Буровые установки с использованием колонн гибких труб Современное состояние и история развития Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Б

А.г.молчанов, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

буровые установки с использованием колонн гибких труб современное состояние и история развития

К настоящему времени оформилось и приняло законченные формы новое нефтегазопромысловое оборудование, которое можно назвать гибридными буровыми установками. Процесс создания буровых нового типа длился в течение последних 4-5 лет, начиная с того момента, когда рядом фирм США и Канады была предпринята попытка впервые объединить в одной установке такие на первый взгляд несовместимые типы установок, как буровую с классической технологией бурения и койлтюбинговые агрегаты. Первая попытка запрячь в одну телегу «коня и трепетную лань» удалась почти сразу, однако потребовалось несколько лет, чтобы отработать особенности технологии работ и определить реальный экономический эффект от использования оборудования нового типа. Результатом этих работ было принятие решения о дальнейшей судьбе оборудования данного типа.

Характерной особенностью гибридных буровых установок (БГУ) является то, что они состоят из узлов и блоков, достаточно хорошо известных и отработанных до высокой степени совершенства. Поэтому говорить о каких-либо существенных рисках при первоначальном внедрении этих установок не приходилось. Основным вопросом были реальные экономические показатели. Нужно отметить, что роль отечественной науки и техники в процессе создания, по существу, нового направления развития буровых установок сводилась к созерцанию. Причем, даже этим пассивным занятием был охвачен достаточно узкий круг специалистов, которые страшно далеки от народа, занимающегося бурением и капитальным ремонтом скважин. Возможно, что в будущем, окруженные внуками и правнуками, люди, в руках которых сегодня находятся отечественные

«финансовые» рычаги, будут вспоминать о том, какую мудрую политику они проводили, возложив все бремя расходов развития новой техники на США и Канаду. Однако в настоящее время наше отставание в области развития нефтегазопромыслового оборудования для бурения и капитального ремонта скважин прогрессирующе увеличивается и составляет 20-30 лет. Это очень много, учитывая то, что нефтяной промышленности около 130 лет. Говоря о появлении нового направления в развитии буровых установок, имеется в виду следующее. Как известно, новым устройством признается такое, которое, будучи собрано из известных элементов, обеспечивает при эксплуатации положительный эффект, величина которого превосходит сумму положительных эффектов, которые дает каждая из его составляющих. Этот подход реализован не только приме-

нительно к технике, но и к технологии бурения. Взглянув на гибридные установки под этим углом зрения, можно сказать о том, что ничего принципиально нового в них нет, вместе с тем объединение известных узлов в одно изделие позволило многократно улучшить его основные показатели — прежде всего сократить время бурения скважин. Необходимо сразу уточнить, что новый тип установок не является панацеей от всех бед, однако технологическая и техническая ниша, которую он может занять, достаточно велика. Бурное развитие койлтюбинговой техники, ориентированной прежде всего на выполнение капитального ремонта скважин, а в настоящее время и на бурение, обусловлено следующими причинами:

• при использовании колонны традиционной конструкции технология выполнения различных операций ремон-

та и бурения подстраивалась под возможности имеющейся техники;

• при использовании колонны гибких труб (КГТ) технологические возможности резко расширились и стали меньше зависеть от техники, соответственно на первый план выдвинулись вопросы использования эффективных технологий.

Основными преимуществами использования КГТ являются:

• возможность надежной герметизации полости скважины при выполнении всех операций бурения — спус-ко-подъемных операций, собственно бурения, вскрытия пласта, исследования пласта и т.п;

• в результате герметизации полости скважины создается возможность выполнять технологические процессы при бурении скважины, исходя из требований, обусловленных конечными целями, а не требованиями безопасности, поскольку она гарантирована -так, например, процесс бурения можно вести в режиме депрессии, не опасаясь выбросов или фонтанирования скважины, процесс вскрытия пласта можно выполнять при забойном давлении, га-

рантирующем исключение кальмата-ции продуктивного пласта;

• возможность непрерывной подачи бурового раствора в колонну гибких труб при спуске и подъеме позволяет свести к минимуму вероятность прихвата, исключить эффект поршневания при высокой скорости подъема и, таким образом, не ограничивать максимальную скорость подъема;

• режимы выполнения этих операций, например, скорость подъема колонны, существенно расширились, за счет использования оборудования более высокого технического уровеня (например, подъем колонны осуществляется с постоянной скоростью до 1 м/с, это означает, что 1000 метров труб поднимается менее чем за 20 минут);

• исключаются трудоемкие работы, связанные со свинчиванием и развинчиванием резьбовых соединений, установкой труб в магазин — это способствует увеличению скорости перемещения колонны труб, а также решает важную социальную задачу — существенно улучшает условия труда бригады;

• повышается надежность колонны бу-

рильных труб, поскольку исключаются резьбовые соединения;

• облегчается контроль состояния колонны за счет использования непрерывно работающих дефектоскопов;

• решаются вопросы экологии, сводя загрязнение окружающей среды до нуля. Все перечисленные положительные эффекты могут быть достигнуты и при использовании традиционной технологии, однако «цена» этих решений будет гораздо выше, чем при использовании колонн гибких труб. Одновременно с этим нельзя не упомянуть основные недостатки техники с использованием колонн гибких труб, которые в буквальном смысле являются продолжением их достоинств:

• в первую очередь КГТ не может вращаться, что вызывает возможность прихвата колонны, особенно при бурении горизонтальных участков скважины;

• низкая жесткость на растяжение-сжатие и кручение приводит к существенным линейным и угловым деформациям колонны и потере устойчивости, в результате чего ось колонны принимает вид спирали;

• малое проходное сечение обуслов-

Скорость

спуска

инструмента

Шкала индикации момента на ключе

Длина колонны

Количество труб

разработка и изготовление нефтяного оборудования, приборов и систем

Цифровая индикация момента на ключе

50% от

установленной нагрузки на крюке

Верньерная шкала (2тс)

«0» или вес колонны при компенсации «0»

Текущая нагрузка на крюке

Установленная нагрузка (100%)

Шкала индикации нагрузки на крюке

ИВЭ-50

СО ЗНАНИЕМ ЛЕЛА

ТЕЛЕФОН: (342) 212-96-65, 219-61-34, ФАКС: С342.) 212-97-65 E-MAIL: V-1336(g)PERMLINK.RU WWW.V-1336.RU

УРЕНИ

ливает высокое гидравлическое сопротивление колонны, что ограничивает подачу бурового раствора; • нагрузка на долото создается инжектором (транспортером), установ-леном над устьем скважины, что еще больше усугубляет процесс потери устойчивости.

Перечисленные недостатки являются органическими для КГТ, однако преодолимыми если и не полно, то в объеме, который позволяет реализовать преимущества данного технического направления. Можно считать, что часть из перечисленных недостатков устранена в гибридных буровых установках (ГБУ), о которых пойдет речь ниже.

Исходной базой для создания современных гибридных установок можно считать буровые койлтюбинговые установки (БКУ), введенные в эксплуатацию в конце 90-х годов. Их компоновка может быть условно названа «линейной», поскольку все основные блоки располагались по одной оси, совпадающей с осью скважины (рис. 1). На первоначальной стадии создания БКУ они предназначались в основном для бурения горизонтальных отводов имеющихся скважин или специально пробуренных установками с традиционной технологией бурения. Скважины заканчивались без выполнения перфорации, на устье монтировалась про-тивовыбросовое оборудование. После этого выполнялись операции прорезки окон, забуривание отводов и собственно бурение горизонтальной части ствола. Принципиально подобная КБУ может использоваться и для бурения вертикального ствола скважины, однако ее эффективность значительно ниже специализированных буровых установок. В то же время использование ком-

плекта обычных и утяжеленных бурильных труб необходимо при прорезке окна и забуривания горизонтального отвода, поскольку эта операция требует обеспечения значительных нагрузок на режущий инструмент. Характерной особенностью КБУ является наличие буровой лебедки и транспортера (инжектора). Первая приводит в действие талевую систему, второй перемещает колонну гибких труб. При работе с колонной гибких труб транспортер накатывается по направляющим к оси скважины. Одновременно с ним перемещается уплотнитель колонны труб и превентор. Последний соединяется с фланцем

таг------- I.

стволовой задвижки, установленной на колонной коловке. В состав комплекса противовыбросового оборудования входят также тройники, обеспечивающие соединение с манифольдом для отвода поднимающегося бурового раствора и линией аварийного глушения скважины.

Основной объем работ, выполняемый КБУ, связан с бурением горизонтальных отводов с использованием колонн гибких труб, поэтому удаление кабины управления на значительное расстояние от устья не приводит к снижению информационного обеспечения бурильщика. Скорее он становится еще более информированным, поскольку имеет в своем распоряжении экраны с показаниями систем, контролирующих нагрузку на долото, профиль ствола скважины, данные системы каротажа, входящей в забойную компоновку. Опыт эксплуатации КБУ позволил выявить основные преимущества создания установок подобного типа и определил направление дальнейших работ, основой которого стала разработка

технологии бурения с применением колонн гибких труб в сочетании с использованием утяжеленных бурильных труб. Такое, казалось бы, очевидное, но не применявшееся ранее техническое решение позволило существенным образом повлиять на показатели бурения вертикального участка скважины, поскольку обеспечило возможность создания осевой нагрузки на долото без использования инжектора. При этом сохранились все преимущества койлтюбинговой технологии. В настоящее время разработаны и эксплуатируются гибридные буровые установки, принципиальным отличием которых является возможность полноценной работы и с традиционной и с колтюбинговой технологией (рис. 2). Нужно иметь в виду, что данные установки не являются результатом простого «прибавления» к буровым установкам барабана для колонны гибких труб и инжектора. Претерпела существенные изменения компоновка и конструкция основных узлов. В конечном счете современная гибридная буровая характеризуется следующими основными признаками:

• например, буровая лебедка существенно сократилась в габаритах, стала автономным узлом с электро- или гидроприводом и размещается непосредственно на мачте буровой. Не исключено, что в дальнейшем она будет располагаться рядом с кронблоком талевой системы в верхней части мачты.

• обязательным является использование верхнего привода. Он установлен на траверсе, перемещающейся по направляющим мачты;

• также обязательным элементом являются устройства, механизирующие или автоматизирующие процесс подачи труб от мостков к устью скважины и наоборот. Для этого используются или манипуляторы, монтируемые на ноге мачты, или транспортеры, установленные на мостках;

• мостки предусматривают только горизонтальное хранение труб;

• мачты установок выполняются П-об-разного типа с высотой, обеспечивающей работу с «однотрубками»;

• общий объем бурового раствора сократился до 15-20 м3, подача буровых

Рис. 1. Буровая установка с колонной гибких труб

насосов существенно меньше обычных буровых установок и может составлять 5-6 л/с., что позволяет выполнять и насосный блок и систему очистки и приготовления раствора достаточно компактными. При этом повысилась степень очистки, в настоящее время достигающая 20-15 мк.;

• для перемещения колонны гибких труб применяются инжекторы грузоподъемностью 45-50 т.с., установленные в средней части мачты над рабочей площадкой;

• основным постоянно работающим элементом колонны бурильных труб являются гибкие трубы с условным диаметром 60, 73 и 89 мм. Использование последних позволяет снизить гидравлические потери до приемлемой величины. Трубы с муф-

' Л-""

¡.а гу ШI J. У \

И 4 .V

Ш у МЛ

AW .

.....■■"■

__^ ~ И*

ТРУБЫ БУРИЛЬНЫЕ

с приварными замками

для геофизических изысканий

при поиске и разведке нефти и газа

ОАО «Завод бурового оборудования» 460026, Россия, г. Оренбург, пр. Победы, 118 Тел.: (3532) 75-68-14, 75-42-67 Факс: (3532) 75-68-19, 75-42-73 E-mail: zbo@pochta.ru http://www.zbo.ru

Рис. 2. Гибридная буровая установка

товыми соединениями используются или как УБТ, или как обсадные;

• все системы буровой имеют блочное исполнение, каждая система является модулем, габариты которого соответствуют габаритам контейнеров (2,3 х 2,7 х 12), что упрощает их транспортирование и монтаж;

• забойная компоновка при бурении вертикальных скважин аналогична применяемой при использовании бурильных колонн традиционной конструкции. При бурении горизонтальных отводов ее дополняют управляемым отклоните-лем, блоком ориентации, каротажным оборудованием, датчиками расхода бурового раствора, подводимого и отводимого из забоя, датчиком усилия на долото. В настоящее время для передачи информации от забойной компоновки и управления ее элементами с поверхности используются беспроводные системы передачи. В первых КБУ для этого использовался кабель, расположенный внутри колонны гибких труб. Вся информация, поступающая с забоя, обрабатывается на ЭВМ и представляется бурильщику на экране дисплея, расположенного на его рабочем месте;

• объем информации, который приходится принимать во внимание бурильщику, а также количество органов управления, которыми приходится оперировать, повышает вероятность появления ошибок, обусловленных человеческим фактором. Для облегчения управления оборудованием в бортовой ЭВМ имеется технологический план проводки скважины и при отклонении от запланированных режимов выдается соответствующая информация. Кроме того, все режимы работы оборудования и параметры бурения через спут-

WWW.NEFTEGAS.INFO

\\ БУРЕНИЕ \\ 25

Б

Рис.3. Расположение основных модулей установки

никовую связь в режиме реального времени передаются на центральный сервер, который обрабатывает их и при необходимости, в случае возникновения нештатной ситуации может обеспечить бурильщика необходимой консультацией. Эта же система, надо полагать, используется руководством компании и для текущего контроля за ходом ведения работ. Таким образом, при создании ГБУ было взято все лучшее и от конструкций буровых с традиционной колонной бурильных труб, и от койлтюбинговых установок. В результате подобные установки могут выполнять весь комплекс

работ, необходимых для бурения скважин любого профиля, реализуя при этом наиболее оптимальную технологию ведения работ. Устройство гибридной буровой рассмотрим на примере установки, разработанной фирмой «Foremost» (Канада) (рис. 3). Установка состоит из нескольких модулей, габаритные размеры которых соответствуют габаритам морских контейнеров и могут транспортироваться автомобилями. Исключение составляет лишь блок мачты и барабана для колонны гибких труб. После монтажа на устье скважины блоки располагаются вокруг скважины. Изменение компоновки отдельных блоков относительно оси скважины позволило сократить общую занимаемую площадь, упростило коммуникации и позволило переместить кабину управления непосредственно к оси скважины. В свою очередь, это улучшило обзорность всех основных узлов из кабины управления. Очень важным является то, что кабина управления расположена непосредственно у устья скважины. Над устьем скважины S располагается кормовая часть модуля мачты А, рабочая площадка А1 которой находится на уровне 4 м над поверхностью земли. П-образная мачта высотой 24,5 м от грунта установлена над скважиной вертикально и не имеет оттяжек. Перемещение мачты в рабочее положение и обратно осуществляется телескопическими гидроцилиндрами. На этом же модуле установлен барабан для наматывания колонны гибких труб, который вмещает в себя 1800 м труб диаметром 88.9 мм (3 1/2"); 3600 м диаметром 73.0 мм (2 7/8"); 5500 м диаметром 60.3 мм (2 3/8"). Грузоподъемность талевой системы 75 т.с. (160 000 фунтов).

Модуль А является основным оригинальным блоком всей установки. Его параметры в основном и определяют характеристику всей буровой. В транспортном положении модуль имеет следующие габариты: ширина 3,6 м, высота 4,6 м, длина 23 м. Давление колес обеспечивает возможность его транспортировки по грунтовой дороге. По дороге федерального значения с твердым покрытием скорость пере-

движения ограничена 100 км/час. Транспортер (инжектор) располагается на консоле, в средней части мачты. Он обеспечивает перемещение колонны гибких труб со скоростью до 0,81 м/с и развивает максимальное усилие до 55 т.с. При выполнении работ, связанных со спуском забойной компоновки, УБТ, обсадных труб, транспортер (инжектор) смещают от вертикальной оси мачты, обеспечивая свободное перемещение верхнего привода. Продольная ось модуля мачты А проходит через ось скважины и совпадает с осью модуля передвижных мостков В, в средней части которого располагается устройство для перемещения труб. По обе стороны от модуля В располагаются стеллажи для обсадных труб В1 и утяжеленных бурильных труб В2. Вдоль модуля А расположены силовой модуль С, включающий два дизеля мощностью 1000 л.с., приводящих в действие два генератора переменного тока, а также блок D, в котором располагаются преобразователи переменного тока в постоянный и системы коммутации. Все основные исполнительные органы буровой приводятся в действие электродвигателями постоянного тока.

Над модулем D располагается кабина Е с пультом управления. Бурильщик, находящийся в кабине, имеет хороший обзор и рабочей площадки с устьем скважины и барабана с колонной гибких труб и верхней части мачты. С пульта осуществляется управление всеми системами буровой установки. По другую сторону модуля А располагается модуль очистки и приготовления бурового раствора F и емкость F1 для затворения раствора. В торцевой части комплекса расположен модуль буровых насосов G. В этом же блоке располагается подогреватель бурового раствора, включающий в себя печь и теплообменник. Подогрев бурового раствора является обязательным при работе буровой при низких и отрицательных температурах, в противном случае резко сокращается долговечность колонны гибких труб. Численность бригады составляет 45 человек, которые живут в благоустроенных вагончиках в непосредствен-

ной близости от буровой установки. Ориентировочная стоимость всего комплекса, по данным фирмы, составляет около 7 млн. долларов США, стоимость блока с мачтой и барабаном составляет около 2-2,3 млн. долларов США. Столь высокие показатели предопределяют интенсивное использование оборудования, чему способствуют не только его высокая надежность, но и продуманная система оплаты бригад, побуждающая их выполнять работы в высоком темпе. В результате бурение отдельных скважин в провинции Альберта Канады выполняется со следующими показателями:

• время развертывания (свертывания) буровой — от момента доставки модулей до начала процесса бурения — не более 2 часов;

• время бурения скважины глубиной 1200-1400 м — 16 часов.

О перспективах дальнейшего развития данного направления можно судить на примере фирмы «Foremost», которая начала заниматься койлтюбинговыми буровыми установками в 1998 г. До на-

стоящего времени было выпущено порядка 38 установок и на 2006-2007 гг. имеются заказы на 20 гибридных буровых установок. Следует иметь в виду, что данная фирма далеко не единственная, которая занимается подобным оборудованием. Характерной особенностью и гибридных буровых установок и койлтюбин-говых буровых является высокий экологический уровень. При проведении всех технологических процессов, начиная от развертывания оборудования и заканчивая вывозом его со скважины, полностью отсутствуют какие-либо разливы топлива, технологических растворов, мусор, повреждение поверхности грунта. Все оборудование в процессе работы находится в идеально чистом состоянии, отсутствуют какие-либо подтеки, нет замасленных поверхностей, сколов лакокрасочного покрытия. После ознакомления с подобной буровой вполне, естественно, хочется повесить на ней табличку «Предприятие высокой культуры труда» и с грустью

возвратиться на родину, размышляя о тех светлых временах, когда и у нас будут такие же, а наверняка и лучшие буровые установки. Рассмотренные гибридные установки могут быть востребованы в нашей стране при разбуривании нефтяных месторождений, находящихся в эксплуатации с целью уплотнения сетки скважин, а также при бурении горизонтальных отводов из имеющихся скважин с целью повышения коэффициента нефтеотдачи. Кроме того, при введении в эксплуатацию новых нефтяных и газовых месторождений, удаленных от освоенных территорий и находящихся в Западной Сибири и на Крайнем Севере, потребуются компактные буровые установки. Они должны иметь модульное исполнение и перевозится вертолетами, при этом численность бригад должна быть минимальной. Этим требованиям соответствуют гибридные установки, которые, помимо технических задач, позволяют решать и экологические, и социальные проблемы.

620142, г. Екатеринбург, ул. Цвиллинга, д. 7 Тел: (343) 260-40-57, 220-82-50 Факс: (343) 269-12-26, 210-11-31 e-mail: zivvv@sky.ru

Отдел маркетинга и сбыта тел: (343) 260-40-55, 220-83-90, 257-90-59 Факс: (343) 269-12-26 e-mail: zivsb@sky.ru

Адрес в Интернете: http://www.ziv.ur.ru