Роторное бурение

РОТОРНОЕ БУРЕНИЕ — разновидность вращательного бурения, когда породоразрушающий инструмент (долото), которым осуществляется углубление забоя в скважине цилиндрической формы, получает вращение через колонну бурильных труб от ротора буровой установки. Впервые роторное бурение было применено в США в конце 80-х гг. 19 века и велось лопастными долотами с промывкой глинистым раствором. В России роторное бурение было впервые использовано в 1902 в Грозном.  
 
Оборудование для роторного бурения включает вышку, буровую установку с приводом, ротор, буровые поршневые насосы, вертлюг (через него насосы подают промывочную жидкость в бурильную колонну), талевую систему, состоящую из кронблока, блока и крюка, на который в процессе бурения подвешены вертлюг и бурильная колонна, систему очистки промывочной жидкостью, включающую вибросита, желоба и гидроциклоны, приёмные и запасные ёмкости. Кроме стационарных имеются передвижные роторные буровые установки, всё оборудование которых (кроме систем очистки) размещено на платформе автомашины или прицепа, что обеспечивает их манёвренность.  
 
Ротор получает вращение от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания через приводной вал. Вращение вала конического зубчатой передачей ротора трансформируется во вращение стола ротора относительно оси скважины. В столе ротора установлены т.н. ведущие вкладыши, которым передаётся вращение стола ротора. Внутри ведущих вкладышей устанавливаются ведущие вкладыши (меньших размеров), внутреннее сечение которых соответствует сечению верхней рабочей трубы бурильной колонны. Форма сечения рабочей трубы бурильной колонны может представлять квадрат, шестигранник, крестовину и т.д. Аналогичную форму должно иметь внутреннее сечение рабочих вкладышей, вращающих верхнюю рабочую трубу бурильной колонны. Основную часть бурильной колонны составляют бурильные трубы. Между ними и долотом устанавливаются утяжелённые бурильные трубы (УБТ), масса которых должна обеспечивать необходимую нагрузку на долото в процессе роторного бурения и работу труб в растянутом состоянии.  
 
Рабочая труба бурильной колонны в своей верхней части присоединяется к вертлюгу, через который по гибкому шлангу подаётся промывочная жидкость в бурильную колонну и далее через насадки долота на забой.  
 
Спуск и подъём бурильной колонны из скважины для смены долота осуществляется свечами, состоящими из нескольких бурильных труб. Длина свечи 25-50 м в зависимости от глубины бурения и высоты буровой вышки. Для ускорения процесса свинчивания и развинчивания свечей бурильные трубы оснащаются замками, имеющими конические соединительные резьбы. Под влиянием осевой нагрузки, создаваемой массой УБТ, долото при вращении разрушает породу. Промывочная жидкость охлаждает долото, очищает забой от шлама разбуренной породы и через кольцевое пространство между бурильной колонной и стенками скважины выносит шлам на поверхность. Промывочная жидкость после очистки от шлама (и дегазации, если в этом есть необходимость) поступает в приёмную ёмкость и вновь подаётся в скважину. Пробурив с поверхности Земли 30-600 м, в ствол скважины спускают первую обсадную колонну для крепления верхнего интервала. Первая обсадная колонна (т.н. кондуктор) предназначена для перекрытия слабых неустойчивых пород или возможного притока воды.  
 
После спуска колонну цементируют, т.е. закачивают цементный раствор в кольцевое пространство между обсадными трубами и стволом скважины. После затвердения цемента роторное бурение продолжают долотом меньшего диаметра, которое проходит внутри обсадной колонны.  
 
В зависимости от геологических условий и сложности проходки скважины ствол её может обсаживаться не одной, а несколькими обсадными колоннами, причём каждая последующая колонна меньшего диаметра опускается на большую глубину. Последняя обсадная колонна в нефтяных, газовых, а также гидрогеологических скважинах называется эксплуатационной. Низ эксплуатационной колонны перфорируется. Через перфорированные отверстия нефть, газ или вода из продуктивного горизонта поступает в эксплуатационную колонну.  
 
В современной практике роторного бурения значительно расширился арсенал промывочных жидкостей. Применяются растворы, обработанные различными химическими методами, полимерные и аэрированные растворы, нефтяные эмульсии, в т.ч. инвертные, вода. В ряде случаев целесообразно вести роторное бурение с продувкой забоя воздухом или газом. Последнее особенно целесообразно при вскрытии продуктивных горизонтов с низким пластовым давлением. Эффективность роторного бурения особенно повысилась в последние десятилетия с появлением струйных шарошечных долот, долот с шарошками, армированными твердосплавными штырями и долот с герметизированными маслозаполненными опорами шарошек. В практике роторного бурения получают распространение долота режущего типа, оснащённые сверхтвёрдыми композиционными материалами, естественными и синтетические алмазами и двухслойными алмазно-твердосплавными резцами.  
 
Современные режимы роторного бурения скважин шарошечными долотами в твёрдых и крепких породах характеризуются нагрузками до 1 т на 1 см диаметра долота. Шарошечные долота при роторном бурении могут успешно работать в диапазоне частот вращения от 40 до 200 об/мин. В мягких породах частота вращения более высокая, чем в твёрдых, а нагрузка на долото меньше. При применении режущих долот из сверхтвёрдых материалов нагрузка ещё ниже, а частоты вращения максимально возможные по условиям технологии роторного бурения.  
 
Самая глубокая скважина, пробуренная методом роторного бурения в 1974 в Оклахоме (США), имеет глубину 9583 м. Роторное бурение в США используется как в вертикальных, так и в наклонных скважинах. В CCCP наклонное бурение ведётся только забойными двигателями; в США — комбинированным способом. Прямолинейные участки бурятся роторным способом, а искривления — забойными двигателями.

Применение роторных управляемых систем (РУС) повышает скорость проходки и качество ствола, уменьшает извилистость. Кроме того, РУС уменьшают скручивающие и осевые нагрузки, а также явления подклинки-проворота (stick & slip) по сравнению с наклонно-направленным бурением с помощью забойных двигателей. Выбор роторных управляемых систем обеспечивает возможность бурения более длинных интервалов с равномерным диаметром стволов, что облегчает спуск обсадных труб. Изначально бурение наклонно-направленных скважин высокопроизводительными забойными двигателями (ВЗД) может быть экономически эффективным. Однако различные проблемы, осложняющие заканчивание скважины, могут привести к значительным потерям времени и большим затратам. Обычно проблемы при наклонно-направленном бурении с использованием ВЗД возникают из-за неравномерного диаметра ствола и микроискривлений, которые могут осложнить спуск обсадной колонны. Существует постоянный риск прихвата трубы во время проводки длинных горизонтальных участков скважины с использованием забойных двигателей без вращения бурильной колонны. РУС, использующие технологию направления долота (point-the-bit), помогут избежать такого рода проблем, возникающих при отклонении долота забойным двигателем (push-the-bit).  
По оценкам, 23% от всего мирового объема наклонно-направленного бурения осуществляется с помощью роторных управляемых систем. А это – $3,5 млрд от расчетного объема рынка, равного $15 млрд. И эта доля будет расти в связи с увеличением спроса на направленное бурение. Эволюция РУС привела к появлению моторизованных роторных управляемых систем. Технология предусматривает установку ВЗД в системе для увеличения скорости вращения долота при сохранении точного контроля направления РУС, тем самым исключая необходимость слайдирования.

Система PowerDrive Archer* представляет собой уникальную роторную управляемую систему компании Schlumberger, которая обеспечивает такой высокий темп набора кривизны ствола скважины, который прежде можно было достичь только при помощи двигателей, причем по скорости проходки и качеству ствола скважины она не уступает полностью поворотным роторным управляемым системам. Такая революционная система стабильно обеспечивает высокий темп набора кривизны ствола скважины при любом наклоне – во время полевых испытаний скорость набора кривизны превысила 17°/100 фут. Роторная управляемая система PowerDrive Archer обеспечивает полную управляемость даже при высокой скорости вертикальной проходки независимо от геологических особенностей или профиля скважины, благодаря чему повышается эффективность вскрытия пласта. 
Новая система может бурить скважины со сложной трехмерной траекторией ствола, а также производить зарезку необсаженных боковых стволов при любых углах наклона скважины. Роторная управляемая система PowerDrive Archer RSS была создана на основе хорошо зарекомендовавшей себя технологии PowerDrive X6 RSS, которая позволяет расширить рабочий диапазон при выполнении бурения в сложных условиях. 
Все внешние компоненты вращаются, что снижает риск механического или дифференциального прихвата, а также улучшает качество ствола скважины, облегчая процесс ее заканчивания. 
Роторная управляемая система сохраняет вертикальное положение до большой глубины даже в крутопадающих пластах, а на горизонтальных участках система способна пройти через сложные перемежающиеся пласты при высоких углах наклона.

      Инновационная технология point-the-bit позволяет повысить промысловое значение скважин, обеспечивая высокое качество ствола и точное размещение скважины при снижении до минимума рисков в процессе бурения. В отличие от стандартных push-the-bit технологий роторная управляемая система Revolution обеспечивает постоянное расположение торцевой части бурового долота под прямым углом к породе и оси проектной траектории скважины.

Роторная управляемая система Revolution, объединенная с системами MWD/LWD, позволяет бурить скважины с самыми сложными 3D траекториями при рабочих температурах до 329°F (165°C) и давлениях до 25 000 фунт/кв. дюйм (173 МПа). Бурение стволов диаметром от 6 до 17 ½ дюймов оборудованием, включающим первую в отрасли роторную управляемую систему с технологией point-the-bit малого диаметра.

• Более ровные стволы скважин упрощают спуск обсадных колонн и обеспечивают более высокое качество каротажа.
• Высокие темпы набора кривизны — до 10° на 100 футов (30 м).
• Более точное размещение скважины и контроль наклонно-направленного бурения.
• Повышенная эффективность бурового долота при разрушении горных пород.
• Замкнутая система контроля с использованием технологии Downlink Commander™.

      AutoTrak Curve™ компании Baker Hughes - революционный инструмент, который способен пробурить вертикальные, изогнутые и горизонтальные участки всего за одну спуско-подъемную операцию, что максимально увеличивает число доступных продуктивных интервалов. Роторно-управляемая система AutoTrak Curve является замкнутой буровой системой, работа которой контролируется с поверхности. Она способна пробурить ствол по любой желаемой траектории и с практически любым углом наклона к горизонту. Новинка, отличающаяся программным управлением, прошла полевые испытания в самых сложных условиях на нетрадиционных месторождениях в Северной Америке. Общая длительность испытаний превысила 10 тыс часов. Сочетая в себе оптимизированную КНБК и буровое долото для достижения максимальной эффективности и вскрытия продуктивного пласта, система AutoTrak Curve способна набирать кривизну со скоростью 15°/100 футов (15°/30,5 метров). Новинка может использоваться вместе с буровыми растворами, в которые добавляется пластозакупоривающий материал (для борьбы с поглощением раствора). Для функционирования системы не требуется наличие перепада давления между затрубным пространством и внутренним пространством трубы. Вдобавок, в инструмент (рядом с буровым долотом) встроен детектор гамма-излучения, что позволяет точно осуществлять геонавигацию.

Эта продвинутая технология экономит время, так как не нужно изменять угол изгиба забойного двигателя, что в результате приводит к более быстрому строительству скважин. Поскольку качество пробуренного ствола увеличивается, ускоряется и время заканчивания скважины, так как обсадную колонну теперь можно быстрее и легче опустить на заданную глубину.

       Sperry Drilling, подразделение компании Halliburton, объявила о появлении на рынке новой роторно-управляемой системы Geo-Pilot® EDL, которая пополнила обширный список автоматизированных систем для бурения, выпускаемых под торговой маркой Pilot™.

Роторно-управляемая система Geo-Pilot EDL 9600 является уникальной, поскольку позволяет бурить скважины большого диаметра с таким профилем, который до появления этой системы мог достигаться только при помощи забойных двигателей. При этом новинка обладает всеми преимуществами роторно-управляемых систем с направлением долота, а именно обеспечивает хорошее качество ствола скважины и высокую механическую скорость проходки. Новая система подразделения Sperry Drilling отличается способностью интенсивно набирать кривизну ствола. Она может использоваться там, где необходимы высокие темпы набора кривизны или там, где рыхлая порода ограничивает такую возможность. Система Geo-Pilot EDL также способна обеспечить достаточно уверенный темп набора кривизны даже при прохождении промежуточных пластов.

Новинка позволяет присоединить подходящее буровое долото для достижения оптимальных буровых характеристик. Система идеально подходит для бурения стволов с большим отходом забоя от вертикали, где требуется последовательный набор кривизны для того, чтобы проходить бурением неглубоко залегающие, мягкие породы. Выбор скважин с такими траекториями стволов повышает эффективность бурения путем снижения требуемого угла отклонения скважины от вертикали. При этом уменьшается трение колонны о стенки скважины, а также ускоряется процесс бурения. С новой роторно-управляемой системой скважина может проникнуть в продуктивный пласт глубже и быстрее, что повышает контакт последней с пластом. Система также позволяет бурить вертикальные, изогнутые и боковые стволы при помощи одной КНБК и без необходимости в дополнительных спусках с забойным двигателем.

Система Geo-Pilot EDL компании Halliburton использовалась в процессе буровых работ на морских и континентальных месторождениях. Диаметр скважин, которые были пробурены при помощи новой системы, варьировался от 212,7 до 444,5 мм. При этом новинка во всех случаях смогла обеспечить уверенный и интенсивный темп набора кривизны стволов, характерный для забойных двигателей. При первом применении системы Geo-Pilot EDL 9600 подразделение Sperry Drilling пробурило 6 стволов, от вертикальных до горизонтальных, показав прекрасную производительность. Интенсивность набора кривизны при операциях составляла 8 градусов на 100 футов (30,5 м), а для особых случаев это значение может быть увеличено до 10 градусов на 100 футов.