ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ПОДЪЕМА КЕРНА ПРИ БУРЕНИИ
ГЛУБОКИХ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН
А. МЕССЕР, генеральный директор Центра инженерного сервиса в бурении
До настоящего времени качественный керн, извлекаемый при проходке глубоких разведочных скважин, является лучшим материалом, на основании изучения которого можно судить о перспективах разработки будущих нефтегазовых объектов эксплуатации.
Серьезное отставание России от ведущих фирм мира в реализации объемов разведочного бурения в условиях гидродинамического равновесия на забое глубоких скважин, отсутствие собственных разработок и высокая стоимость зарубежных систем проведения каротажа и систем контроля бурения на равновесии в еще большей степени увеличивают ценность высококачественного кернового материала.
В силу ряда объективных факторов в стране сложился далеко не оптимальный подход к выбору инструмента для отбора керна.
Первый настоящий снаряд отбора керна при роторном бурении с циркуляцией промывочной жидкости, керноприемной трубой и алмазной бурильной головкой был спроектирован, запатентован и широко использован в 1860 г. во Франции. В очень крепких породах вынос керна приближался к 100%.
Большие работы по модернизации керноотборных снарядов в 1920 г. начала компания Shell Oil Company (Royal Dutch). В том же году к этим работам подключились ведущие нефтедобывающие фирмы США. За два года грунтоноска была установлена на подшипник, что обеспечило ее относительную неподвижность. В грунтоноске появился перепускной клапан. На корпусе снаряда стали устанавливаться спиральные стабилизаторы. Появился сдвоенный кернорватель. Наряду с алмазными начали испыты-ваться четырех- и шестишарошечные бурильные головки. Внутренняя поверхность керноприемной трубы, изготовленной из нержавеющей стали, доводилась до зеркального блеска.
Затем керноприемную трубу снабдили головкой под овер-шот, а ее габариты привязали к стандартным бурильным трубам, что позволило использовать при отборе керна съемные грунтоноски. В таком виде керноотборные снаряды просуществовали в зарубежном роторном бурении до 1965 г.
Отечественная промышленность до 1949 г. копировала не самые лучшие образцы керноприемных снарядов, производимых фирмами США. Корпус снарядов изготавливался из бурильных труб, стабилизаторы на корпусе не устанавливались, со съемными грунтоно-сками практически не работали (выпускался только один тип снаряда со съемной грунтоноской - ДБК2, но не изготавливались подъемные лебедки). Производились только шарошечные бурильные головки с высокой установкой керноприема. Проходка на такую головку составляла 3-5 м при выносе керна, редко превышавшем 30%. О качестве керна также говорить не приходилось; в мягких породах и пластах-коллекторах его вообще не могли отобрать.
В 1949 г. по инициативе Н. К. Байбакова при Министерстве нефтяной промышленности было создано СКБ-2 для совершенствования керноотборного инструмента. По инициативе и под руководством Р. А. Иоаннесяна и М. Т. Гусмана была
начата работа по созданию турбодолот с полым валом для отбора керна. Это стало началом создания принципиально новых инструментов, которые в 1953-1955 гг. вытеснили из отечественной практики роторные компоновки для отбора керна.
Турбодолота были запатентованы во всех ведущих странах мира. Однако в первые годы их внедрения из-за отсутствия алмазного сырья турбодолота использовались только с шарошечными бурильными головками. В результате наблюдалась высокая аварийность инструмента (оставляли шарошки на забое) и относительно невысокий процент выноса керна. Колоссальный потенциал, заложенный в самой схеме турбодолота, не использовался и после открытия Якутских месторождений алмазов.
Впервые отечественный турбобур начал работать с алмазными долотами фирмы Christensen во Франции на месторождении Lack, где достигли выдающихся результатов по суточному темпу углубления ствола скважины. Стала очевидной необходимость использовать этот опыт в отечественной практике бурения.
Авторы турбодолота и энтузиасты турбинного бурения с применением алмазных долот в 1960 г. были отстранены от руководства работами. Начались десятилетия тотального копирования опыта США в области создания шарошечных долот и бурильных головок. При этом не учитывалось, что около 99% всей проходки с отбором керна в США, Канаде, Саудовской Аравии, Объединенных Арабских Эмиратах и Западной Европе осуществляется с применением алмазных бурильных головок. Основной целью проводимых работ оставалась минимизация стоимости операций без учета качества отбираемого керна.
В 1963 г. во ВНИИБТ (правопреемнике СКБ-2 и ВНИИбурнефти) под руководством Я. А. Эдельмана была создана лаборатория колонкового бурения и инструмента. Основное внимание в разработках уделялось созданию снарядов для роторного бурения и увеличению диаметра керна как основного фактора, позволяющего увеличить процент его выноса при использовании многошарошечных бурильных головок, при которых съемная грунтоноска становилась ненужной. При роторном способе бурения алмазные бурильные головки резко уменьшали суточный темп углубления ствола скважины. Их применение требовало более тщательной подготовки ствола, очистки забоя от металла. Даже в конце 70-х гг., когда алмазное сырье перестало быть дефицитным, ежегодный объем отбора керна с использованием алмазных бурильных головок (при проходке скважин на нефть и газ) не превышал 1,5%.
До начала 80-х гг., когда в западном мире началось развитие кустового наклонно-направленного и горизонтального бурения, основная часть проблем, связанных с отбором качественного керна, была решена. Большая часть скважин заканчивалась долотами диаметром 215,9 мм. При этом бурильные колонны комплектовались, как правило, стальными стыкосварными трубами диаметром 127 мм с замками типа FH, что позволяло отбирать керн диаметром 60 мм, используя съемные грунтоноски.
При работе снарядами с несъемными грунтоносками в основном отбирали керн диаметром до 102, а иногда и 127 мм. При этом извлекали колонку керна длиной до 18 м. Алмазные бурильные головки обеспечивали высокое качество керна. Его незначительная раздробленность обеспечивала подъем отдельных кусков керна, длина которых редко не достигала 1 м, что гарантировало отсутствие их заклинки в керноприемной трубе. Алмазные бурильные головки обеспечивали более высокую
Керноприемное устройство: 1 — регулировочная головка; 2 — узел подшипников подвески; 3 — корпус; 4 — керноприемник; 5 — шар
механическую скорость бурения в 1,5-3 раза по сравнению с алмазными долотами (из-за отсутствия "мертвого" центра).
Если раздробленность керна была слишком большой, и он заклинивался внутри керноприемной трубы, использовались снаряды с эластичными керноприемными трубами.
Бурение скважин с выводом их стволов на зенитные углы в 700 и тем более на горизонталь усложнило их конструкции. Для заканчивания скважин стали применяться долота диаметром от 171,45 до 120 мм. Уменьшение диаметра отбираемого керна, изменение угла напластования пород относительно оси керноприем-ной трубы и необходимость частого отрыва бурильной головки от забоя для проработки ствола и борьбы с прихватами компоновки низа бурильной колонны существенно увеличивали раздробленность керна, приводили к сдвигу его частей по наклонной плоскости относительно оси керноприемной трубы. Вследствие этого происходила заклинка керна, что делало невозможным его дальнейший отбор и практически останавливало проходку ствола при недоработанной бурильной головке. Отбор качественных образцов керна именно из этих интервалов представляет особую ценность. Примерно с середины 60-х гг. по заказам главных нефтедобывающих фирм компаниями Christensen и Diamant Board были созданы снаряды для ориентированного отбора керна и отбора керна в керноприемную трубу - камеру высокого давления, позволяющую сохранять керн в состоянии, в котором он находился в стволе скважины в момент отбора. Ориентированно отбираемый керн давал возможность определять не только угол напластования пород, но и направление их падения. Эти качества керна очень ценны при бурении разведочных скважин.
Чтобы использование этих снарядов вошло в практику разведочного бурения, необходимо полностью ликвидировать дробление керна и его заклинку в керноприемной трубе. Первый шаг в этом направлении был сделан, когда в разведочном и кустовом бурении в море стали внедрять буровые установки с верхним приводом, позволяющим пробурить 27 м ствола скважины, ни разу не отрывая инструмент от забоя.
Наши исследования показали, что существуют и другие факторы, которые способствуют большой раздробленности керна, существенно снижая его товарное качество даже в случаях, когда его процентный вынос относительно высок.
Главным фактором являются поперечные колебания компоновки низа бурильной колонны и их большая амплитуда. Другим, не менее существенным - относительно низкочастотные продольные колебания компоновки с большой амплитудой.
До настоящего времени эти факторы не изучались. Для оценки их влияния пришлось создать стендовые установки и отработать методологию исследований керноотборного инструмента в лабораторных условиях.
Основной акцент при этом был сделан на физико-механических свойствах горных пород, диаметре отбираемого керна, применяемой технике и технологии бурения.
Основа методики, разработанной автором, - использование моделей породоразрушающего инструмента и его отдельных элементов с соблюдением критериев подобия.
Данной методикой предусматривается использование натурных блоков горной породы и искусственного металлического забоя, натурных образцов керна, а также металлической колонки, имитирующей натурный образец керна.
Применение различных по своим характеристикам забоев скважин, а также моделирование условий взаимодействия элементов бурильных головок с керном позволили установить основные конструктивные факторы, определяющие динамику работы бурильных головок и их воздействие на керн.
Автором использовались возможности шести экспериментальных установок, оснащенных необходимым комплексом регистрирующей аппаратуры и уникальными датчиками.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.