Кустовое бурение скважин

Введение
В настоящее время большинство эксплуатационных скважин бурится кустовым способом. Это объясняется тем, что разбуривание месторождений кустами обеспечивает рост эффективности, а также ускорение окупаемости капитальных вложений за счет снижения удельных затрат на обустройство месторождений. Кроме этого, кустовое разбуривание позволяет значительно сократить размеры площадей, занимаемых бурящимися, а затем эксплуатационными скважинами, дорогами, линиями электропередач, трубопроводами. Это преимущество приобретает особое значение при строительстве и эксплуатации скважин на болотистых территориях, усложняющих и сильно удорожающих строительно-монтажные работы буровых и эксплуатационных объектов.
С другой стороны, неизбежный рост углов наклона скважин затрудняет техническую реализацию проектов разбуривания и увеличивает количество рисков, вызванных вероятностью пересечения стволов.
Учитывая тот факт, что в стоимости капитальных вложений в проект разработки больше половины занимают затраты на бурение скважин, основным при анализе возможных вариантов разработки становится вопрос создания оптимальной схемы разбуривания (кустование скважин). Рассчитав большое количество вариантов кустования, можно определить наилучший проект, характеризующийся минимальным количеством кустовых площадок и минимальным количеством рискованных скважин, либо вообще их отсутствием.
Объектом исследования данной работы выступает бурение скважин. Предметом исследования - особенности кустового бурения скважин.
Целью работы является исследование кустового бурения скважин. Исходя из поставленной цели, можно выделить следующие задачи:
исследовать особенности кустового бурения скважин;
проанализировать особенности проектирования и бурения скважин с кустовых площадок;
рассмотреть требования законодательства к требованиям безопасности производства буровых работ на кустовой площадке.
При написании работы использовались такие методы, как теоретическое обоснование темы, изучение научных источников, а также их сравнительный анализ.


1 Кустовое бурение скважин
Начнем с того, что кустовым бурением называют такой способ, при котором устья скважин находятся на общей площадке сравнительно небольших размеров, а забои в соответствии с геологической сеткой разработки месторождения. Впервые этот способ был применен в 1934 году на Каспии, затем стал использоваться в Пермском нефтяном районе. Особенно бурное развитие он получил в Западной Сибири, где в настоящее время более 90 % объема бурения выполняется с кустовых площадок. [1, с. 134]
При кустовом бурении скважин значительно сокращаются строительно-монтажные работы в бурении, уменьшается объем строительства дорог, линий электропередачи и т.д. На рисунке 1 показана схема бурения куста скважин.

Рисунок 1 - Схема бурения куста скважин
Отметим, что впервые в СССР кустовое бурение было осуществлено под руководством Н. Тимофеева на острове Артема в Азербайджане. Одна из основных особенностей проводки скважин кустами - необходимость соблюдения условий непересечения стволов скважин.
К недостаткам кустового наклонно-направленного способа бурения следует отнести вынужденную консервацию пробуренных скважин до окончания некоторой скважины данного куста в целях противопожарной безопасности, увеличение опасности пересечения стволов скважин, трудности в проведении капитального и подземного ремонтов скважин.
Подчеркнем, что горизонтальное и разветвленное горизонтальное бурение применяются для увеличения нефте- и газоотдачи продуктивных горизонтов при первичном освоении месторождений с плохими коллекторами и при восстановлении малодебитного и бездействующего фонда скважин.
Если при бурении наклонной скважины главным является достижение заданной области продуктивного пласта и его поперечное пересечение под углом, величина которого, как правило, жестко не устанавливается, то основная цель бурения горизонтальной скважины - пересечение продуктивного пласта в продольном направлении. При этом протяженность завершающего участка скважины, расположенного в продуктивном пласте (горизонтального участка), может превышать 1000 м [7, c. 193].
Условия, вызывающие необходимость применения кустового бурения, подразделяются на:
технические - разбуривание кустовым бурением месторождений, залегающих под застроенными участками;
технологические - во избежание нарушения сетки разработки при естественном искривлении скважины объединяют в кусты;
геологические - разбуривание, например, многопластовой залежи;
орографические - вскрытие кустовым бурением нефтяных и газовых месторождений, залегающих под водоемами, под участками земли с сильно пересеченным рельефом местности, при проводке скважин на продуктивные горизонты с отдельных морских буровых оснований или эстакад;
климатические - разбуривание нефтяных и газовых месторождений, например, в зимний период, когда наблюдается большой снеговой покров, или весной во время распутицы и значительных паводков.
К разновидностям кустового бурения можно отнести 2-ствольное последовательное, 2-ствольное параллельное и 3-ствольное бурение. При этом основой для проектирования схемы кустования месторождения в целом служит следующая информация:
инфраструктурные объекты месторождения (имеющиеся и планируемые дороги, ЛЭП и прочее), которые влияют на выбор местоположения кустовой площадки и, соответственно, на координаты устьев скважин;
рельеф и орогидрография местности (высоты, природоохранные зоны и т.п.);
сетка геологических целей и их характеристика (координаты, глубины, длины горизонтальных участков и их взаиморасположение);
геологический разрез (интервалы проблемных пород или нецелевых пластов);
ранее пробуренные скважины (координаты, траектории);
технические характеристики оборудования (грузоподъемность буровой);
технологические ограничения (допустимая интенсивность набора угла, глубина установки насосного оборудования и т.д.);
конструкция скважин (глубины спуска колонн);
последовательность бурения скважин в кусте.
Разработка схемы кустования с учетом всей приведенной выше информации – это сложный и трудоемкий процесс, требующий специализированного программного обеспечения и привлечения специалистов из различных областей. Оптимизация схемы кустования месторождения в первую очередь опирается на оптимизацию траекторий проектируемых скважин. Разумно предположить, что не только приведенная информация влияет на проектные траектории, но и наоборот, траектории влияют на исходные компоненты.
Например, при прочих равных условиях, кустовую площадку выгоднее расположить там, где суммарные затраты на строительство скважин куста будут минимальными, а риски останутся приемлемыми. Итоговое проектное решение должно, как минимум, быть сбалансированным и, предпочтительно, наименее затратным, но при этом подходы к проектированию могут быть различны.
Кусты скважин приближенно можно представить в виде конуса или пирамиды, вершинами которых являются кустовые площадки, а основаниями - окружность или многоугольник, размеры которых определяются величиной сетки разработки и возможностью смещения забоев от вертикали при бурении наклонных скважин. Количество скважин в кусте, помимо сетки разработки, наличия одно- или многопластовых залежей и других факторов, определяется технически возможными отклонениями забоев наклонных скважин.
Отметим также, что при разбуривании многопластовых месторождений число скважин в кусте может пропорционально увеличиваться. При расположении кустов вдоль транспортной магистрали число скважин в кусте уменьшается по сравнению с одним локальным кустом.
В зависимости от выбранного варианта расположения устьев в кусте объем подготовительных, строительно-монтажных и демонтажных работ может изменяться в самых широких пределах.
Кроме того, от выбранного варианта расположения устьев в кусте зависят размеры отчуждаемой территории, что очень важно для обжитых районов.
Характер расположения устьев скважин на кустовой площадке играет большую роль и при эксплуатации скважин. При бурении скважин на кустовой площадке число одновременно действующих буровых установок может быть различным.
Опыт кустового бурения показывает, что этот метод дает возможность значительно сократить СМР (строительно-монтажные работы), уменьшить объем строительства дорог, линий электропередачи и связи, упростить обслуживание эксплуатируемых скважин и сократить объем перевозок. Наибольший эффект от кустового бурения обеспечивается в условиях моря и в болотистых местностях. В настоящее время кусты скважин становятся крупными промышленными центрами с базами МТС (материально-техническое снабжение), вспомогательными цехами и т. д.
В целом кустовой способ бурения сокращает затраты на обустройство промысла, упрощает автоматизацию процессов добычи и обслуживания, а также способствует охране окружающей среды при освоении нефтяных и газовых месторождений.
Минимальное число скважин в кусте - 2

. В основном, на нефтяных промыслах России группируют до 16-24 скважин/куст, но есть отдельные кусты, состоящие из 30 и более скважин. Из зарубежной практики известны случаи, когда число скважин в кусте превышает 60. Так, в Калифорнийском заливе в США 68 скважин было пробурено с насыпного острова размером 60×60 м.
Резюмируя вышесказанное, отметим, что бурение скважин кустовым способом имеет целый ряд существенных преимуществ. Прежде всего, это экономически выгодно, так как при этом значительно сокращаются затраты средств и времени на обустройство площадок под скважины, подъездных путей к ним и других коммуникаций, существенно уменьшаются затраты времени на вышкостроение, промысловое обустройство скважин, их эксплуатационное обслуживание и ремонт.
Кроме того, кустовое бурение выгодно и с экологической точки зрения, так как позволяет значительно уменьшить площадь земель, занимаемых под буровыми, а также снизить затраты на природоохранные мероприятия. Однако широкое развитие кустового способа бурения потребовало разработки новых технологий направленного бурения, новых технических средств и оборудования.


2 Особенности проектирования и бурения скважин с кустовых площадок
Важным научным аспектом бурения вот уже на протяжении сорока лет является максимальное увеличение научной отдачи в процессе исследования скважин. Эта философия также распространяется и на проектирование скважин [8, с. 39].
Инновационные технологии и новейшие технические решения позволяют дать практические рекомендации по бурению сложных месторождений в тяжелых условиях, как новых, так и выработанных, выбрать оптимальное оборудование для бурения и добычи, осуществить эффективный контроль за разработкой месторождения. Безусловный интерес для бурения в тяжелых условиях представляют новейшие технологические достижения и практические рекомендации, связанные с бурильными трубами и компонентами бурильной колонны.
К примеру, в [4] предложено применение ударно-вращательного бурения скважин с помощью пневмоударника на базе мобильной буровой установки для бурения верхних секций скважин при кустовом бурении. Предлагаемая технология позволяет ускорить получение готового коммерческого продукта, а также достичь существенных экономических результатов.
Так, кустом скважин следует считать группу скважин, устья которых расположены на общей кустовой площадке и удалены от другого куста или одиночной скважины на расстояние не менее 100 м. [3] Кустовая площадка, в свою очередь, - это инженерное сооружение, геометрические размеры и эксплуатационная характеристика которой должны обеспечивать размещение необходимого комплекса оборудования и производство операций: монтаж, передвижку и демонтаж буровой установки (БУ), бурение и освоение скважин, обвязку скважин и их эксплуатацию.
Традиционно создание схемы кустования базируется на заданной сетке разработки. Исходя из рельефа и орогидрографии местности, а также с учетом имеющейся и требуемой инфраструктуры вручную задаются местоположения кустовых площадок. При этом возможность взятия цели скважиной с кустовой площадки оценивается по окружности максимально допустимого отхода от устья скважины до цели. Попадает цель в окружность заданного радиуса – хорошо, цель может быть взята, если не попадает – значит, не может. 
Возможен и другой подход к созданию оптимальной схемы кустования месторождения. Суть этого подхода – формирование областей наиболее предпочтительного расположения кустовых оснований, исходя из возможных траекторий от каждой геологической цели, и уже в местах наибольшего перекрытия этих областей, а также с учетом рельефа и орогидрографии местности определять местоположения кустовых площадок.
Этот подход сложнее алгоритмически и очень требователен к вычислительным ресурсам, поскольку количество расчетов быстро растет с ростом числа целей и узлов расчетной сетки. Процедуру оптимизации упрощает то, что для формирования предпочтительных зон размещения кустовых площадок необязательно рассчитывать точную проектную траекторию каждого возможного варианта. Достаточно формировать вектор значений критериев оптимизации в узлах расчетной сетки, а затем проводить выбор оптимального варианта размещения. 
Очевидным критерием оптимизации является длина траектории – чем она меньше, тем меньше (в общем случае) и затраты. Сложность траектории – другой очевидный критерий оптимизации. От нее зависят риски аварий при строительстве и риски непопадания траектории в цель. Не рассчитав проектную траекторию скважины, сложно точно определить степень ее пространственного искривления, но для решения задачи оптимизации необязательно знать точные значения критерия, достаточно чтобы эти значения можно было сравнивать.
Основное преимущество этого подхода – возможность без участия человека рассчитать и предложить вариант оптимального размещения кустовых площадок по заложенным критериям. 
Описанный подход имеет один существенный недостаток: при автоматическом размещении кустовых площадок будут оставаться неохваченными отдельные геологические цели. Очевидным выходом является внесение корректировок в предложенный автоматический вариант. Вариантов схемы кустования может быть несколько, они, возможно, будут близки по оценкам, и только эксперт сможет объективно оценить и предпочесть тот или иной вариант.
Схема кустования, построенная по сетке бурения, рельефу местности и объектам инфраструктуры, сама являясь объектом оптимизации, может рассматриваться как один из критериев оптимизации для исходных данных. Например, проанализировав проектные траектории схемы, можно заметить, что несущественный сдвиг или поворот некоторых целей горизонтальных скважин приведет к существенному упрощению траекторий и уменьшению их длин. И подстраивая сетку разработки к траекториям, можно добиваться еще большей оптимизации проектного решения в целом.
Оптимальное направление движения станка (НДС) (рисунок 2) необходимо планировать. При бурении скважин с кустовых площадок в связи с тем, что устья скважин располагаются близко друг к другу, возможны тяжелые аварии, связанные с пересечением стволов двух скважин. Для предотвращения этого явления при проектировании необходимо учитывать ряд дополнительных факторов. Основной принцип проектирования состоит в том, что в процессе бурения стволы скважин должны отдаляться друг от друга. Это достигается, во-первых, оптимальным направлением движения станка (НДС) на кустовой площадке, во-вторых, соответствующей очередностью разбуривания скважин и, в-третьих, безопасной глубиной зарезки наклонного ствола.

Рисунок 2 - Направление движения станка (НДС)
После определения НДС производится проектирование очередности бурения скважин. Она зависит от величины угла, измеряемого от НДС до проектного направления на забой скважины по ходу часовой стрелки. В первую очередь бурятся скважины, для которых этот угол составляет 120…240° (I сектор), причем сначала скважины с большими зенитными углами (рисунок 3).
14547856350


Рисунок 3 - Очередность разбуривания скважин с кустовой площадки
Во вторую очередь – скважины, горизонтальные проекции которых образуют с НДС угол, равный 60…120° и 240…300° (II сектор), и вертикальные скважины. В последнюю очередь бурятся скважины, для которых указанный угол ограничен секторами 0…60°, 300…360° (III сектор), причем сначала скважины с меньшими зенитными углами. Глубина зарезки наклонного ствола при бурении скважин I и II секторов для первой скважины принимается минимальной, а для последующих – увеличивается.
Во II секторе допускается для последующих скважин глубину зарезки наклонного ствола уменьшать только в том случае, если разность в азимутах забуривания соседних скважин составляет 90° и более. Для скважин III сектора глубина зарезки наклонного ствола для очередной скважины принимается меньшей, чем для предыдущей. [1, с. 132]
Расстояние по вертикали между точками забуривания наклонного ствола для двух соседних скважин, согласно действующей инструкции, должно быть не менее 30 м, если разность в проектных азимутах стволов составляет менее 10°; не менее 20 м, если разность азимутов 10…20°; и не менее 10 м во всех остальных случаях. Непосредственно в процессе бурения для предотвращения пересечения стволов необходимо обеспечить вертикальность верхней части ствола. Даже небольшое искривление в 1…2° на этом участке, особенно в направлении движения станка, может привести к пересечению стволов.
Для предотвращения искривления необходимо проверить центровку буровой вышки, горизонтальность стола ротора, прямолинейность всех элементов КНБК, соосность резьб