Бурение наклонно-направленное: преимущества и недостатки

В последние годы строительство выходит из затяжного кризиса, количество возводимых домов, производственных комплексов, дорог, прочих сооружений инфраструктуры увеличивается. Соответственно, становятся все более востребованными высокотехнологичные инженерные методики, позволяющие снизить затраты времени и труда.

Общие сведения

К таковым относится бурение наклонно-направленное. Известно, что скважины бывают как вертикальные (стандартные), так и наклонные. Причем требуемое для этого отклонение от вертикали/горизонтали невелико: всего 2 градуса при стандартном бурении, более 6 градусов при глубоком бурении (артезианские скважины, добыча нефти или газа).

Естественно, что наличие данного отклонения может быть обусловлено не только искусственными, но и вполне естественными причинами. Они делятся на несколько групп (геологических, технических, технологических). Если знать обо всех этих факторах досконально, можно с высокой точностью управлять положением скважины в пространстве.

Соответственно, под искусственным отклонением понимается любое «искривление» канала скважины, которое было задумано изначально. Важно понимать, что бурение наклонно направленное подразумевает строгий контроль направления движения бура на всем протяжении выполнения работы.

Особенности бурения нефтегазовых скважин

Особенно много сложностей доставляет подобная работа в аспекте нефтегазовой промышленности. Там наклонное бурение приходится осуществлять, пользуясь специальными направляющими профилями. Важно также помнить, что верхний шурф всегда (!) делается строго вертикальным, а отклонение начинается на нижних горизонтах, в запланированном азимуте.

Особенно часто наклонное бурение используется не при разработке месторождений, а только при их разведывании. Значительно дешевле проверить наличие «маркеров», сделав достаточно продолжительный наклонный шурф, чем сразу пытаться пробурить породу на достаточную глубину вертикально.

Как вообще осуществляется наклонно-направленное бурение? Технология сравнительно проста: сперва пробивается основной шурф, затем, при помощи искривляющих устройств, к нужному месту подводят наклонно или горизонтально направленный бур, которым уже и проделывают дополнительную шахту. Чтобы точно выдерживать заданное проектом направление, необходимо использовать «маркеры», они же маяки. Во многих случаях применяют специальные камеры, которые позволяют визуализировать процесс бурения.

Важные примечания

Нужно отметить, что в некоторых случаях делать подобные скважины вынуждают особенности геологических пород. Так, иногда бывает дешевле провести шурф над местом залегания какой-то твердой магматической породы, чем пробивать ее.

Также отметим, что бурение наклонно-направленное подразумевает собой и пробитие строго горизонтальных шурфов. Все скважины, получаемые этим методом, делятся на одно- и многозабойные. В последнем случае от основного ствола отходят несколько отводков. Подобный метод бурения в нефтегазовой промышленности широко используется в следующих случаях:

• При вскрытии нефте- или газоносных пластов, которые залегают между параллельными сбросами.
• Если оказалось, что разрабатываемый пласт резко меняет свое направление.
• В случае когда нефтеносные или газоносные горизонты лежат под соляными куполами (из-за сложностей бурения через последние).
• Когда необходимо обойти зоны обвалов в шахтах.
• Наклонное (горизонтальное, в особенности) бурение незаменимо, если продуктивный пласт залегает под каким-то водоемом или на морском дне, под жилыми кварталами или отдельно стоящими зданиями.
• На буровых эстакадах и платформах, располагающихся непосредственно в море, в 90% случаев используется именно этот метод проводки шурфов.
• Кроме того, наклонно-направленное бурение незаменимо, если требуется провести многозабойную скважину в местности с сильно пересеченным рельефом (овраги, холмы и т. д.).

Аналогичный способ незаменим, если по каким-то причинам (обвал, сдвиг тектонической породы) ствол шахты сместился в сторону, а потому возникла нужда обойти проблемное место. Также это делается, если необходимо взять керновую пробу из основного ствола, так как иными способами сделать это невозможно.

Также наклонно направленное бурение применяется, когда нужно быстро потушить загоревшуюся по каким-то причинам скважину, а также в тех случаях, когда нижнюю часть шурфа требуется расширить по эксплуатационным соображениям. Аналогичным способом увеличивают дренажную поверхность в старых скважинах, когда требуется поднять объемы добычи.

Такое практикуется, когда изначально известно, что месторождение не относится к категории богатых, но требуется быстро его «выдоить». Тогда применяется «кустовое» бурение, с многократным и множественным отводом от основного шурфа побочных. Если в этом случае воспользоваться стандартными методами, то отдача от месторождения будет невысокой, и скважина быстро истощится.

Методом наклонно-направленного бурения пробиваются первичные шурфы через угольные пасты, так как в этой ситуации их предварительно требуется освобождать от возможных газовых карманов. Если этого не сделать, высока вероятность воспламенения и даже взрыва уже во время эксплуатации скважины.

Для пробития шурфа во всех случаях используются забойные двигатели (турбобуры, изредка – электробуры, винтовые двигатели). Метод бурения – роторный.

Основные методы

Основным методом (как у нас, так и за рубежом) является динамическое использование особенностей рельефа местности. И это понятно, так как идеально ровные равнины и степи бывают далеко не везде.

Как правило, за образец берутся типовые трассы (профили), которые строятся заранее, причем для этого используются методы математического моделирования. Важно заметить, что «типовой» метод можно применять только (!) на уже разрабатываемых месторождениях, все особенности которых уже давно известны. Особенность этого способа – кривизной местности не пытаются управлять, а подстраиваются под нее. Увы, но при этом проявляется существенный недостаток, выражающийся в заметном удорожании бурения.

В проектном профиле в обязательном порядке отмечаются места с максимальной степенью искривления, так как без этих данных составлять готовый проект нецелесообразно. За проектирование в этом случае отвечает подготовленный инженер по наклонно-направленному бурению.

Изменение компоновки бурильной установки для корректировки изгиба скважины

Наиболее распространенный способ, когда речь заходит об управлении изгибом шурфа непосредственно во время его пробивания. Метод хорош тем, что не приходится использовать особое оборудование. Его недостаток заключается в сильном ограничении режимов ускоренного бурения.

Использование искусственных отклонителей

Для работ такого типа используются искривленные переводники, ниппели эксцентричного типа, клинья, прочие отклоняющие устройства. Все приспособления подбираются индивидуально, в зависимости от конкретной ситуации и типа рельефа местности.

Кустовая разновидность

Важным методом наклонно-направленного бурения является кустовое пробитие шурфов. При этом начало всех шурфов находится в одной точке, а конечные участки – там, куда уходят пласты обнаруженных месторождений.

Способ хорош тем, что позволяет заметно снизить объем монтажных работ на участке, значительно сократить количество требуемых линий коммуникаций, в том числе дорог к участкам, где выполняются работы, уменьшается потребность в линиях водопровода и электроснабжения. Такой тип бурения впервые был опробован в СССР, точнее, в Азербайджане, при проведении монтажных работ на острове Артем.

К основным недостаткам относится важность недопущения пересечения устьев шахт. Кроме того, приходится вынужденно консервировать уже работающие ко времени вторичного бурения шурфы, так как этого требуют правила противопожарной безопасности. Наконец, огромным недостатком кустовых шурфов является сложность их последующего обслуживания и ремонта, а в морских условиях бывает крайне непросто устранить прорывы.

В каких условиях используется кустовое бурение?

Так в каких случаях используется кустовое наклонно направленное горизонтальное бурение? Причины его применения подразделяются на следующие группы:

• Техногенные – бурение под зданиями, в том числе жилыми, прочими техническими сооружениями.
• Технологические – когда есть вероятность, что при разработке стандартной скважины будет нарушена эксплуатация уже имеющихся шурфов. Кустовой метод в этом плане не такой «травмирующий».
• Геологические – когда полезные ископаемые залегают неравномерными пластами, на разных горизонтах. В этом случае установки наклонно направленного бурения являются единственным вариантом, когда нужно в кратчайшие сроки наладить добычу, не затрачивая на это феноменальные объемы средств.
• Орографические – наиболее частая группа причин, включающих необходимость вскрытия месторождения, находящегося под поверхностью моря, озера, в случае сильно пересеченной местности, а также при прокладывании шурфов от основания морских платформ, а также эстакад.
• Климатические. В последние годы во многих районах Крайнего Севера наблюдается устойчивая тенденция к таянию многолетней мерзлоты, из-за чего специалисты просто вынуждены прибегать именно к кустовому способу бурения. Иные методы чреваты обрушением просвета скважины.

Заметим, что максимальный эффект от эксплуатации кустовых скважин наблюдается в условиях болотистых, часто затапливаемых местностей. Важно отметить, что при наклонном бурении под поверхностью водоемов крайне важно наличие опытного персонала, способного должным образом пользоваться навигационным оборудованием, без которого пробитие шурфа в столь специфичных условиях становится невозможным.

Таким образом, вакансии по наклонно-направленному бурению обязательно должны предусматривать поиск технически подкованных, образованных кадров.

Важные особенности метода

Объемно кусты похожи на пирамиды или конусы, величина которых, как можно понять, зависит от размеров и «размытости» разрабатываемого месторождения. Соответственно, количество пробиваемых шурфов определяется техническими возможностями. Очень важно понимать, что к определению размеров куста следует относиться максимально ответственно, так как от этого показателя зависит площадь отчуждаемой территории.

Особенно большое значение это имеет при разработке шурфов в черте населенного пункта. Большую роль в эксплуатации готовой скважины играет расположение устьев скважин. Не удивительно, что именно наклонно направленное бурение газопроводов в последние 15-20 лет стало основным методом, широко используемым на практике.

Положительные эффекты кустового бурения

В общем и целом данный метод значительно сокращает затраты на организацию добычи полезных ископаемых или сооружение промышленных сооружений, способствует объему автоматизации всех производственных операций и процессов. Что еще важнее, такой подход способствует охране окружающей среды, сводя к минимуму воздействие на природу.

Дело в том, что при осуществлении кустового бурения становится вполне реально полностью собирать отходы бурения, не допуская их попадания в грунтовые воды, а также уменьшает вероятность снижения уровня последних. Это часто наблюдается при стандартном бурении, так как при этом наблюдается разрушение водоносных горизонтов.

Один куст содержит минимум две скважины. Как правило, нефтяники в нашей стране практикуют группирование шурфов по 18-24 штуки, но в некоторых случаях их количество переваливает за 30. Впрочем, это далеко не рекорд, так как в зарубежной практике бывают случаи, когда от одной шахты могло отходить по 60 «отростков». В частности, печально известная компания ВР пробурила на маленьком насыпном острове 60×60 м… сразу 68 шурфов. Это позволило резко увеличить объем нефти, получаемой с одного месторождения.

Так что бурение наклонно направленных и горизонтальных скважин в условиях современной экономики чрезвычайно востребовано именно по причине сохранения материальных и денежных ресурсов.

Многозабойный тип бурения

В настоящее время, в связи с истощением многих старых месторождений, единственным надежным способом получения полезных ископаемых является использование прогрессивных методов добычи, к числу которых относится многозабойное бурение. При этом из основного шурфа на определенной глубине выводят сразу несколько новых «отростков». Из-за этого значительно возрастает площадь скважины в продуктивном горизонте, увеличиваются объемы добычи полезных ископаемых. Кроме того, одновременно можно сократить объемы бурения в верхних, непродуктивных горизонтах.

На территории нашей страны первая скважина такого типа была пробурена в 1953 году, в Башкирии. Но шурф, проходивший непосредственно в толще пласта, смогли сделать только в конце 50-х годов. Произошло это в Самарской области. Сразу же было выявлено, что суточная отдача таких скважин примерно на 40% выше, чем у кернов, сделанных стандартным, вертикальным методом.

Именно тогда в нашей стране начало развиваться наклонно-направленное бурение. Обучение по этой специальности внедрялось во всех технических институтах страны.

Если использован многозабойный метод, общая протяженность шурфа в пласте значительно увеличивается, возрастает зона дренирования и фильтрации. Это способствует не только увеличению отдачи от скважины, но и повышает качество получаемого в ходе ее эксплуатации продукта. Такого рода шурфы подразделяются на следующие разновидности:

• Наклонные, разветвленного типа.
• Горизонтально разветвленные.
• Шурфы радиально направленные.

В последнем случае наклонно-направленное бурение (горизонтально направленное бурение) применяют при сложном рельефе местности и неравномерной концентрации горизонтов выработки. Этот метод позволяет (при минимизации затрат) максимально увеличить объемы добычи полезных ископаемых.

Характеристики многозабойных шурфов

Как нетрудно догадаться, наклонно-разветвленные шурфы состоят из основного ствола шахты и отходящих от них дочерних отростков, располагающихся в разных плоскостях. Собственно горизонтально-направленный тип является разновидностью только что описанного вида. Единственное отличие – от основного ствола «отростки» отходят в строго горизонтальной плоскости, под углом в 90 градусов.

Соответственно, у радиальных шурфов основной ствол также идет строго вертикально, а дополнительные – по окружности, то есть в радиальном направлении. В последние годы разветвленные скважины считаются очень перспективным направлением бурения, так как их использование в промышленных масштабах позволяет решать много вопросов, возникающих в аспекте освоения подземных недр:

• Максимально эффективная выработка нефтяных месторождений с неравномерным расположением горизонтов. В этом случае вертикально направленное бурение экономически нецелесообразно, так как конечный объем затрат получается излишне большим.
• Бурение наклонно направленное позволяет значительно сократить количество используемых скважин. Это обуславливает уменьшение расходов на проведение работ, а также позволяет минимизировать воздействие на окружающую среду.
• При добыче очень вязких сортов нефти, которые откачивают на предельно больших глубинах.
• Этот же способ применяется, когда необходимо построить геотермальную станцию, использующую энергию подземных горячих вод.

Таким образом, бурение наклонно-направленных скважин ­– методика, широко распространенная в современной нефтегазовой промышленности и строительной отрасли.