ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Новые методы СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Наиболее существенные проблемы при сверхглубоком бурении связаны с наличием высоких температур и давлений. Эти проблемы, а также некоторые новые методы их решения, предложенные и изу­чаемые в настоящее время, были подробно рассмотрены выше. Те­перь кратко рассмотрим новую технику для роторного бурения, пред­назначенную прежде всего для достижения больших глубин.

Обсадные трубы. Трубы, используемые в настоящее время на нефтяных месторождениях, можно использовать для обсадки скважин глубиной 12 км и более. Необходима разработка таких специальных методов, как спуск обсадной трубы по бурильной трубе до забоя сква­жины, цементирование на месте и последующее извлечение обсадной трубы на поверхность. Такая процедура требуется из-за больших растягивающих усилий, действующих на верхние части длинных ко­лонн обсадных труб в процессе их спуска. Разработаны специальные обсадные трубы с размерами, соответствующими стандартным буро- вымзоловкам для более глубокого бурения. Следует продолжить эти разработки, а также использовать высокопрочные стали в каче­стве материала обсадных труб.

Бурильные трубы. Разработка бурильных труб для обычного бу­рения производится с учетом того, что телескопический ствол мо­жет быть выполнен на глубину более 12 км. Но если буровая голов­ка на больших глубинах начнет заклиниваться (прихватываться), то бурильная труба сможет обеспечить лишь малое дополнительное уси­лие, чтобы снова сдвинуть головку. Поэтому потребовалось созда­ние более прочных сталей для бурильных труб. Разрабатываются трубы из сталей новых марок с различными размерами. В табл. 2.3 приведены максимальные длины обычных бурильных труб, находя­щихся в подвешенном состоянии перед началом деформации под

Действием собственного веса. В табл. 2.4 приведены оптимальные сочетания различных марок сталей и размеров труб, обеспечивающие достижение глубин более 9 км при нагрузке, приложенной к буровой головке ^45 т.

При сверхглубоком бурении из-за нестабильности пород может оказаться трудным и даже невозможным поднять бурильную трубу для смены головок, каротажа или крепления скважины обсадными тру­бами. Одна из новых перспективных технологических разработок за­ключается в использовании длинной бурильной трубы, которая прод­вигается на максимально достижимую глубину, а затем после подъе­ма внутри нее буровой головки на поверхность цементируется на мес­те. После этого бурильная труба выполняет роль колонны обсадных труб и защищает следующую бурильную трубу, которая после проход­ки также становится обсадкой. Такая технология позволит прово­дить бурение даже в пластичных, непрочных породах и доводить те­лескопический ствол до очень больших глубин. Однако Пока это все­го лишь проект, хотя уже сейчас в некоторых продуктивных скважи­нах в качестве обсадных труб используются специально приспособ­ленные для этой цели бурильные трубы.

Буровые головки. Предложено, опробовано и усовершенствова­но много новых методов бурения, из которых следует упомянуть ме­тод искрового разряда (эрозионный), разрушения взрывом, с помощью факе­ла пламени (пламенный), струйного и электрического дробления, пороховой, турбинный (одноступенчатый), плазменный, электродуговой, высокочастот­ный электрический, плавления, лазерные, электронно-лучевой и ультразвуко­вой. Проводится также исследование различных комбигаций этих методов. На фиг. 2.13 приведены скорости бурения в породе средней прочности при использовании этих методов и инструментов.

Современные буровые головки значительно усовершенствованы по сравнению с применявшимися несколько лет назад. Новые голов­ки бура с радиальными подшипниками и пластинками из карбида воль­фрама для дробления породы обеспечили достаточно высокие ско­рости бурения на глубинах 7,5-9,0 км. Подшипники позволяют прод­лить срок службы головок на забое до 50-60 ч даже в таких тяже­лых условиях. Полагают, что с помощью уже имеющихся головок можно достигать глубин до 15 км. В табл. 2.5 приведены средние скорости бурения, проходка на головку и другие данные для некото­рых буровых головок.

Затраты времени при дмене буровых головок. Для самого про­цесса бурения время, затрачиваемое на извлечение износившейся

У Скважина диаметром 381 мм расширена до диаметра 559 мм с по­мощью направляющего долота.

Таблица 2.6

Распределение общего времени бурения, составившего 228 сут, на различные операции при бурении скеажины в Топпи, графство Виктория (шт. Техас) [1]

Доля общего времени, %

TOC o "1-3" h z Бурение и расширение скважины 50

Спуск и подъем бурового инструмента 20

Осмотр и ремонт оборудования 8

Каротаж, взятие проб и т. д. 6 Циркуляция бурового раствора и охлаждение

Ствола скважины 5 Спуск обсадных труб, крепление и цементиро­вание 6 Извлечение инструмента из скважины 1

Головки из скважины, ее смену и установку новой головки на место, является непроизводительным. Но именно эти операции занимают значительную часть общего времени, затрачиваемого при бурении Любой скважины (табл. 2.6).

Множество осложнений в нижней части скважины связано со сме­ной головок. Поэтому основной задачей является исключение этой операции. До сих пор сделать это не удавалось. Имеется много идей и предложений по уменьшению числа операций спуска и подъема бу­рового инструмента и сокращению времени на их выполнение. Сле­дует упомянуть следующие: 1) улучшение буровых головок, заключаю­щееся в увеличении скоростей бурения и времени их службы; 2) со­здание головок, которые могли бы извлекаться и заменяться через бурильную трубу с помощью канатов, и 3) создание средств для подъе­ма более длинных бурильных труб. Например, спуско-подъемные опе­рации займут меньше времени, если бурильную трубу можно наматы­вать на катушку или поднимать частями длиной пол/300 м, а не как обычно длиной в 28 м. Действительное время спуско-подъемных опе­Раций на различных глубинах для одной из самых глубоких скважин мира таково:

Эти комплексные операции проводились на одной и той же уста­новке, однай и той же бригадой рабочих. Поэтому полученные данные можно проэкстраполировать, чтобы определить время, затрачивае­мое на одну такую операцию при глубине 12,2 км. Оно составляет 26-28 ч в предположении, что срок службы головок буров и другие параметры также изменяются линейно (согласно опубликованным в литературе данным, это предположение является ненадежным). Обыч­но бурильные трубы поднимают и спускают секциями общей длиной •v27,4 м, так что на длине-"300 м потребуется одиннадцать остановок и передвижений. Так как соединительные муфты действуют на стен­ки скважин, как поршень на цилиндр, то каждое динамическое воздей­Ствие на бурильную трубу неизбежно приводит к воздействию на всю скважину.

Было установлено, что скважины, бурение которых проводится в очень сжатые сроки, не только являются самыми дешевыми, но при этом возникает наименьшее число трудностей. Увеличение вре­мени бурения часто приводит и к дополнительным трудностям, и к увеличению затрат. Поэтому одной из основных задач при глубоком бурении является сокращение времени бурения.

Зависимость между скоростью бурения и общим временем буре­ния. Имеется несколько способов повышения скорости бурения. Так, рабочие скорости бурения при использовании роторного и других ме­тодов в условиях пробного бурения в породах средней прочности со­ставляют 10-60 м/ч. Даже при дроблении и других методах обеспе­чиваются скорости 3-9 м/ч (фиг. 2.13). В специальных испытаниях с помощью водяных струй удалось получить скорости бурения 15-85 м/ч (фиг. 2.14). В соответствии с классификацией буровых голо­вок Американского нефтяного института эффективные скорости бу­рения составляют 40-210 м/ч, но даже при таких высоких скорос­тях бурения действительные эффективные скорости завершения сква­жин оказываются намного меньшими.

Время на бурение скважины Лоун-Стар в шт. Оклахома заняло 540 сут при средней скорости бурения 0,67 м/ч. Согласно некоторым оценкам, для завершения скважины глубиной 12 — 15 км потребуется 5-7 лет, а средняя скорость бурения при этом составитМ),25 м/ч. Но если даже эта оценка является неточной, то все равно время бу­рения не може(т быть меньше половины указанного срока в зависи­мости от места для бурения. Совершенно очевидно, что при столь продолжительном бурении на столь большие глубины даже незначи­тельное увеличение эффективной скорости бурения может привести к значительной экономии.

Секции бурильной трубы увеличенной длины (п • 305 м). При глу­боком бурении в океане длинные колонны бурильных труб могут быть подвешены к специально оборудованной платформе на корабле, и это позволит сократить время спуско-подъемной операции. При бурении на суше большие секции бурильной трубы могут быть подняты цели­ком лишь при условии, что буровая вышка достаточно высока; трубу можно сделать гибкой и наматывать ее на катушку; буровую вышку можно опустить в шахту, обеспечив доступ в забой человека или не­обходимого оборудования. Но до сих пор ни одно из этих предложе­ний не было реализовано. Однако проблемы, связанные с весом стол­ба бурового раствора, можно разрешить путем подбора соответствую­щей плотности этого раствора или с помощью механических средств.

Увеличение скорости спуска и подъема бурового инструмента! зависит от порового давления, вязкости бурового раствора, конструк­ции соединительных муфт и других параметров, которые необходимо учитывать, чтобы избежать динамических возмущений, влияющих на устойчивость скважины.

Влияние уменьшения времени спуско-подъемной операции на об­щее время бурения показано на фиг. 2.15. При глубине 9,0 км на од­ну такую операцию требуется 22 ч, а при больших глубинах это вре­мя возрастает до 1 — 2 сут. Так как с ростом давления и температу­ры снижается срок службы буровых головок, то учащаются операции спуска и подъема инструмента. Поэтому при глубинах 12-15 км око­ло 50% общего времени бурения будет затрачиваться на эти операции. Следовательно, усовершенствование методов спуска и подъема мо­жет оказаться самым решающим фактором в снижении общего вре­мени бурения и соответствующих затрат. Однако из предложенных решений представлено на фиг. 2.15.

При глубине скважины 13,7 км на спуско-подъемную операцию мож­но было бы затрачивать 28 ч при допущении о средней скорости дви-

Фиг. 2.15. Время спуско-подъемных операций бурового инструменте при

Глубине 13,7 км I1J.

Жения бурильной трубы. Увеличивая длину секций трубы, можно умень • шить общее время, затрачиваемое на згу операцию. Использование секций труб длиной-^ 300 м (их можно использовать как при бурении в океане, применяя автоматическое соединение, так и в шахте) поз­волит сократить "время подъема до 8 -16 ч за счет сокращения вре­мени на соединение и разъединение труб и обеспечения постоянных скоростей движения на длинах в несколько сот метров при условии, что проблемы, связанные с буровым раствором, решены. (Поддержа­ние постоянной скорости движения может быть выгодным и для всей скважины.) Дополнительное сокращение времени спуско-подъемных операций можно обеспечить за счет увеличения самих скоростей дви­
жения. Были проведены расчеты для одной скважины при скоростях 0,3- 1,8 м/с, а результирующие давления были представлены экви­валентным удельным весом бурового раствора.

Например, передвижение колонны труб длиной 13,7 км с очень, небольшими остановками в течение б ч может происходить с постоян­ной скоростью 0, 64 м/с. Но это время можно сократить до 5 ч, если применять лучшие конструкции соединительных муфт и поддерживать баланс между поровым давлением и напором бурового раствора. При этом можно сэкономить около 80% времени на спуско-подъемные опе­рации, или 40% общего времени бурения. Если хотя бы часть этого сэкономленного времени превратить в активное время бурения, то об­щая производительность роторного бурения возрастет в 10 раз, доля времени фактического бурения от общего времени бурения увеличит­ся от 2 до 20%, а скорость эффективного бурения от 0,6 до 6,0 м/ч. Причем рост указанных величин может произойти на базе современ­ной технологии. Экономия средств при бурении только одной сверх­глубокой скважины может составить при этом до 10 млн. долл.

При хорошо организованном бурении, продолжавшемся 228 суток и проведенном фирмой "Фалкон-сибод-дриллинг" по заказу фирмы "Амерада-Хесс" в графстве Виктория (шт. Техас), удалось достичь глубины 7,28 км в мягких и средней прочности достаточно нагретых по­родах, имеющих максимальную температуру ~ 270° С. Средняя скорость бурения составляла 1,31 м/ч, а распределение времени на различные операции приведено в табл. 2.6. Проведение бурения при высоких температурах потребовало применения охлажденного бурового раство­ра. Комбинация буровой вышки большой мощности и скважины боль­шого диаметра может быть использована для увеличения эффектив­ного времени бурения современной бурильной установки в 10 раз и, следовательно, для снижения затрат и технических трудностей.

Буровые растворы. В настоящее время существуют две основ­ные разновидности буровых растворов. Наиболее распространены растворы на водной основе. Однако во многих глубоких высокотем­пературных скважинах используется жидкость на основе нефтяных компонентов благодаря ее стабильности при высоких температурах. Изучение буровых растворов ведется в трех основных исследователь­ских центрах фирм в Хьюстоне (шт. Техас), занимающихся их произ­водством, а также в основных исследовательских центрах нефтяных фирм. Целью этих исследований является получение буровых раство­ров для работы в глубоких скважинах при температурах на забое бо­лее 370° С.

Основная трудность при использовании буровых растворов при высоких температурах связана с их способностью сгущаться или за­твердевать на забое глубокой скважины при осуществлении операции подъема и спуска бурильного инструмента. Предложено несколько различных решений этой проблемы: новью устойчивые полимерные буровые растворы на водной основе, новые растворы на нефтяной основе, охлаждение буровых растворов на поверхности и ускорение спуско-подъемных операций.

Любой новый буровой раствор, предназначенный для работы на глубинах 12-15 км, должен стабилизировать диаметр скважины, удалять из нее обломки породы, поддерживать реологические условия для обеспечения наилучших гидравлических условий и быть устойчи­вым к загрязняющим веществам.

Роль буровых растворов, или буровых жидкостей, при глубоком бурении рассмотрена в работе [5]. Авторы этой работы являются сто­ронниками способов, обеспечивающих максимальную скорость буре­ния и снижение непроизводительного времени при бурении. В качест­ве буровых жидкостей с удельным весом 2,34 г/см3, которые стабиль­ны при температурах 400°С и выше, предлагается использовать взве­си тяжелых минералов в масляных жидкостях, стойких к таким высо­ким температурам. Масляные буровые растворы должны уменьшить коррозию бурильных труб и уменьшить вероятность разрушений под действием коррозии под напряжением.

Поровое давление на максимальной глубине может составлять 151 — 344 МПа, а температуры 260- 538°С. Горные породы при таких условиях могут быть подвержены метаморфизму и перекристаллиза­ции. Испытания с различными осадочными породами показывают, что снижение действующего напряжения (когда пластовое давление становится близким к литостатическому) и увеличение температуры приводит к снижению предела прочности пород [6]. (Кроме того, ис­пытания на мраморе при повышенных температурах продемонстриро­вали определенное снижение предела прочности при температурах 300-500° С.) С ростом глубины более серьезной проблемой становит­ся устойчивость буровой скважины. Породы становятся более мягки­ми, но в то же время и более вязкими, или тягучими, и их бурение усложняется.

Из-за продолжительных интервалов времени, в течение которых скважина не закреплена обсадкой, при глубоком бурении стало необ­ходимым обращать особое внимание на проблемы, связанные с боль­шими крутящими моментами и прихватом бурильных труб. Обе эти

Проблемы связаны с качеством бурового раствора, но специальных измерений по определению оптимальных свойств растворов не прово­дилось. Для снижения крутящего момента в водных буровых раство­рах добавляют специальные смазки, эффективные при высоких дав­лениях.

В связи с опасностью прихвата, зависящего от разности между давлением бурового раствора и поровым давлением, а также от пло­щади контакта и трения между бурильной трубой и стенками скважи­ны, стали искать способы его предотвращения. Прежде всего была уменьшена площадь контакта между бурильной трубой и стенками скважины путем применения специальных колец стабилизаторов. Пред­ложено использовать несколько добавок, снижающих трение между бу­рильной трубой и отжатым из водного бурового раствора осадком. Ис­пользование же масляных буровых растворов фактически устраняет проблемы, связанные с прихватом бурильных труб, поскольку отжатый осадок является достаточно тонким, а коэффициент трения •между осадком и покрытой маслом сталью низок.

Особое внимание следует уделять коррозии бурильной трубы при глубоком бурении, так как это связано с трудностью ее извлечения из скважины. Коррозия протекает более интенсивно при высоких тем­пературах. Причем коррозионное действие оказывают не только веще­ства, попадающие в буровой раствор из проходимых пород, но также и обычные компоненты водных буровых растворов, которые разлага­ются при высоких температурах и становятся коррозионно-активными. Поэтому необходимо выполнять согласованную программу контроля и борьбы с коррозией бурильной трубы.

Температурные условия исключают возможность применения бу­ровых растворов на водной основе при сверхглубоком бурении. Крити­ческая температура для воды составляет «/374° С. Реакция компонент тов волных буровых растворов друг с другом и с компонентами прохо­димых пород снижает температурный предел использования таких растворов.

Вынужденный выбор неводной основы бурового раствора в опре­деленной степени затрудняет поиск устойчивой жидкости для высоко­температурных смазок, гидравлических жидкостей и теплопередаю - щих жидкостей. Такие жидкости относятся к классам ароматических или полифеноловых эфиров, ароматических или фосфатных эфиров, ароматических силикатов, силанов и силиконов и, возможно, некото­рых нафтеновых и парафиновых нефтей и галоидзамещенных углево­дородных эфиров. Требуемые взвешивающее и герметизирующие

Свойства могут быть ооеспечены добавлением в высокотемператур­ные смазки сажи и гелей. Однако существующее оборудование непри­годно для испытания таких консистенций в качестве буровых раство­ров, так что все сделанные предложения не имеют экспериментально­го подтверждения.

Цементі и цементирование. В настоящее время имеется обору­дование для цементирования любой колонны обсадных труб при сверх­глубоком бурении. Однако цементирующие материалы следует улуч­шать. Высокие температуры вызывают две значительные трудности при работе с существующими цементами. Первая заключается в том, что цемент быстро схватывается или затвердевает, еще не доходя до места. Вторая трудность, также связанная с высокими температу­рами, заключается в том, что цемент утрачивает свое основное ка­чество — сопротивление сжатию, т. е. при высоких температурах по­нижается его прочность.

Пределы применения каротажного оборудования. Для выявления таких пределов очень интересными оказались результаты, получен­ные на скважине, пробуренной фирмой "Фалкон-сибод дриллинг". На глубинах ниже 6,4 км все каротажное оборудование становилось не­работоспособным из-за высоких температур, хотя определенные труд­ности возникали уже на глубине 4,6 км. Для устранения трудностей на глубинах ниже 3,66 км использовались изоляционные кабели, из­готовленные из тефлона. На глубинах ниже 5,8 км, где регулирование температуры невозможно даже с помощью системы охлаждения буро­вым раствором, каротаж проводился только с помощью полностью теплоизолированных зондов.

Буровые растворы из специальных масляных эмульсий, исполь­зованные на такой глубине, ограничили выбор метода измерения лишь гамма-каротажем. Кроме приборов для каротажа, из-за высо­ких температур пришлось переделывать и приборы для контроля от­клонений. Полагают, что наибольшая температура, достигнутая при бурении этой скважины, составляла 270° С, а трудности, связанные с измерениями скважинными зондами, стали значительными при тем­пературах выше 204°С. Таким образом, необходимо совершенство­вание методов каротажа для проведения измерений в сверхглубоких скважинах, поскольку на каротаж отпускается все меньше времени, чтобы скважина максимально возможное время использовалась для бурения.

В табл. 2.7 приведена типичная рекомендуемая оптимальная про­грамма при использовании различных буровых головок. Серии голо-

Вок соответствуют новой классификации Американского нефтяного института. Программа оптимального бурения "Амоко", созданная в течение почти десяти лет исследований и эксплуатации, может умень­шить риск капиталовложений в бурение скважин. Согласно результа­там, полученным в полевых условиях, действительные затраты могут быть снижены на 15 — 20% при правильном применении такой про­граммы.

Если необходимо оптимизировать процесс бурения скважины, то программу оптимального бурения можно получить на основе большо­го банка данных по бурению и геологии, накопленного при широкой разработке в США нефтяных месторождений.

Именно банк данных является опытной базой, на основе которой Следует проводить оптимизацию бурения. Банк данных позволяет со­ставлять для ЭВМ программу расчета и оптимизации почти всех ос­новных переменных, определяющих процесс бурения данной скважины.

Из этого банка данных программа "Амоко" выбирает параметры скважины и условия бурения, наиболее близкие к проектируемой сква­жине. Выбранные данные затем вводятся в ЭВМ для составления предварительного плана бурения, содержащего наиболее эффектив­ные и экономически выгодные методы, которые следует использо­вать при бурении данной скважины.

Программа дает набор таких переменных, как вес, приходящей­ся на буровую головку, скррость ее вращения, характеристики буро­вого раствора и тип головки. Следуя этому плану, можно со­кратить расходы и время бурения и тем самым значительно повы­сить его эффективность.