СПОСОБ ОПЕРЕЖАЮЩЕГО БУРЕНИЯ ПИЛОТНЫХ СТВОЛОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН НА ШЕЛЬФЕ Российский патент 2024 года по МПК E21B43/01 E21B7/132 B63B35/44 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области освоения месторождений углеводородов на шельфе и может быть использовано для подготовки к поисковому, разведочному и эксплуатационному бурению глубоких скважин на перспективном участке недр или месторождении.

Уровень техники

Согласно действующим правилам разработки нефтяных и газовых месторождений (Национальный стандарт Российской Федерации, Гост Р 53713-2009) в процессе их разведки проводят сейсмические исследования разреза горных пород, по результатам которых определяют интервалы наиболее вероятного залегания продуктивных залежей и места заложения поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин для их вскрытия.

Согласно действующим правилам разработки нефтяных и газовых месторождений, бурению глубоких скважин на шельфовых месторождениях предшествуют инженерные изыскания на площадках в местах заложения скважин (СП 504.1325800.2021 «Инженерные изыскания для строительства на континентальном шельфе. Общие требования»).

Инженерные изыскания на шельфе выполняют в основном дистанционными (геофизическими) методами исследований. Из прямых методов используют пробоотбор до глубины 4 метров и бурение инженерных скважин до глубины 30-60 метров от уровня дна.

С учетом выявленных инженерными изысканиями рисков и опасностей на дне моря и в верхней части разреза, определяется безопасная точка заложения глубокой скважины. Дистанционные методы зондирования инженерных изысканий определяют наличие или отсутствие рисков, связанных со скоплением газа под высоким давлением в верхней части разреза до глубины спуска колонны под кондуктор 500-600 метров с некоторой долей вероятности. 100% отсутствие опасностей может подтвердить только прямой метод - бурение пилотного ствола.

В мировой практике прошлых лет имеется много случаев геологических осложнений (газопроявлений) при вскрытии придонной части осадочного чехла на шельфах морей:

В 1985 г в Норвежском море в процессе бурения поисковой скважины с полупогружной буровой установкой «West Vanguard)) на глубине воды 240 м на месторождении Mikkel произошел мощный выброс метанового газа из неглубокой (300 м) залежи в песчанике. Воспламенение газа повредило и вывело из строя ППБУ. Активное газовыделение продолжалось около двух месяцев. В 1993 г при бурении на вьетнамском шельфе для компании BP с полупогружной буровой платформы «Aktinia» произошел выброс вскрытого приповерхностного газа, пятно газирования составило примерно 2 км. ППБУ получило опасный крен, как следствие разуплотнения воды газом.

На первом этапе бурения (строительства) глубокой скважины на шельфе с использованием полупогружных (ППБУ) и самоподъемных (СПБУ) буровых установок в соответствии с проектом осуществляется проводка пилотной скважины до глубины спуска кондуктора инструментом малого диаметра без противовыбросового оборудования (превентора). При этом риски получения выброса газа с фатальными последствиями остаются, так как в случае выброса СПБУ и ППБУ не в состоянии незамедлительно покинуть точку бурения.

Известен способ подготовки месторождения углеводородов к освоению, характеризующийся тем, что осуществляют проведение сейсмических исследований разреза горных пород на площади потенциального малоизученного месторождения, определяют интервалы залегания его продуктивных залежей и интервалы возможных скоплений природного газа -газовые карманы в верхней части разреза, определяют места заложения поисково-разведочных и эксплуатационных скважин, осуществляют бурение пилотной-первоочередной скважины с использованием противовыбросового оборудования, отбором керна и исследованиями околоскважинного пространства для уточнения интервалов возможного скопления природного газа, вскрывают пилотной скважиной эти интервалы, добывают из них газ с понижением пластового давления до значения не более гидростатического, сооружают поисково-разведочные и эксплуатационные скважины на продуктивные залежи потенциального месторождения, в том числе с возможным вскрытием этими скважинами в верхней части разреза горных пород интервалов с отобранным газом, при этом пилотную скважину, выполнившую задачу добычи газа, предусматривают для использования в качестве наблюдательной для контроля за перетоками газа из нижних горизонтов [RU 2579089 С1, МПК Е21В 43/00, C01V 1/00, опубл.2016].

К причинам, препятствующим достижению заявленного технического результата известным техническим решением, можно отнести то, что бурение скважин предложенным способом значительно усложняет процесс строительства скважины, увеличивает срок бурения и затраты. Технически бурение скважины от дна моря с противовыбросовым оборудованием весьма сложно реализуемый проект. Сроки бурения морских скважин в Арктике, в условиях короткого навигационного сезона, имеют ключевое значение. В условиях морского бурения, небольшие объемы приповерхностного газа, в отсутствии инфраструктуры добычи и транспортировки газа, добывать нецелесообразно. Поэтому приповерхностный газ представляет только опасность при бурении скважин. Целью бурения пилотного ствола предлагаемым способом является верификация отсутствия приповерхностного газа в безопасной точке бурения скважины, определенной по результатам инженерных изысканий.

Известен способ строительства и ликвидации морской поисковой скважины, включающий выполнение инженерно-геологических изысканий на площадке предстоящей постановки морской мобильной буровой установки, транспортировку и постановку в заданной точке морской мобильной буровой установки, бурение, крепление, испытание и ликвидацию скважины, предусматривающую в последней (наименьшей) обсадной колонне, связанной с устьем скважины, установление цементного моста высотой не менее 50 м, снятие и транспортировку морской мобильной буровой установки на новую точку бурения, обследование дна на отсутствие навигационных опасностей и видеосъемку устья скважины и морского дна, предоставление акта обследования в соответствующую гидрографическую службу, при этом кровлю цементного моста располагают на 3-5 м ниже уровня дна моря, оголовок цементного моста ликвидированной скважины оснащают дополнительной защитой [RU 2603865 С1, МПК Е21 В35/00, Е21В 33/035, опубл. 2016].

К причинам, препятствующим достижению заявленного технического результата известным техническим решением, можно отнести то, что ликвидация пилотного ствола осуществляется простым цементированием всего ствола от забоя до глубины 3-5 метров ниже дна моря без оголовка, поскольку скважина не является геологоразведочной. Нормативных требований по цементированию инженерных скважин на данный момент нет.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является предотвращение аварий СПБУ и ППБУ при бурении поисковых, разведочных и (или) эксплуатационных скважин на перспективных участках шельфа и месторождениях из-за вскрытия скоплений высоконапорного природного газа в верхней части разрез за счет оптимизации процесса бурения скважин и исключения из цикла строительства глубоких скважин с ППБУ бурения пилотных стволов.

Поставленная техническая задача решается за счет опережающего (заблаговременного) бурения пилотного ствола с использованием специально оснащенного инженерно-геологического судна, что полностью снимает все риски вскрытия приповерхностного газа и повреждения дорогостоящих СПБУ и ППБУ, оптимизации проведения геологоразведочных работ, сокращении сроков строительства морских скважин в условиях Арктического шельфа

Указанный технический результат достигается тем, что способ опережающего бурения пилотных стволов при строительстве скважин на шельфе характеризуется тем, в местах заложения поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин на шельфе осуществляют опережающее (заблаговременное) бурение пилотного ствола на глубину спуска кондуктора (500 - 600) метров с использованием специально оборудованного инженерно-геологического судна. Предварительно в местах заложения глубоких скважин, с целью минимизации рисков, выполняются инженерные изыскания дистанционными (геофизическими) методами, но для полного исключения рисков, результаты дистанционных методов заверяются прямым методом, проводкой пилотного ствола. Бурение пилотной скважины с использованием инженерно-геологического судна ведут без противовыбросового оборудования и отбора керна. Для контроля за возможным вскрытием пористых и проницаемых коллекторов в компоновку низа буровой колонны включаются приборы для каротажа и регистрации технических параметров в реальном времени проходки пилотной скважины (LWD/VWD). Контроль за газопроявлением на устье скважины осуществляется с использованием телеуправляемого необитаемого подводного аппарата (ТИПА) в процессе всего цикла бурения пилотной скважины. В случае газопроявления на инженерно-геологическом судне предусмотрена система глушения скважины утяжеленным буровым раствором. Инженерно-геологическое судно ведет бурение с использованием системы динамического позиционирования, без якорей, что позволяет в случае потери контроля над пилотной скважиной в результате газопроявления, незамедлительно и безопасно покинуть точку бурения.

Сущность изобретения заключается в выделении в отдельный самостоятельный процесс опережающего (заблаговременного) бурения пилотного ствола с использованием специально оборудованного для этих целей инженерно-геологического судна.

Осуществление изобретения

Цикл бурения пилотного ствола инженерно-геологическим судном состоит из следующих этапов.

Постановка судна в выбранную точку и удержание его в точке бурения динамической системой позиционирования работающими двигателями и подруливающими устройствами. Судно ориентируют носом на ветер и течение, якоря не используют, что позволяет в случае потери контроля над пилотной скважиной в результате газопроявления мгновенно отсоединить буровую колонну и отойти на безопасное расстояние.

Спуск донной рамы с трубным зажимом.

Сборка бурильной колонны: долото 215,9 мм, система LWD/MWD, утяжеленные бурильные трубы, переводник, стальные бурильные трубы.

Спуск ТИПА и фиксацию его в непосредственной близости от устья скважины.

Бурение скважины осуществляют вращательным способом посредством вертлюга-сальника, к которому присоединяют буровую колонну с промывкой буровым раствором, наращиванием буровой колонны в процессе бурения и регистрацией в реальном времени каротажных и технических данных.

Подъем инструмента после достижения проектной отметки спуска колонны под кондуктор.

Цементирование и ликвидация пробуренной скважины.

На буровой палубе, непосредственно в районе рабочей площадки, устанавливают систему газоанализаторов для фиксирования газопроявлений при буровых операциях (сборке и наращивании буровой колонны).

В случае газопоказаний в процессе бурения производят утяжеление бурового раствора, удержание скважины под контролем и продолжение бурения. В случае активного газопроявления производят полное глушение скважины утяжеленными пачками бурового раствора.

В реальном времени на борту судна анализируют данные электрического каротажа с целью контроля возможного вскрытия ловушек газа в виде пропластков коллекторов.

Любое появление газа на устье скважины фиксируют визуально с помощью ТНПА.

Пример конкретного выполнения

Для выполнения работ в Арктике судно должно иметь ледовый класс не менее ARC-4. Для удержания положения в точке бурения судно должно иметь классификацию не хуже DYNPOS-2. Осевая нагрузка на долото PDC 215,9 мм должна обеспечиваться до 10 т.Грузоподъемность буровой лебедки должна быть не менее 50 т и тормозное усилие не менее 37 т.Производительность буровых насосов с двойным резервированием должна быть не менее 72 л/сек. Необходимый объем цементного раствора на одну скважину не менее 4 куб. м.

С учетом требований для выполнения работ опережающего бурения пилотных стволов выбрано инженерно-геологическое научно-исследовательское судно (НИС) «Бавенит», ледового класса ARC-4, имеющего классификацию DYNPOS-2, которое теоретически способно выполнить бурение пилотных стволов после соответствующего дооборудования и дооснащения. Расчетным путем построена зависимость и доказана технологическая возможность использования НИС «Бавенит» для бурения достаточно глубоких для такого класса судна скважин.

Получены зависимости глубина/нагрузка на долото:

G₁=0.75×M_КНБК, где

G₁ - осевая нагрузка на долото (рекомендованная нагрузка для PDC-долот диаметром 215.9 мм составляет от 2 до 10 т);

М_КНБК - суммарная масса компоновки низа бурильной колонны (КНБК).

Q-20%≥М_КНБК+М_БК, где

Q - Грузоподъемность буровой лебедки (подтвержденное тяговое усилие 50 т, тормозное усилие 37 т);

М_БК - суммарная масса бурильной колонны (БК).

М_КНБК=N_УBT × 1 т/шт, где

N_УBT - количество утяжеленных бурильных труб (УБТ) длиной 6 м;

М_БК=N_CБТ × 0,285 т/шт, где

N_СБТ^- стальных бурильных труб (СБТ) длиной 9 м.

Рассчитан объем необходимого раствора для установки цементных мостов:

V_ц.р. - необходимый объем цементного раствора;

D - диаметр породоразрушающего инструмента (215,9 мм=0,2159 м);

Н - высота цементного моста (рекомендована до 100 м.

Норма расхода цемента для приготовления 1 м³ раствора=500 кг сухой смеси, соответственно для установки моста потребуется не более 2000 кг сухой смеси.

Суммарная производительность всех буровых насосов с двойным резервированием должна составлять не менее 72 л/сек.

На основании расчетов и анализа получены необходимые технические требования к судну и оборудованию инженерно-геологического судна.

Для достижения требуемой производительности буровых насосов при бурении пилотных стволов с возможностью динамического глушения возможных газопроявлений установлена насосная станция СИН50 производства российского завода «Синергия» (г.Пермь), которая позволила увеличить максимальную производительность насосного комплекса до 4000 л/мин.

На борту судна был смонтирован высокопроизводительный цементировочный комплекс AtlantJET 20/300 производства российской компании «Специальная Строительная Техника» (г.Пермь) для обеспечения качественной ликвидации скважин после завершения бурения пилотных стволов.

В компоновку низа буровой колонны (КНБК) включена система LWD/MWD ЗТК-42ЭМ производства российской компании ООО НПФ «ВНИИГИС-Забойные телеметрические комплексы» (г.Октябрьский) для целей контроля по каротажным данным в режиме реального времени за вскрытием потенциально опасных газонасыщенных пластов. Ранее судно не было оснащено подобной системой и никогда не выполняло бурение с регистрацией каротажных данных.

Произведена заменена устаревшей импортной системы динамического позиционирования (DP) и установлена современная новая НАВИС ДП5000 производства российской компании АО «НАВИС» (г.Санкт-Петербург), предназначенной для удержания судна на точке бурения в автоматическом режиме с высоким процентом точности, используя лишь судовые двигатели.

В комплект оборудования судна включен телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА) РТМ-500 производства АО «Росгеология» для обеспечения видеосъемки устья скважины в процессе бурения и передачи видеоизображения в режиме реального времени на пульт управления бурением с целью контроля возможных газопроявлений. Для обеспечения видеосъемки устья скважины и передачи видеоизображения работ, проводимых на устье скважины в режиме реального времени, на пульт управления бурением использовали телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА).

Дооснащение судно позволило выполнить бурение инженерно-геологических скважин на глубину до 500-600 метров по грунту при глубине воды до 600 метров.

Последовательность операций при проходке скважин следующая.

Для Баренцева и Карского морей характерно наличие в верхней части разреза (ВЧР) газосодержащих осадков и скопления газа с АВПД. Высокоширотное местоположение, наряду с суровым арктическим климатом, определяет широкое распространение многолетнемерзлых пород (ММП). Точки заложения глубоких геологоразведочных скважин предварительно выбирают по результатам инженерно-геологических изысканий, исключающих вскрытие в ВЧР скопление газа с АВПД и ММП, с целью минимизации рисков, выполняют инженерные изыскания дистанционными (геофизическими) методами. Для полного исключения вскрытия опасных объектов при проводке глубоких скважин осуществляют проводку пилотного ствола.

Буровое судно становится в режим DP, ориентировка - носом на ветер и течение, судно стабилизируется на точке бурения без якорей.

С помощью тяжеловесной лебедки с двумя барабанами на дно опускается донная рама с трубным зажимом. Трубный зажим закрыт.Компенсатор веса бурильной колонны находится в сложенном состоянии;

Собирают бурильную колонну: долото, система ЗТК-42ЭМ (LWD/MWD), утяжеленные бурильные трубы, переводник, стальные бурильные трубы. Сборку колонны производят с помощью трубного манипулятора и силового вертлюга бурового станка. По верху долота застегивается направляющая рамка, которая, по мере сбора колонны, скользит по тросам донной рамы. Колонна входит в донную раму и встает на клинья трубного зажима;

ТНПА опускают на дно.

Колонну приподнимают, набивают компенсатор веса бурильной колонны, клинья трубного зажима донной рамы открывают оператором с пульта бурения и колонну опускают вниз, ниже отметки клиньев, на 1,75 метра (расстояние от клиньев до нижней плоскости основания донной рамы). Шаровой клапан в верхней части силового вертлюга закрывают, в колонну подают промывочную жидкость, и колонна разгружается на забой с вращением.

Контроль процесса бурения скважины осуществляют как непосредственно на пульте бурового мастера (режимы бурения), так и при помощи внутрискважинной LWD/MWD-телеметрической системы.

Непосредственно в режиме бурения проводят одновременный каротаж, с измерением физических свойств пород регистрации геофизических и технологических параметров. В состав комплекса LWD/MWD измерений и: модуль индукционного резистивиметра (предназначен для измерения удельного электрического сопротивления); модуль индукционного резистивиметра (обеспечивает измерение и расчет методом индукционного каротажа по фазовому сдвигу и ослаблении амплитуды двух длин зондов); наддолотный модуль (предназначен для измерения инклинометрических, геофизических и технологических параметров непосредственно около долота в процессе бурения и передачи информации по беспроводному электромагнитному каналу связи на материнскую телесистему на борту судна); модуль МПИ (предназначен для измерения зенитного угла, азимута и угла установки отклонителя в процессе бурения скважины и в статике, без циркуляции бурового раствора); модуль МПС, выполненный на основе блока счетчиков γ - квантов (предназначен для измерения естественной радиоактивности разбуриваемых пород при бурении скважины и передачи информации).

Рабочий монитор телеметрической системы расположен на пульте бурового мастера. Телеметрическая система позволяет получать в режиме реального времени следующие параметры: затрубное давление в атм; осевую нагрузку в тоннах; температуру в град С°; механическую скорость проходки в м/ч. Внешний контроль за состоянием устья скважины выполняют при помощи ТНПА «РТМ-500». Видеонаблюдение на устье скважины ведут постоянно в режиме реального времени, а информация передается на пульт управления буровым процессом. На буровой палубе, непосредственно в районе рабочей площадки, устанавливают систему газоанализаторов, для фиксирования газопроявлений при буровых операциях (сборке и наращивании буровой колонны). Оперативный контроль состояния устья (при помощи ТНПА) и забоя скважины (при помощи LWD/MWD), а также газоанализаторы на буровой палубе, необходимы для предупреждения аварийных ситуаций, связанных с возможным выбросом газа. Потенциально опасные газонасыщенные коллекторы, вскрываемые в процессе бурения, оперативно выделяют по каротажу в процессе бурения. В случае В случае газопроявления, появления газа в буровой колонне или шахте, на инженерно-геологическом судне предусмотрена система глушения скважины утяжеленным буровым раствором, либо бурение прекращают и скважину ликвидируют.

По достижении проектного забоя пилотную скважину ликвидируют путем закачки цементного раствора. Судно перемещается в резервную точку бурения и процесс повторяется.

Заявляемый способ, предусматривающий заблаговременное, не связанное с присутствием ППБУ на точке, последовательное бурение пилотных стволов на ряде площадок под строительство глубоких скважин, позволяет в условиях короткого навигационного сезона бурения глубоких скважин на арктическом шельфе достичь сокращения всего цикла строительства глубокой скважины за счет исключения времени на бурение пилотного ствола, что дает возможность гарантированно завершить бурение в один навигационный сезон или расширить объем исследований в скважине, и предотвратить риски возможных аварий СПБУ и ППБУ при бурении поисковых, разведочных и (или) эксплуатационных скважин на перспективных участках шельфа и месторождениях из-за вскрытия скоплений высоконапорного природного газа в верхней части разреза.

Таким образом, заявляемое изобретение позволит решить проблему завершения полного цикла строительства глубоких геологоразведочных скважин, включающего бурение, геолого-геофизические исследования, испытания продуктивных пластов и ликвидацию скважины в течение одного навигационного безледового периода, а также снизить затраты на строительство глубоких скважин вследствие исключения из графика строительства скважин бурения пилотных стволов.

Изобретение относится к способу опережающего бурения пилотных стволов при строительстве скважин на шельфе. Техническим результатом является предотвращение аварий при бурении поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин на перспективных участках шельфа и месторождениях. Способ включает опережающее бурение пилотного ствола на глубину спуска кондуктора 500-600 м с использованием оборудованного инженерно-геологического судна. Предварительно в местах заложения скважин выполняют инженерные изыскания дистанционными геофизическими методами. Для полного исключения рисков результаты дистанционных методов заверяют прямым методом - проводкой пилотного ствола. Бурение пилотного ствола осуществляют с использованием инженерно-геологического судна с использованием системы динамического позиционирования без использования якорей и противовыбросового оборудования и без отбора керна. Также способ включает спуск донной рамы с трубным зажимом. Также собирают бурильную колонну. Также спускают телеуправляемый необитаемый подводный аппарат с фиксацией его у устья скважины. В компоновку низа буровой колонны включают приборы для каротажа и регистрации технических параметров в реальном времени проходки пилотной скважины. Контроль за газопроявлением на устье скважины осуществляют с использованием телеуправляемого необитаемого подводного аппарата в процессе всего цикла бурения пилотной скважины. Также на буровой палубе устанавливается система газоанализаторов, после достижения проектного забоя производят цементирование и ликвидацию пробуренной скважины. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ опережающего бурения пилотных стволов при строительстве скважин на шельфе, характеризующийся тем, что в местах заложения поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин на шельфе осуществляют опережающее бурение пилотного ствола на глубину спуска кондуктора 500-600 м с использованием оборудованного инженерно-геологического судна, при этом предварительно в местах заложения скважин выполняют инженерные изыскания дистанционными геофизическими методами, а для полного исключения рисков результаты дистанционных методов заверяют прямым методом - проводкой пилотного ствола, при этом бурение пилотного ствола осуществляют с использованием инженерно-геологического судна с использованием системы динамического позиционирования без использования якорей и противовыбросового оборудования и без отбора керна, при этом спускают донную раму с трубным зажимом, собирают бурильную колонну, спускают телеуправляемый необитаемый подводный аппарат с фиксацией его у устья скважины, в компоновку низа буровой колонны включают приборы для каротажа и регистрации технических параметров в реальном времени проходки пилотной скважины, контроль за газопроявлением на устье скважины осуществляют с использованием телеуправляемого необитаемого подводного аппарата в процессе всего цикла бурения пилотной скважины, при этом также на буровой палубе устанавливается система газоанализаторов, после достижения проектного забоя производят цементирование и ликвидацию пробуренной скважины.

2. Способ опережающего бурения пилотных стволов по п. 1, отличающийся тем, что в случае газопроявления осуществляют глушение скважины утяжеленным буровым раствором.