Развитие технологии проводки горизонтальных скважин и совершенствование теплоизолирующих экранов при термошахтной разработке месторождения тяжелой нефти

Мировые ресурсы тяжелой нефти достигают 1 трлн. т, в том числе в России около 5 млрд. т, в Тимано-Печорской провинции около 2 млрд. т. Таким образом, в XXI веке добыча тяжелой нефти становится одним из основных источников восполнения углеводородного сырья, природного битума и должна осуществляться за счет развития технологий, обеспечивающих эффективную разработку, не уступающую по показателям альтернативному освоению месторождений в труднодоступных районах: в Арктике, на шельфе и на море. Показательным примером промышленной разработки залежей тяжелых нефтей является термошахтная технология с использованием более 17 000 направленных скважин, в том числе 5000 горизонтальных, которая осуществляется с 1939 г. на Ярегском месторождении, где был достигнут коэффициент нефтеотдачи по отдельным блокам до 68% и годовой объем добычи до 500 тыс. т. Имеются значительные перспективы развития метода в России: в Волго-Уральской и Тимано-Печорской провинциях, в Западной Сибири и Архангельской области, а также за рубежом: в Азербайджане, Аргентине, Венесуэле, Казахстане, Канаде, Китае, США и других. Повышение эффективности термошахтной технологии возможно за счет сокращения теплопотерь при нагнетании пара в пласт, совершенствования конструкций пароподающих скважин и теплоизолирующих экранов, повышения качества выполнения траекторий и увеличения длины горизонтального ствола.

Цель работы.

Повышение эффективности работы термоизолирующих экранов паронагнетательных и развитие технологий бурения горизонтальных скважин.

Основные задачи исследований.

1. Анализ состояния и перспективы развития термошахтной добычи тяжелой нефти с использованием горизонтальных и паронагнетательных скважин.

2. Развитие методик по прогнозированию потерь тепла при закачке теплоносителей в пласт с оценкой эффективности качества теплоизоляции.

3. Научное обоснование конструкций и разработка более современных теплоизолированных труб.

4. Научное обоснование, разработка и апробация новых технико-технологических решений по совершенствованию технологии бурения горизонтальных скважин.

Научная новизна.

1. Установлено, что при наличии воздуха в затрубном пространстве пароподающих труб и колонн теплопередача осуществляется, в основном, за счет излучения и, в меньшей степени, за счет теплопроводности и конвекции.

2. Научно обоснована и разработана на уровне изобретения конструкция, создана методика расчета термоизолированной колонны с коаксиально расположенными наружными и внутренними трубами, перемещаемыми свободно и независимо друг от друга.

3. Теоретически и опытным путем подтверждена возможность самокомпенсации линейных удлинений теплоизолированных труб при закачке пара с температурой 120 °C за счет применения наружной трубы из материала с коэффициентом температурного удлинения большим и модулем упругости меньшим, чем у материала внутренней трубы.

4. Дано теоретическое обоснование методики расчета колонн с предварительным натягом внутренней трубы, исходя из прочностных характеристик материала труб.

5. Теоретически и экспериментально доказано, что существующие траектории горизонтально восстающих скважин имеют профили с отрицательной интенсивностью искривления, где около 50% длины пробуренных стволов являются горизонтально падающими и располагаются на границе с водонефтяным контактом или за пределами продуктивного пласта.

6. Теоретически обоснован и практически подтвержден экспресс-метод определения профиля горизонтального ствола на восстающем участке за счет измерения гидростатического давления столба жидкости в бурильных трубах в период остановок процесса бурения.

Защищаемые положения, практическая ценность и реализация результатов исследований.

1. Анализ состояния термошахтной добычи показал, что доля затрат на создание горных выработок и выработку энергии для нагнетания пара в пласт составляет 24,7%, эксплуатационные затраты 51,8%. Следовательно, для снижения себестоимости и конкурентоспособности технологии необходимо увеличить объем добычи нефти, сократить объем горных работ, увеличить производительность и длину горизонтальных скважин, повысить качество контроля и управления траекторией ствола, обеспечить надежность и эффективность работы теплоизоляции конструкций скважин.

2. Конструкция и методика расчета теплоизолированных колонн с коаксиальным расположенными наружными и внутренними трубами, перемещаемые свободно и независимо друг от друга. Установлена работоспособность колонны при разности температур на внутренней и наружной трубе, равной 250 °C с перемещением нижнего торца внутренней трубы до 5,8 м.

3. Методика расчета колонн с предварительным натягом внутренней трубы. Установлено, что при разнице температур на трубах, равной 140 °C необходимое натяжение должно составлять 108 кН.

4. Принципы расчета самокомпенсирующих теплоизолированных насосно-компрессорных труб (ТНКТ), техническая документация и результаты испытаний в паронагнетательной скважине 17/2 Лыаельской площади ТНКТ-73/114 с наружной трубой из алюминиевого сплава Д16Т.

5. Составы компоновок, техническая документация и результаты испытаний компоновок на принципе центрации, показавшие удовлетворительные результаты по стабилизации угла горизонтально восстающих скважин.

6. Адаптация существующего технологического комплекса для бурения горизонтально восстающих скважин с протяженностью ствола в продуктивном пласте до 1000 м, в 2−3 раза больше достигнутой, что обеспечивается применением винтовых забойных двигателей, забойных механизмов подачи и увеличением давления в гидроцилиндрах подачи долота.

7. Способ определения положения горизонтально восстающего ствола во взрывобезопасном исполнении, обеспечивающего проведение замеров при остановке насосов по гидростатическому давлению в бурильных трубах для горизонтально восстающих скважин, а для других траекторий — капсул с застывающей эталонированной жидкостью.

8. Применение результатов исследований в учебном процессе, при подготовке работ бакалавров и магистров по программе 563 602 «Бурение горизонтальных скважин» и специальности 080 900 «Бурение нефтяных и газовых скважин».

Методы исследований.

Поставленные цель и задачи исследований решались с использованием детального анализа и обобщения существующих опыта, технологии и исследований по термошахтной добыче тяжелой нефти, математического моделирования и расчетов тепло-массообменных процессов при закачке теплоносителя в теплоизолированные трубы, математического описания процессов искривления скважин, стендовых и промышленных испытаний теплоизолирующих экранов и новой технологии управления и контроля положения горизонтального ствола.

Апробация результатов исследований.

По тематике исследований опубликовано 7 научных работ. Диссертация и ее разделы неоднократно обсуждались на научно-технических советах (НТС) ОАО «Коминефть», ОАО «Битран» 1985;2003г., на всероссийской конференции «Техноэкогеофизика» (г. Ухта, октябрь 2002 г.), «Нефть и газ Европейского северо-востока России» (г. Ухта, апрель 2003 г.), на НТС ТПП «Лукойл-Ухтанефтегаз» (г.Ухта, Печорнипинефть, май 2003 г.), на расширенном заседании кафедры бурения УГТУ (г.Ухта, октябрь 2003 г.), на международной конференции (г. Анапа, октябрь 2002 г.).

Объем и структура работы.

Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста, в том числе содержит 39 рисунков и 12 таблиц. Состоит из введения, 4 разделов и заключения. Список использованной литературы включает наименований.

4.4. Выводы.

4.4.1. Исследованы закономерности искривления горизонтально восстающих скважин, установлена качественная зависимость производительности скважин от вида траектории: чем больше длина восстающего участка, тем больше дебит.

4.4.2. Дано научное обоснование траектории ГВС с обеспечением максимальной длины прямолинейно восстающего участка.

4.4.3. Оптимальной с точки зрения экономии энергозатрат и создания условий работы бурильной колонны является траектория горизонтально восстающей скважины с прямолинейно наклонным участком.

4.4.4. Прямолинейность траектории может быть обеспечена применением двухили трехточечных компоновок нижней части бурильной колонны. Исследованы и рекомендованы места установки ОЦЭ, разработаны конструкции в зависимости от места установки ОЦЭ.

4.4.5. Применяемый в ЗАО «Битран» технико-технологический комплекс может быть адаптирован для бурения горизонтально восстающих скважин с протяженностью ствола в продуктивном пласте 600 метров (вместо бурящихся в настоящее время 300 метров). Это приведет к кратному сокращению необходимого количества горных выработок для добычи нефти, то есть к существенному сокращению капитальных вложений.

4.4.6. Проводка горизонтальных скважин с протяженностью ствола 600 метров может осуществляться при использовании винтовых забойных двигателей и применении имеющихся в ЗАО «Битран» поршневых насосов 9 МГр.

4.4.7. Предложены оригинальные технологические решения по обеспечению контроля положения ствола ГВС в процессе бурения, во время технологических остановок.

Заключение

.

1. В XXI веке возрастет актуальность создания и развития более совершенных и экономически обоснованных технологий разработки месторождений тяжелых нефтей, являющихся ценным энергетическим и химическим сырьем. Отечественным приоритетом является термошахтная технология с использованием 17 000 направленных, в том числе 5000 горизонтальных скважин, конкурентоспособность которой может быть обеспечена за счет развития технологии проводки и контроля положения горизонтальных скважин, уменьшения энергоемкости за счет совершенствования теплоизолирующих экранов паронагнетательных скважин.

2. В результате анализа термошахтной технологии с применением горизонтальных скважин по двухгоризонтной системе (с 1972 г.), двухъярусной (с 1981 г.) и одногоризонтной (с 1975 г.) было установлено, что развитие технологии обеспечило повышение коэффициента нефтеотдачи с 3% до 50%, перевод неизвлекаемых запасов в извлекаемые, решение социально-экономических проблем и создание народнохозяйственного эффекта 415 млн руб. (1989 г.).

3. Развитие методик расчета теплоизолированных труб позволило обосновать использование теплоизолирующих экранов с отражателями теплового излучения, обосновать.

• конструкции колонн с наружными и внутренними трубами, имеющими свободное и независимое перемещение друг от друга;

• конструкции теплоизолированных труб на принципе самокомпенсации линейных удлинителей за счет использования наружной трубы из материала с коэффициентом температурного удлинения большим и модулем упругости меньшим, чем у материала внутренней трубы;

• методику расчета колонн с предварительным натягом внутренней трубы.

4. Разработан стенд, методика испытаний и проведены промысловые испытания теплоизолированных труб на Ярегском месторождении.

5. В результате развития технологии проводки горизонтальных скважин установлено: влияние технологии проводки и профиля скважины, расположения ее в пласте на производительность, причем, максимальная производительность соответствует горизонтально восстающей скважине на прямолинейно восстающем участке с устьем около подошвы и забоем в кровле пластатеоретически и практически впервые получена стабилизация направления бурения в устойчивой, непрогретой части пласта с использованием компоновок на принципе централизации: долото, опорно-центрирующий элемент (ОЦЭ), колонковая труба -2 м, ОЦЭ, бурильные трубывозможность увеличения протяженности ствола в три раза, до 900−1000 м, за счет повышения эффективности использования гидравлической мощности буровых путем применения забойных винтовых гидравлических двигателей диаметром 54, 85 и 88 ммтеоретическая возможность увеличения длины бурения горизонтального ствола буровым станком ПБС роторным способом до 500 м при частоте вращения верхнего привода 50−100 мин" 1- что при длине ствола 500 и более метров усилие гидроцилиндров подачи долота необходимо увеличить до 100 кН или использовать забойный гидравлический механизм подачи долотатеоретически и практически возможность контроля положения ствола за счет применения способа с застывающими эталонированными жидкостями, а для горизонтально восстающих скважин способ измерения гидростатического давления буровых жидкостей в бурильных трубах, что обеспечивает проведение измерений во взрывобезопасном исполнении без дополнительных затрат, силами буровой бригады.