бурение с помощью забойного двигателя требует периодической остановки вращения бурильной трубы и «скольжения» трубы по каналу, поскольку двигатель прорезает криволинейную траекторию. «Скольжение» может быть затруднено в некоторых пластах, и оно почти всегда медленнее и, следовательно, дороже, чем бурение во время вращения трубы, поэтому желательна возможность управлять долотом во время вращения бурильной трубы. Несколько компаний разработали инструменты, которые позволяют управлять направлением во время вращения. Эти инструменты называются роторными управляемыми системами (RSS). Технология RSS сделала возможным доступ и управление направлением в ранее недоступных или неконтролируемых пластах.
Направленное бурение скважин осуществляется для нескольких целей:
Большинству бурильщиков, занимающихся направленным бурением, дается синяя траектория скважины, которая заранее определена инженерами и геологами до начала бурения. Когда бурильщик, занимающийся направленным бурением, начинает процесс бурения, периодически проводятся замеры с помощью скважинного прибора для получения данных замеров (наклона и азимута) ствола скважины. [3] Эти снимки обычно делаются с интервалом от 10 до 150 метров (30–500 футов), причем 30 метров (90 футов) являются обычными во время активных изменений угла или направления, а расстояния 60–100 метров (200–300 футов) являются типичными при «бурении вперед» (без активных изменений угла и направления). Во время критических изменений угла и направления, особенно при использовании забойного двигателя, к бурильной колонне будет добавлен инструмент измерения во время бурения (MWD) для обеспечения постоянно обновляемых измерений, которые могут использоваться для (почти) реальных корректировок.
Эти данные показывают, следует ли скважина запланированному пути и вызывает ли ориентация буровой компоновки отклонение скважины от запланированного. Корректировки регулярно вносятся такими простыми методами, как регулировка скорости вращения или веса бурильной колонны (вес на забое) и жесткости, а также более сложными и трудоемкими методами, такими как внедрение забойного двигателя. Такие снимки или обследования наносятся на график и сохраняются как инженерная и юридическая запись, описывающая путь ствола скважины. Снимки обследования, сделанные во время бурения, обычно подтверждаются более поздним обследованием всего ствола скважины, как правило, с использованием устройства «многокадровой камеры».
Многокадровая камера продвигает пленку через определенные интервалы времени, так что, опуская камеру в герметичном трубчатом корпусе внутрь бурильной колонны (чуть выше бурового долота) и затем извлекая бурильную колонну через определенные интервалы времени, можно полностью обследовать скважину через равные интервалы глубины (обычно примерно каждые 30 метров (90 футов), типичная длина составляет 2 или 3 звена бурильной трубы, называемых стойками, поскольку большинство буровых установок «отстают» от трубы, извлекаемой из скважины, через определенные интервалы, называемые «стойками»).
Бурение до целей, расположенных далеко вбок от поверхности, требует тщательного планирования и проектирования. Текущие рекордсмены управляют скважинами на расстоянии более 10 км (6,2 мили) от поверхности на истинной вертикальной глубине (TVD) всего 1600–2600 м (5200–8500 футов). [4]
Эта форма бурения также может снизить экологические издержки и рубцевание ландшафта. Раньше приходилось удалять большие участки ландшафта с поверхности. При направленном бурении этого больше не требуется.
_(cropped).jpg/1280px-Figure_4-_Example_of_a_Horizontal_Wellbore_Traversing_Mineral_Parcels_with_Different_Owners_(13985529998)_(cropped).jpg)
До появления современных забойных двигателей и более совершенных инструментов для измерения наклона и азимута скважины направленное бурение и горизонтальное бурение были намного медленнее вертикального бурения из-за необходимости регулярно останавливаться и проводить трудоемкие исследования, а также из-за более медленного прогресса в самом бурении (более низкая скорость проходки). Эти недостатки со временем уменьшились, поскольку забойные двигатели стали более эффективными и стало возможным полунепрерывное исследование.
Остается разница в эксплуатационных расходах: для скважин с наклоном менее 40 градусов инструменты для выполнения регулировочных или ремонтных работ можно спустить в скважину под действием силы тяжести на кабеле. Для более высоких наклонов приходится мобилизовать более дорогостоящее оборудование для проталкивания инструментов в скважину.
Другим недостатком скважин с большим наклоном было то, что предотвращение притока песка в скважину было менее надежным и требовало больших усилий. Опять же, этот недостаток уменьшился, так что при условии адекватного планирования контроля песка его можно осуществлять надежно.
В 1990 году Ирак обвинил Кувейт в краже иракской нефти посредством наклонного бурения. [5] Организация Объединенных Наций перерисовала границу после войны в Персидском заливе 1991 года , которая положила конец семимесячной иракской оккупации Кувейта. В рамках реконструкции было размещено 11 новых нефтяных скважин среди существующих 600. Некоторые фермы и старая военно-морская база, которые раньше находились на иракской стороне, стали частью Кувейта. [6]
В середине двадцатого века на огромном нефтяном месторождении в Восточном Техасе произошел скандал, связанный с наклонным бурением . [7]
В период с 1985 по 1993 год Лаборатория гражданского строительства ВМС (NCEL) (ныне Центр инженерного обслуживания военно-морских объектов (NFESC)) в Порт-Хьюнеме, Калифорния, разработала технологии контролируемого горизонтального бурения. [8] Эти технологии способны достигать глубины 10 000–15 000 футов (3000–4500 м) и могут достигать глубины 25 000 футов (7500 м) при использовании в благоприятных условиях. [9]
Специализированные инструменты определяют отклонение ствола скважины от вертикали (наклон) и его направленную ориентацию (азимут). Эти данные жизненно важны для корректировки траектории. Эти исследования проводятся с регулярными интервалами (например, каждые 30–100 метров) для отслеживания хода ствола скважины в реальном времени. На критических участках инструменты измерения во время бурения (MWD) обеспечивают непрерывные измерения в скважине для немедленной коррекции направления по мере необходимости. MWD использует гироскопы, магнитометры и акселерометры для определения наклона и азимута ствола скважины во время бурения.
