КОНСТРУКЦИЯ ПОДЗЕМНОЙ МНОГОЗАБОЙНОЙ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ, СПОСОБ ЕЕ СООРУЖЕНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЮДИНА Российский патент 1996 года по МПК E21B43/24 E21B7/04 

Изобретение относится к разработке нефтяных месторождений при помощи подземных многозабойных горизонтальных скважин и может быть использовано для добычи нефти и природных битумов любого фракционного состава, на любой стадии разработки месторождений, в том числе, при вторичной разработке истощенных нефтяных пластов и искусственно обводненных в результате применения при первичной разработке метода заводнения.

Известен способ добычи нефти горизонтальными скважинами, пробуренными из вертикального шахтного ствола (способ Л.Ренни), при котором в забойной части ствола, вскрывающего нефтяной пласт, сооружают рабочую камеру, из которой в толщу пласта в радиальных направлениях подземным буровым станком бурят подземные горизонтальные скважины. Нефть, вытекающую из пласта, собирают в емкость (зумпф), сооружаемую в забое шахтного ствола, откуда обычными насосами ее откачивают на дневную поверхность [1]
Известен также способ добычи вязкой, тяжелой нефти подземными горизонтальными скважинами, пробуренными из шахтного ствола, с применением теплового воздействия на продуктивный пласт, включающий бурение с дневной поверхности на каждом эксплуатационном участке (блоке) разрабатываемого месторождения одного вертикального шахтного ствола, вскрывающего пласт. В забое шахтного ствола за счет его расширения сооружают рабочую камеру цилиндрической формы, из которой в толщу пласта в радиальных направлениях подземным буровым станком бурят восемь нагнетательных и восемь добывающих горизонтальных скважин. Через нагнетательные скважины из паропровода, проложенного в шахтном стволе, в пласт принудительно подают пар. Вязкость нефти уменьшается, и она под действием силы тяжести вытекает по добывающим скважинам в рабочую камеру, откуда ее насосом откачивают на дневную поверхность [1]
Недостатком указанного способа является необходимость постоянного присутствия людей под землей для проведения трудоемких, дорогостоящих и повышенной опасности горных, буровых и эксплуатационных работ.

Указанный способ не удовлетворяет и требованиям действующих правил безопасности, согласно которым при постоянном нахождении людей под землей для их безопасной работы совершенно обосновано требуется иметь два независимых выхода из подземной рабочей камеры на дневную поверхность (т.е. сооружать два параллельных шахтных ствола) и проветривать рабочую камеру таким образом, чтобы свежая воздушная струя и исходящая из рабочей камеры отработанная воздушная струя не находились в одной горной выработке (вертикальном шахтном стволе). В известном способе эти требования не соблюдаются, что чрезвычайно опасно для работающих.

Целью изобретения является увеличение коэффициента извлечения нефти из недр за счет более эффективного использования пластовой энергии, использования подземных многозабойных горизонтальных скважин одновременно для добычи нефти и нагнетания в продуктивный пласт различных рабочих агентов, в частности водяного пара, совместно со сжатым воздухом (или природным газом, или одного сжатого воздуха (или природного газа) и уменьшения противодавления на продуктивный пласт столба жидкости (нефть + вода), вытекающий из пласта и скапливающийся в вертикальной головной скважине, а также создания необходимых условий для надежной и высокопроизводительной работы подземных многозабойных горизонтальных скважин во время их забуривания, бурения и эксплуатации без присутствия людей под землей.

На фиг. 1 показана конструкция подземной многозабойной горизонтальной скважины; на фиг.2 представлена схема металлического днища, жестко соединенного с первым нижним звеном постоянного крепления шахтного ствола, где а центральное и направляющие окна, во время погружения крепи в пробуренный шахтный ствол они заполнены цементным раствором (закрыты цементными пробками); в дальнейшем цементные пробки разбуривают и окна служат для пропуска необходимого бурового и эксплуатационного оборудования; б часть изгибающе-направляющей колонны во время бурения подземной горизонтальной скважины; в разделительная колонна, устанавливаемая на период эксплуатации; на фиг.3 то же, вид сверху; на фиг.4 представлена схема сооружения подземных горизонтальных скважин из забоя вертикального шахтного ствола с помощью изгибающе-направляющей колонны; буровая колонна на схеме изображена во время извлечения ее на дневную поверхность; на фиг.5 представлена нижняя часть схемы фиг. 4 в увеличенном масштабе; буровая колонна изображена в процессе бурения подземной горизонтальной скважины; на фиг.6 приведена схема эксплуатации продуктивного пласта и добычи нефти подземными многозабойными горизонтальными скважинами; на фиг.7 представлена схема разработки месторождения нефти эксплуатационными блоками.

Добычу нефти подземными многозабойными горизонтальными скважинами осуществляют следующим образом.

Нефтяное месторождение 1, которое предполагают разрабатывать этими скважинами, разбивают на отдельные эксплуатационные блоки 2.

В центральной части каждого блока с дневной поверхности до отметки, находящейся в нескольких метрах от кpовли 3 продуктивного пласта 4 или в нем самом (в зависимости от мощности пласта и радиуса кривизны R, с которым будут забуриваться горизонтальные скважины) бурят шахтный ствол 5 диаметром 1,0-3,0 м. Крепление шахтного ствола производят погружной металлической крепью, свариваемой на дневной поверхности над его устьем в сплошной став из отдельных звеньев. К первому нижнему звену приваривают металлическое днище 7, которое имеет центральное отверстие 8 и направляющие окна 9 для бурения вертикальной головной скважины 6 и горизонтальных скважин 19 и 20, а также пропуска необходимого оборудования и труб. Перед погружением крепи в шахтный ствол 5 для обеспечения ее плавучести все отверстия в днище 7 цементируют, т. е. каждое отверстие закрывают цементной пробкой. После спуска в скважину металлической крепи с днищем 7 все закрепленное пространство цементируют. Затем приступают к бурению вертикальной головной скважины 6 диаметром 6 -8 м на глубину, равную 0,2-0,3 глубины шахтного ствола 5, для обеспечения эффективного эрлифтного подъема нефти на дневную поверхность.

Для бурения горизонтальных скважин в шахтном стволе 5 монтируют изготовленную из металлических труб изгибающе-направляющую колонну 10. Колонна 10 выполняется с возможностью перемещения в осевом направлении и вращения вокруг вертикальной оси. Колонну крепят на дневной поверхности в крышке 11, герметично закрывающей устье шахтного ствола 5, а под землей хвостовой частью 12 ее опускают в головную скважину 6. Изогнутую часть колонны 13 на конце оснащают уплотнительным элементом 14 из эластичного материала и плотно прижимают к днищу 7.

По окончании указанных работ с дневной поверхности через колонну 10 на бурильной колонне 15 на днище 7 опускают отклонитель 16 и трубобур 17 с долотом 18, а затем буровой установкой, расположенной на дневной поверхности, производят бурение горизонтальных скважин.

Во время бурения осуществляют принудительную подачу бурового инструмента с помощью утяжеленных труб, монтируемых в верхней части буровой колонны, а при необходимости, и с помощью гидравлических домкратов, установленных на дневной поверхности.

В зависимости от строения продуктивного пласта скважины 19 и 20 бурят горизонтальными или пологонаклонными с тем, чтобы был вскрыт вест разрез продуктивного пласта.

Горизонтальные скважины в пласте располагают в два яруса. При этом добывающие скважины 19 бурят в нижней части пласта 4, а нагнетательные 20 в верхней.

Для бурения скважин 19 и 20 с разными радиусами закругления каждый раз заменяют нижнюю изгибающую часть колонны 10.

В пробуренных горизонтальных скважинах (прежде всего в их глубинных частях) производят торпедирование для увеличения в пласте 4 дренирующей поверхности.

Крепление скважин 19 и 20 производят перфорированными обсадными трубами, а в головных частях скважин (в пустых породах) их затрубное пространство 21 цементируют. В крепких устойчивых породах, слагающих продуктивный пласт, стенки 22 скважин могут быть открытыми и не крепиться обсадными трубами. Для бурения очередной горизонтальной скважины колонну 10 приподнимают над днищем 7, поворачивают на заданный угол, снова плотно прижимают к днищу, разбуривают цементную пробку и после этого бурят саму скважину. Буровой раствор с выбуренной породой поднимают на дневную поверхность по колонне 10, поэтому он не попадает в шахтный ствол 5. Во время бурения горизонтальных скважин шахтный ствол 5 заполняют вязкоупругой жидкостью, например раствором на нефтяной основе, с таким расчетом, чтобы в пробуренных скважинах давление Р_ств было больше пластового давления Р_пл. Таким образом раствор не участвует в промывке горизонтальных скважин, но контролирует продуктивный пласт, не позволяя ему работать до окончания бурения всех скважин.

После бурения проектного числа горизонтальных скважин из шахтного ствола 5 изгибающе-направляющую колонну вынимают на дневную поверхность.

На период эксплуатации в шахтном стволе 5 для отделения нагнетаемых в пласт рабочих агентов от добываемой нефти монтируют разделительную колонну 26, устанавливая ее в забое шахтного ствола на металлическое днище и герметизируя с помощью пакера 27.

После откачки из шахтного ствола вязкоупругой жидкости начинают добычу нефти из эксплуатационного блока.

При этом через задвижку 28 по кольцевому пространству между стенками шахтного ствола 5 и колонны 26 и через нагнетательные скважины 20 в верхнюю часть продуктивного пласта нагнетают рабочие агенты (в месторождениях тяжелых, вязких нефтей водяной пар со сжатым воздухом (или природным газом), в месторождениях легких нефтей сжатый воздух или природный газ).

В результате восстановления и поддержания запасов пластовой энергии на необходимом уровне посредством нагнетания в верхнюю часть нефтяного пласта сжатого воздуха (или природного газа), в каждом эксплуатационном блоке искусственно создают режим газовой шапки, при котором нефть через добывающие скважины вытесняется в шахтный ствол, где происходит ее сепарация. Нефть собирается в вертикальной головной скважине 6 и спущенным в нее эрлифтным (газлифтным) подъемником, состоящим из смесителя 23, воздухопровода 24 и подъемного трубопровода 25, поднимается на дневную поверхность. Отработавший сжатый воздух (или природный газ) собирается в верхней части разделительной колонны и через штуцер 29 выходит на дневную поверхность.

Таким образом, основной технический результат от промышленного использования предложенного способа добычи нефти с помощью подземных многозабойных горизонтальных скважин это обеспечение наиболее высокого коэффициента извлечения нефти и природного битума из недр с высокими технико-экономическими показателями за счет создания искусственного, более эффективного режима работы нефтяного и битумного пласта режима газовой шапки; увеличения в нем дренирующей и нагнетательной поверхностей, придания нефти и битуму большей текучести и значительного уменьшения противодавления на продуктивный пласт столба жидкости (нефть + вода), вытекающей из пласта и собираемой в вертикальной головной скважине, устье которой находится на уровне устьев добывающих скважин.

Использование: добыча нефти и природных битумов любого фракционного состава, а также повторная разработка нефтяных месторождений, ранее разрабатывавшихся методом искусственного заводнения. Сущность изобретения: добыча нефти и природных битумов производится путем бурения с дневной поверхности в центре каждого эксплуатационного блока шахтного ствола небольшого сечения из его забоя, находящегося вблизи продуктивного пласта, или же в нем самом, в двух ярусах подъемных горизонтальных скважин при помощи изгибающе-направляющей колонны и металлического днища. Из забоя шахтного ствола бурят вертикальную головную скважину. Для эффективного извлечения из пласта нефти и природных битумов в каждом эксплуатационном блоке создают режим газовой шапки, для чего через нагнетательные скважины, расположенные в верхнем ярусе, в пласт закачивают рабочие агенты - пар с сжатым воздухом (или газом) или один сжатый воздух (или газ). Сбор нефти и природных битумов производят в вертикальную головную скважину, а подъем их осуществляют эрлифтным подъемником, смонтированным в разделительной колонне и вертикальной головной скважине. 3 с. и 1 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Конструкция подземной многозабойной горизонтальной скважины, включающая вертикальный шахтный ствол, элементы крепления шахтного ствола, подземные горизонтальные скважины из забоя шахтного ствола в продуктивный пласт и емкость для сбора углеводородов, отличающаяся тем, что она снабжена концентрично расположенной с шахтным стволом вертикальной разделительной колонной и жестко связанным с крепью шахтного ствола днищем, причем днище установлено на забое шахтного ствола и имеет направляющие окна для забуривания вертикальной головной скважины и подземных горизонтальных нагнетательных и добывающих скважин, а забой головной вертикальной скважины расположен ниже продуктивного пласта на расстоянии 0,2 - 0,3 глубины залегания последнего. 2. Способ сооружения подземной многозабойной горизонтальной скважины, включающий бурение вертикального шахтного ствола, крепление шахтного ствола элементами крепи, бурение из шахтного ствола в толщу продуктивного пласта подземных горизонтальных нагнетательных и добывающих скважин и образование емкости для сбора углеводородов, отличающийся тем, что к нижнему звену крепи шахтного ствола приваривают днище с предварительно заглушенными направляющими окнами, на устье шахтного ствола бурят концентрично ему вертикальную головную скважину через продуктивный пласт до уровня, расположенного от подошвы пласта на расстоянии 0,2 - 0,3 глубины залегания последнего, крепят вертикальную головную скважину от забоя до шахтного ствола обсадной колонны, образуя емкость для сбора углеводородов, горизонтальные нагнетательные и добывающие скважины бурят одна под другой до проектной глубины, причем бурение производят буровой установкой, расположенной на дневной поверхности через направляющие окна днища и изгибающе-направляющую колонну, имеющую на нижнем конце уплотнительное средство для герметизации ее в направляющих окнах днища и хвостовик для установки в вертикальной головной скважине, а изгибающе-направляющую колонну монтируют на крышке с возможностью вращения. 3. Способ эксплуатации подземной многозабойной горизонтальной скважины, включающий нагнетание рабочего агента в пласт через подземные горизонтальные нагнетательные скважины с головной вертикальной частью в шахтном стволе, сбор поступающих из пласта через подземные горизонтальные добывающие скважины углеводородов в емкость и подъем их на поверхность, отличающийся тем, что в продуктивном пласте искусственно создают режим газовой шапки путем одновременной с добычей углеводородов из нижних горизонтальных добывающих скважин закачки в верхнюю часть пласта через горизонтальные нагнетательные скважины рабочих агентов, сбор вытекающих из пласта углеводородов производят в головную вертикальную скважину, устье которой расположено на одном уровне с устьями добывающих скважин, причем для отделения нагнетаемых в продуктивный пласт рабочих агентов от добываемых углеводородов на период эксплуатации в шахтном стволе монтируют разделительную колонну, устанавливая ее в забое ствола на днище и герметизируя с помощью пакера, а подъем углеводородов на дневную поверхность осуществляют с помощью эрлифтного подъемника, опускаемого в вертикальную головную скважину внутри разделительной колонны, при этом закачку рабочих агентов производят по кольцевому пространству между стенками шахтного ствола и разделительной колонны. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что на месторождениях, содержащих тяжелую вязкую нефть или природные битумы в качестве рабочего агента нагнетают водяной пар совместно со сжатым воздухом или природным газом, а на месторождениях легких нефтей - сжатый воздух или природный газ.