Разработка нефтегазовых месторождений системами горизонтальных скважин
1.1 История возникновения
История возникновения и применения горизонтальных скважин (ГС) для повышения нефтеотдачи пластов и темпов разработки месторождений насчитывает более 50 лет. Ранее к этому прибегали тогда, когда другие методы не достигали цели. При бурении единичных ГС и разветвленных горизонтальных скважин (РГС), как правило, получали положительные результаты. По существу, имелся начальный опыт бурения и эксплуатации отдельных скважин, но не систем скважин.
Начиная с 70-х годов, технологии разработки нефтегазовых месторождений с помощью ГС стали интенсивно развиваться как за рубежом, так и в России. В настоящее время за рубежом насчитывается более 60 фирм, осваивающих эти технологии. Одной из первых является фирма ELJ Agutrane в содружестве с французским институтом нефти JFP AGJP. Так по инициативе JFP в г. Уфе в 1980 г. был проведен советско-французский симпозиум по наклонно направленному и горизонтальному бурению. После этого начался второй этап применения технологий разработки нефтегазовых месторождений горизонтальными скважинами. Уже в 1991 – 1992 годах в России было пробурено 48 ГС, а из введенных в эксплуатацию добыто 180 тыс. тонн нефти.
Новые технологии, основанные на применении ГС, существенно изменили теорию и практику мировой добычи углеводородов. Дебиты скважин, имеющие горизонтальные окончания большой протяженности, значительно возросли. В результате появилась возможность эксплуатировать месторождения раздельными сетками скважин, снизить депрессии на продуктивные пласты, увеличить продолжительность безводного периода эксплуатации скважин. На некоторых месторождениях запасы нефти, которые считались неизвлекаемые, в настоящее время могут разрабатываться в промышленных масштабах. При этом повысилась эффективность многих «старых» методов воздействия на пласт, значительно повысилось большинство показателей разработки.
За последнее десятилетие технология разработки месторождений с применением ГС нашли применение во многих крупных нефтегазодобывающих районах. Так 1988 год явился началом нового этапа активных работ в области бурения и разработки месторождений ГС в Башкортостане (АНК «Башнефть»). По утвержденным в ЦКР проектным документам здесь было пробурено более 50 ГС на Михайловском, Тытышлинском, Лемезинском, Старцевском месторождениях, а также на опытных участках «старейшего» Арланского месторождения.
В республике Татарстан освоение горизонтальных технологий было начато и активно развивалось в 1967 – 1978 годах бурением ГС на турнейские отложения Сиреневского и Тавельского месторождений. В 1991 – 1995 годах отраслевым институтом ТатНИПИнефть было составлено более 20 проектных документов на разработку месторождений с применением ГС, согласно которым предстояло пробурить 1200 скважин, что составило 40 % от общего их числа. Глубины залегания продуктивных пластов, вскрытых ГС, составили 829 – 1728 м, а вскрываемые толщины изменялись в диапазоне 4 – 40 м.
В ОАО «Удмуртнефть» разработка месторождений с применением ГС осуществляется с 1992 г. Первая ГС была пробурена на Мишкинском месторождении. Плановое опытно – промышленное бурение ГС было начато в 1994 г. В настоящее время пробурено 47 ГС. Положительные результаты получены здесь при бурении ГС на Гремихинском месторождении, залежи которого содержат вязкие и высоковязкие нефти. В более сложных геологических условиях бурились ГС на Южно-Киенгопском месторождении. Верейский горизонт, на который бурились ГС, представлен чередованием терригенных и карбонатных коллекторов с небольшими эффективными толщинами (в среднем 2,9 м). Средний дебит по ГС составил 15 т/сут, что на 10 – 12 т выше, чем дебит из вертикальных скважин. В условиях данного месторождения была доказана возможность получения достаточно больших технико – экономических показателей бурения ГС на продуктивные пласты малой толщины (2 – 3 м).
В ПО «Краснодарнефтегаз» рассмотрены вопросы повышения объемов добычи нефти за счет увеличения производительности малодебитных скважин бурением дополнительных стволов. В объединении накоплен богатый опыт бурения РГС из стволов ранее пробуренных скважин.
Технологии разработки нефтяных месторождений ГС нашли и на месторождениях Западной Сибири. Составлены и реализуются проекты разработки Ем-Егоровского и Малобалыкского, а также на Федоровском месторождениях. Анализ строительства и эксплуатации ГС на опытном участке Самотлорского месторождения доказал целесообразность разработки пласта (1 + 2/1), из которых дебиты ГС превысили в 3 – 11 раз дебиты вертикальных (ВС) и наклонно направленных скважин (ННС) при значительно низкой обводненности продукции. На Восточно – Таркосалинском нефтегазоконденсатном месторождении (Ямало-Ненецкий автономный округ) введены в эксплуатацию три ГС на пласт ПК1 и две ГС на пласт БП16. Продуктивность ГС превысила продуктивности ВС в 5 раз.
В последние десятилетия разработка нефтяных месторождений с помощью ГС стала интенсивно развиваться за рубежом. Резкое увеличение объемов горизонтального бурения и положительные прогнозы вызвали интерес подрядных и сервисных фирм, которые провели реорганизацию своих структур с целью создания отдельных подразделений для работы в этой области. Большинство крупных нефтяных компаний организовали специальные группы (их насчитывают более 60) по развитию новых технологий, связанных с бурением и эксплуатацией ГС.
За 1979 – 1983 годы в Европе пробурено достаточно много ГС: Лак – 90, Кастера Лау – 110, Распаре Маре – 6, в общей сложности нескольких десятков, давших необходимую информацию для дальнейшего развития работ, как по развитию в технологии бурения ГС, так и для проетирования оптимального режима их эксплуатации.
Месторождение Кастера Лау расположено на юго-западе Франции. Коллектор здесь представлен трещиноватым доломитом, залегающем на глубине 2896 м. Толщина пласта 70 м, пористость – 10 %, проницаемость 500 мкм2. Горизонтальная скважина на месторождении Кастера Лау была пробурена длиной 335 м в продуктивном пласте и обеспечила увеличение добычи нефти в 5 раз, по сравнению со скважинами, пробуренными по общепринятой технологии.
Большой научный интерес представляет опыт разработки месторождения Распаро Маре (Италия), где, по существу создана первая в мире система нефтедобычи с помощью ГС. Месторождение находится в Адриатическом море на глубине 60 – 90 м. Нефть на месторождении достаточно тяжелая, плотностью 990 кг/м3, а вязкость ее составляет 300 мПа·с в пластовых условиях. Коллектор, залегающий на глубине 1290 м, из–за своей геологической природы карстового характера имеет низкую вторичную пористость (1,8 %), хотя проницаемость его изменяется в широких пределах от 2 до 1500 мкм2. Продуктивный пласт состоит из двух наложенных друг на друга слоев. Верхний слой, толщиной до 60 м, характеризуется наличием расширяющихся вверху (в результате эрозии) вертикальных трещин, расположенных через 90 м, которые смыкаются снизу. Нижний слой толщиной до 50 м характеризуется наличием пустот в виде карстовых образований, заполненных нефтью. Разведка месторождения была начата в 1975 г. и за период до 1980 г. были закончены и испытаны лишь три одиночные скважины (вертикальная, наклонная и горизонтальная). Продуктивность ГС составила 11,30 м3/сут, наклонной – 4,77 м3/сут, а вертикальной – 2,07 м3/сут. Эффективность вытеснения нефти внутри опытного участка по суммарной добыче составила: в ГС в среднем в 4,6 раза больше, чем на других скважинах.
Известным мировым рекордом для скважин с малым радиусом искривления с интенсивностью набора кривизны до 10° / 10 м является протяженность горизонтального участка ствола, которая составила 372 м в скважине Вега-5, пробуренной фирмой «Селм» у побережья Сицилии.
Промышленное применение горизонтального бурения в Германии началось со второй половины 80–х годов. В 1994 году была основана Ассоциация горизонтального бурения (DCA), занимающаяся координацией исследований по проблемам горизонтального бурения, что привело к существенному удешевлению горизонтального бурения. Следует отметить, что в Германии ГС используются также для прокладки нефте- и газопроводов, электрокоммуникаций и т.д.
Большое развитие технологии бурения ГС получили в США, где ГС использовались как для разведки и доразведки месторождений (например в бас. Уиллисон Северной Дакоты), так и с целью интенсификации добычи нефти. В 1990 г. в штатах Техас, Северная Дакота, Юта и других было пробурено 850 скважин. За пределами США в том же году было пробурено 200 ГС, половина из которых находится в Канаде. Диапазон показателей эффективности применения технологий бурения ГС достаточно широк. Так, например, повторное заканчивание 30–летней скважины в Западном Техасе, при котором на глубине 2360 м был пробурен горизонтальный ствол длиной 60 м, увеличило дебит от 1,27 до 31,8 м3/сут. Затраты окупились через 45 дней. С другой стороны, в том же Западном Техасе многие ГС оказались нерентабельными. Это объясняется ошибками, как при проектировании скважин, так и при подготовке экономического обоснования проектов.
В 1989 году фирмой «Юнокал» в Калифорнии пробурена скважина Пойнт А-16 с горизонтальным стволом длиной 1750 м. Максимальный угол отклонения от вертикали составил 87, 50°. Эта скважина превзошла предыдущий рекорд (1223 м), достигнутый фирмой «Эссо Рисорзис» (Канада) на скважине Норманн К-50Х в 1987 г. Горизонтальное смещение забоя на скважине А-16 является в настоящее время наибольшим для скважин с большим радиусом искривления. Кроме того, это самый длинный искривленный ствол. Здесь истинная глубина по вертикали невелика и составляет около 1347 м, около 3048 м бурили при угле наклона ствола более 80°. Скважина успешно закончена зацементированным хвостовиком.
Большую эффективность технологии разработки нефтяных месторождений ГС показали на уникальных по величине и продуктивности месторождениях Ближневосточного региона. Пробуренные в Саудовской Аравии, Омане и Египте ГС дают дебиты в 2 – 10 раз выше, чем вертикальные стволы. Кроме того, уменьшается вероятность прорыва водяных и газовых конусов, что способствует более эффективной нефтеотдаче. По мере совершенствования технологии стоимость ГС вплотную приблизилась к стоимости вертикальных скважин.
1.2 Проблемы строительства горизонтальных скважин
Для существенного повышения эффективности строительства скважин в нефтегазодобывающей отрасли необходимо приоритетное развитие по пяти наиболее актуальным научно-техническим направлениям [1]:
- строительство стволов ГС и РГС с целью резкого повышения нефтеотдачи пластов;
- забуривание и проведение новых горизонтальных стволов из бездействующих скважин к объектам с повышенной концентрацией остаточных запасов нефти, в том числе для ввода в эксплуатацию простаивающих скважин с повышенным дебитом;
- извлечение из недр запасов нефти (более 60 %) с целью реанимации месторождений, находящихся на поздней стадии разработки;
- строительство ГС и РГС с помощью электробуров с целью повышения эффективности и качества их строительства;
- разобщение пластов при креплении ГС и РГС для повышения нефтегазоотдачи пластов.
Важным направлением повышения эффективности применения ГС является максимальное снижение капитальных вложений. Доведение величин капитальных вложений до уровня стран, в которых эти технологии широко применяются (США, Канада, Франция и др.), т.е. до 1,7 – 2,0, что позволит почти в 2,5 раза повысить успешность использования капитальных вложений при строительстве ГС.
Таким образом, к настоящему времени можно выделить области возможного применения ГС, которые в соответствии со способом бурения и в зависимости от используемых технических средств следует разделить на три группы:
- с большим радиусом искривления горизонтальной части ствола относительно вертикального участка;
- со средним радиусом искривления – такие скважины требуют применения специального оборудования (отклонители, УБТ и т.д.), размер и конструкция которых позволяют получать радиусы 40-80 м;
- с малым радиусом искривления – наряду со специальным оборудованием эти скважины предъявляют дополнительные требования к технологии бурения и ориентированию инструмента; основная цель их строительства – восстановление бездействующего фонда скважин.
В области бурения скважин основным направлением работ стало создание технических средств и технологий бурения стволов ГС с минимальным отклонением от расчетной траектории. Сдерживающим фактором в этом области является отсутствие приборов непрерывного контроля траектории проводки, осуществления каротажных работ в процессе входа в пласт и проходки горизонтальной части ствола.
Практика показала, что больше всего влияют на эффективность применения технологии разработки залежей углеводородов ГС, технологии первичного и вторичного вскрытия, освоения продуктивных пластов – особенно в условиях низких пластовых давлений.
Исходя из накопленного опыта изучения проблем бурения вертикальных скважин можно утверждать, что одной из основных причин снижения фактической продуктивности ГС, по сравнению с их потенциальными возможностями, являются техногенные изменения природного состояния нефтегазового пласта в околоскважинных зонах. Однако, использование результатов исследований влияния качества вскрытия пластов на продуктивность скважин, приведенных для ВС, малоперспективно для ГС, так как оно не учитывает существенных различий в формировании околоскважинных зон:
- в отличие от ВС воздействие буровых агентов на продуктивный пласт в ГС осуществляется в течение гораздо более длительного периода;
- ствол ГС испытывает более сложные и интенсивные деформационные процессы, по сравнению со стволом ВС;
- ГС вскрывают геологические неоднородности разного масштабного уровня – от отдельных неоднородных включений до неоднородности, связанной с геологическим строением залежи;
- технологии бурения, заканчивания и испытания ГС несколько иные, чем для ВС, что обуславливает специфику воздействия на околоскважинные зоны.
Отсутствие надежных технологий вскрытия, освоения, оценки интервалов притока, интенсификации интервалов притока, проведения геолого-технических мероприятий и ремонтно-изоляционных работ (РИР) в стволах ГС негативно отражается на технико-экономических показателях применения технологий разработки залежей углеводородов с помощью ГС.
Таким образом, при строительстве ГС возникает ряд проблем, решение которых требует дальнейших исследований при внедрении технологий разработки нефтегазовых ГС:
- геологическая неоднородность по простиранию пласта существенно влияет на формирование околоскважинных зон ГС;
- горизонтальное расположение обуславливает асимметрию изменения свойств пласта в околоскважинных зонах;
- относительная вязкость и ограниченная толщина пласта изменяют характер проникновения фильтрата в пласт;
- вдоль ствола ГС происходит перераспределение удельного дебита, в области забоя и устья формируются аномальные концевые эффекты по удельному притоку;
- неоднородность проницаемости вдоль ствола ГС увеличивает дифференциацию по удельному притоку, особенно при поступлении газа;
- локальное нарушение целостности пласта при вскрытии влияет на продуктивность ГС.
1.3 Сравнительная оценка эффективности строительства горизонтальных скважин
Опыт бурения показывает, что стоимость 1 метра проходки горизонтально-разветвленной части ствола примерно на 30 – 40 % выше стоимости бурения 1 метра ВС, а дебиты в десятки раз превышают дебиты ВС. При этом себестоимость строительства РГС в 1,6 раза больше, а дебиты в среднем в 5,3 раза выше, чем в вертикальных. Удельные капиталовложение на 1 тонну годовой добычи нефти из РГС в 2,2 раза меньше, чем по соседним ВС [1].
В условиях пластово-сводовых залежей, характерных для месторождений нефти и газа Западной Сибири, целесообразно ограничиться проводкой дополнительных стволов в эксплуатационной колонне из одного ствола, имеющего достаточную длину в горизонтальной проекции. Такая конструкция скважин, в отсутствие экранированных зон, по своей продуктивности почти равнозначна разветвленной и, в то же время, более просто технически осуществима. Такую скважину можно рассматривать как наклонную, с большим углом отклонения от вертикали в интервале продуктивной части.
Как любое новое направление, горизонтальное бурение дорого, однако повышение продуктивности скважин и другие положительные аспекты технологий разработки залежей углеводородов системами ГС и РГС могут быть столь существенными, что экономическая эффективность значительно превысит первоначальные затраты на строительство скважин.
1.4 Перспективы строительства горизонтальных скважин
Перспективными, но проблемными в области проектирования, строительства и эксплуатации ГС являются следующие направления:
- детальное геологическое обоснование ГС с учетом зон возможных осложнений при их строительстве, а также необходимости оперативного управления профилем ствола скважины, прежде всего в продуктивном пласте. Это направление предусматривает широкое использование трехмерной сейсморазведки, современных геофизических средств, компьютерной обработки геофизических и других данных;
- проектирование ГС с применением современных программных трехмерных геолого-технологических моделей;
- бурение ГС под зенитным углом более 65°;
- широкое применение колонн ГТ в течение всего цикла строительства и эксплуатации ГС, применение долот с поликристаллическим синтетическим алмазным вооружением;
- разработка эффективных рецептур буровых растворов с различными свойствами, т.е. расширение перечня рекомендуемых растворов с учетом передового мирового опыта;
- переход к бурению на обсадных трубах, что позволит улучшить технико-экономические показатели строительства скважин не менее чем на 30 %. Данная технология бурения в последнее время получает распространение, так как позволяет решить наиболее трудные проблемы строительства скважин в осложненных геологических условиях;
- ГС следует применять при разработке залежей, недоступных для разбуривания в силу различных, в том числе экологических причин (находящихся под водоемами, горами, заповедниками, населенными пунктами и т.д.). Однако при этом следует учитывать, что строительство ГС возможно при соблюдении ограничивающих процесс геолого-физических и гидродинамических условий [1].
Поэтому объективно необходимо дальнейшее совершенствование процессов проектирования, строительства, эксплуатации ГС, непрерывного мониторинга функционирования систем разработки с применением ГС.