8.1 Строительство радиально-разветвленных горизонтальных скважин (РРГС) производится путем создания расчетного количества стволов, их проводке по пласту в практически одной горизонтальной плоскости с направлением стволов в соответствии с разными азимутами. Количество ответвлений и протяженность горизонтальных стволов может колебаться в широких пределах от двух и более в зависимости от горно-геологической характеристики, толщины и ожидаемой производительности продуктивного пласта, а также от технико-технологических условий бурения РРГС. Метод строительства РРГС находит все более широкое применение при разработке нефтегазовых месторождений, так как при этом методе обеспечивается значительный прирост добычи продукции пласта по сравнению с одноствольными горизонтальными скважинами, при сопоставимых условиях их эксплуатации.

Радиальные ответвления производятся из одного ствола, причем чаще всего из обсаженной эксплуатационной колонны, хотя в отдельных случаях при устойчивых породах продуктивного пласта применяется также строительство РРГС в открытом стволе. Для удобств практического использования метода ниже приводится описание последовательности выполнения технологического процесса строительства РРГС на конкретном примере.

Проектируется строительство РРГС с четырьмя ответвлениями (рис. 21), из которых ствол №1 является основным и прокладывается в середине продуктивного пласта на глубине 2005 м по вертикали в азимуте (условно) . Остальные ответвления №2, 3, 4 бурятся из основного ствола путем вырезания «окна» в эксплуатационной колонне и продолжения бурения в пласте до проектной глубины. Азимуты искривления ответвлений равны, соответственно:  = 90°,  ⁼ 180°,  = 270° рис. 21. Радиальные стволы прокладываются на расстоянии одного метра по высоте, считая от линии середины пласта к его кровле.

Рис. 21 Схема разветвления радиально-горизонтальной скважины

Основными исходными данными являются: глубина кровли продуктивного пласта  = 2000 м; толщина пласта  = 10 м. Общая протяженность ствола каждого ответвления в отдельности в пределах  = 150 м. Проектное отклонение ствола скважины от вертикали на глубине кровли продуктивного пласта  = 500 м.

Первым бурится основной ствол №1 РРГС (рис. 21-23).

Параметры профиля и конструкция основного ствола представлены в табл. 19, 20 и на рис. 23. Строительство этого ответвления осуществляется по известной технологии бурения горизонтальных скважин. На глубине  = 2000 м зенитный угол ствола равен =79,33°. Далее, в интервале от 2000 до 2005 м по вертикали, что соответствует глубине середины продуктивного пласта; ствол скважины искривляется до  = 90°, интервал искривления по стволу - 2246-2300 м и бурение скважины долотом диаметром 215,9 мм продолжается до глубины 2450 м со стабильной величиной  = 90°.

Таким образом, основной ствол №1 имеет протяженность ствола в продуктивном пласте, равную 204 м, из которых 150 м горизонтального ствола. Общее отклонение ствола от вертикали составляет  = 703 м. На глубину 2300 м по стволу в скважину спускается эксплуатационная колонна диаметром 177,8 мм. Затем устье скважины оборудуется превентором, и внутрь колонны спускается бурильный инструмент для разбуривания цементного стакана и дохождения до забоя. После соответствующей подготовки ствола в интервале от 2300 до 2450 м в скважину спускаются фильтровые трубы типа насосно-компрессорных труб (НКТ) диаметром 101,6 мм. Верхняя часть фильтровых труб оборудуется проходным пакером, а также устройством для подвески НКТ внутри обсадной колонны диаметром 177,8 мм.

Таблица 19

Параметры проектного профиля основного ствола радиально-горизонтальной скважины

Таблица 20

Конструкция основного ствола радиально-горизонтальной скважины

Следует отметить, что основной ствол №1 может быть продолжен практически на любой глубине в пределах продуктивного пласта в зависимости от глубины эффективной нефтенасыщенности пласта. Кроме того, возможны различные варианты конструкции призабойной части ствола скважины (обсаженный ствол, открытый ствол, фильтровые трубы и т.д.).

Строительство радиального ствола №2 (рис. 21, 22, 24), производится путем вырезания «окна» в эксплуатационной колонне диаметром 177,8 мм и бурения ствола расчетной протяженности от 2282,5 до 2432,5 м. Параметры профиля ответвления №2 приведены в табл. 21 и на рис. 24. Для вырезания «окна» в колонне используется уипсток, плоскость искривления которого ориентируется в заданном азимуте. Уипсток снабжен в нижней части якорем для надежной его фиксации. Глубина установки уипстока - 2004,5 м по вертикали, то есть на 0,5 м выше, чем уровень горизонтального ствола №1, что соответствует глубине 2282,5 м по длине ствола. В интервале от 2282,5 до 23000 м зенитный угол с 86,5° увеличивается до  = 90°. Затем в интервале от 23000 до 2432,5 м ствол скважины бурится горизонтальным (долото диаметром 155,6 мм). Состав компоновки низа бурильной колонны и параметры режима бурения на всем интервале от «окна» до окончания интервала бурения ответвления, приводятся в п.8.3.

В пробуренный ствол на глубину 2432,5 м (по стволу) спускаются фильтровые трубы - НКТ диаметром 88,9 мм, верхняя часть которых в открытом стволе оборудуется затрубным проходным пакером (рис. 22). Бурится радиально-разветвленный ствол №3 (рис. 21, 22, 24), с предварительным вырезанием «окна» в эксплуатационной колонне. Уипсток устанавливается на глубине 2004 м по вертикали, что на 0,5 м выше глубины зарезания ответвления №2. Это соответствует глубине скважины по стволу - 2275,8 м и расстоянию 6, 7 м от первого «окна». В интервале ствола от 2275,8 м до 2300 м в пределах продуктивного пласта зенитный угол с 85,16° увеличивается до  = 90°. Далее со стабильным углом скважина углубляется на 125,8 м (рис. 24). На глубину 2425,8 м спускаются фильтровые трубы диаметром 88,9 м, и также, как в ответвлении №2, верхняя часть НКТ оборудуется проходным пакером.

Бурится четвертый радиально-разветвленный ствол скважины (рис. 21, 22, 24). Параметры профиля представлены в табл. 21 и на рис. 24. Глубина точки зарезки по стволу - 2266,6 м, по вертикали - 2300 м. Расстояние между «окнами» №3 и 4 составляет 9,2 м. Технологический процесс вырезания «окна» в обсадной колоне, бурение и заканчивание ответвления №4 такие же, как и в ответвлениях №2 и 3.

Рис. 22 Вариант заканчивания РРС и обвязки внутрискважинного оборудования

Таблица 21

Параметры проектного профиля радиально-горизонтальной скважины в пределах продуктивного пласта

Рис. 23 Проектный профиль и конструкция основного ствола № 1 радиально-горизонтальной скважины

Таким образом, проектируемая РРГС с четырьмя радиально-разветвленными стволами имеет общую протяженность в продуктивном пласте, равную . Так как расстояние между устьями стволов составляет всего 2 м (по вертикали), то фактически эксплуатация пласта будет осуществляется в одинаковом режиме, что должно обеспечить зна­чительный рост добычи нефти (газа).

8.2 Расчет параметров проектного профиля радиально-разветвленных горизонтальных стволов скважины в пределах продуктивного пласта

Исходные данные для расчета (ответвление №2):

Расстояние от основного горизонтального ствола до точки зарезки ответвления № 2 по высоте пласта  = 0,5 м (от 2004,5 до 2005,0 м).

Радиус искривления ствола скважины на интервале набора  от значения  в точке зарезки до  = 90° после выхода ствола на горизонталь  =286,5м, i = 2°/10м).

Принятое значение R остается постоянным для набора  во всех остальных радиально-ответвленных стволах, что соответствует радиусу искривления основного ствола от зенитного угла на глубине кровли продуктивного пласта  = 79,33° до = 90°.

8.2.1 Последовательность расчета:

Определяется значение зенитного угла  в точке зарезки второго ответвленного ствола из условия:

Решая относительно , имеем

Подставляя в формулу (88) известные значения R и , получим:

Определяется расстояние  от глубины точки зарезки по дуге искривления до выхода ствола на горизонтальную линию:

Рис. 24 Схема разветвления стволов радиально-горизонтальной скважины в пределах продуктивного пласта

Определяется глубина точки зарезки  по стволу ответвления №2 из условия:

Длина горизонтального ствола ответвления №2 составит:

Здесь условно принимается, что  равно проекции этой длины на горизонталь  ввиду большого значения .

Для определения глубины точки зарезки  и параметров профиля ответвления ствола №3 определяется зенитный угол  на глубине  по формуле:

где при известных R = 286,5 м,  = 86,5°,  = 0,5 м имеем:  = 85,16°.

Находится  - расстояние между первым и вторым «окном» в эксплуатационной колоне по формуле:

Искомое значение

После вырезания «окна» на глубине 2275,8 м в дальнейшем зенитный угол увеличивается с  = 85,16° до  = 90°, и бурение ответвления №3 продолжается горизонтальным стволом до глубины 2425,8 м. Параметры профиля ответвлений ствола №2 и 3 приводятся в табл. 21 и на рис. 24.

8.3 По приведенной методике рассчитаны параметры профиля и для ответвления №4.

8.4 Компоновка низа бурильной колонны и режимы бурения при строительстве радиально-разветвленных скважин

8.4.1 Вырезание «окна» в эксплуатационной колонне диаметром 177,8 мм.

Перед вырезанием «окна» производится обследование состояния колонны. В скважину спускается «печать», затем локатор, с помощью которого определяются глубины нахождения муфт обсадных труб в интервалах вскрытия «окон» в колонне. Важное значение имеет также наличие цементного кольца за колонной. Для проверки наличия цементного камня за колонной производят акустический цементомер.

После выбора точки зарезки производится спуск отклонителя. Типовая конструкция КНБК (по зарубежной технологии [16, 17]) следующая: отклонитель-уипсток с якорем; стартовый фрезер (диаметр 149,2 мм); диамагнитная УБТ длиной 10 м диаметром 120,6 мм в сочетании с MWD-телесистемой; магнитное УБТ (одна труба длиной 10м) диаметр 120,6 мм; стальные УБТС диаметр 120,6 мм расчетной длины, обеспечивающей требуемую осевую нагрузку на долото (100-150 м); остальное до устья скважины - ПК 127х9,19 мм; уипсток устанавливается и ориентируется в заданном азимуте.

Усредненные значения параметров режима фрезерования (роторное бурение): осевая нагрузка, Gд = 3-5кН; число оборотов вращения колонны n = 40 об/мин; производительность бурового насоса Q = 16-18 л/с.

8.4.2 Расширка «окна» в обсадной колонне

Состав КНБК: фрезер колонный диаметром 149,3 мм; УБТС диаметром 120,6 мм (одна труба длиной 10 м); фрезер колонный бочкообразный диаметром 156,0 мм; УБТС диаметром 120,6 мм расчетной длины - 100-150 м; остальное до устья скважины ПК 127х9,19 мм.

Расширка «окна» до нормального диаметра скважины 155,6 мм производится с помощью бочкообразного фрезера. Вырезание «окна» считается законченным тогда, когда последний фрезер и спущенное затем трехшарошечное долото свободно проходят через «окно» при подъеме и спуске инструмента. Параметры режима расширки «окна» практически мало отличаются от режима при первоначальной зарезкr, за исключением некоторого увеличения числа оборотов вращения до 50-70 об/мин.

8.4.3 Набор кривизны в открытом стволе скважины

Зенитный угол со значения - на глубине вырезанного «окна» увеличивается до  = 90° (табл. 19 и рис. 18). Состав КНБК следующий: трехшарошечное долото диаметром 155,6 мм; винтовой забойный двигатель-отклонитель с регулируемым кривым переводником с углом изгиба  (отклонитель ориентируется в заданном азимуте); перепускной клапан; диамагнитные УБТ диаметром 120,6 мм с телесистемой MWD; немагнитные УБТ диаметром 120,6 мм (одна труба длиной до 10 м); ясс диаметром 120,6 мм; стальное УБТ диаметром 120,6 мм длиной 40-50 м; остальное до устья скважины - ПК 127х9,19 мм.

8.4.4 Стабилизация кривизны в открытом стволе скважины

Состав КНБК: трехшарошечное долото диаметром 155,6 мм; ВЗД диаметром 120,6 мм с центратором диаметром 149,2 мм, с регулируемым кривым переводником - ; перепускной клапан диаметром 120,6 мм; спиральный лопастной центратор на валу ВЗД, над долотом диаметром 152 мм; система измерений - MWD/LWD кривизны; приборы для проведения нейтронного каротажа и резистивиметрии диаметром 120,6 мм; диамагнитные УБТ 120,6х57,1 мм (одна труба длиной 10 м); СБТ 88,9х11,4 мм; ясс диаметром 120,6 мм; СБТ 88,9х11,4 мм (работают в открытом стволе от забоя до глубины нахождения вырезанного «окна» в обсадной колонне плюс примерно 100-150 м); УБТ 120,6х50,8 мм (внутри обсадной колонны длиной 70-80 м для обеспечения нагрузки на долото при бурении горизонтального ствола); остальное до устья скважины - ПК 127х9,19 мм.

Параметры режима бурения скважины на интервалах набора и стабилизации кривизны примерно одинаковые, следующие: осевая нагрузка на долото G д = 70-80 кН; производительность бурового насоса Q = 14-16 л/с, частота вращения долота постоянная.

Параметры бурового раствора выбираются в зависимости от величины пластового давления, допустимой репрессии на пласт с учетом характеристики ВЗД.

Включенная в состав КНБК телесистема MWD предназначена для ориентирования отклонителя и контроля за траекторией ствола. Кроме того, в КНБК устанавливаются системы измерения фирмы «Schlumberger», осуществляющие резистивиметрию, акустический и нейтронный каротажи, что позволяет контролировать и регистрировать параметры процесса бурения и вскрываемых горных пород, включая температуру и давление в пласте.

В состав КНБК включают предназначенные для ликвидации прихвата инструмента безопасный переводник и ясс.

Описанная выше технология строительства РРГС, основанная на накопленном положительном опыте [16, 17], предусматривает вырезание «окна» в эксплуатационной колонне диаметром 177,8 мм и продолжение бурения ответвленных стволов скважин диаметром 155,6 мм. Отработанная технология бурения предусматривает оснащение скважины комплексом внутрискважинного оборудования для освоения, эксплуатации и ремонта скважин и не исключает применение эксплуатационной колонны обсадных труб диаметром 168,3 мм и 146 мм. В отечественной практике восстановления скважин из бездействующего фонда подобные задачи решаются успешно [19]. В [20] приводится подробное описание применяемых в отечественной практике капитального ремонта скважин техники и технологии забуривания нового ствола из обсадной колонны роторным способом. Известны также другие оригинальные решения по совершенствованию технологии строительства многозабойных скважин.

Например, в [18] применили метод спуска обсадной колонны диаметром 168,3 мм с заранее подготовленным «окном» в колонне, через которое после цементирования осуществляется выход в открытый ствол и бурение скважины.

В [21] для забуривания нового ствола предлагается использовать (на расчетной глубине), легко разбуриваемый материал (чугунные трубы или ЛБТД16Т).