Определение положения ствола скважины путем измерения магнитного поля Земли при бурении протяженных горизонтальных скважин в Арктике

Бурение горизонтальной скважины с берега шельфового месторождения на расстоянии 8 км в море глубиной до 1500 м ниже уровня морского дна дает до 40% экономии капитальных и эксплуатационных затрат по сравнению с традиционным бурением со стационарной платформы [1]. Экономическая эффективность подтверждается опытом бурения с суши горизонтальных скважин с большими отходами от вертикали на шельфе о. Сахалин.

Работами В.Ф.Буслаева, С.А.Кейн, В.П.Пяти-брата, И.Н.Василенко, С.О.Урсегова, Д.Р.Молока-нова, В.Л.Вдовенко, В.М.Юдина и др. [2–4], проведенными в Ухтинском государственном техническом университете (УГТУ), обоснована необходимость бурения горизонтальных скважин с отношением толщины пласта h к длине горизонтального ствола L меньше 0,1 (h/L<0,1). Тем самым прослеживается переход от парадигмы XX в. – «Бурить глубже!» (Кольская сверхглубокая скважина СГ-3, глубина по вертикали 12 262 м, начало бурения 1970 г.) к парадигме XXI в. «Бурить вдоль!» (международный проект Сахалин-1: «Роснефть» – 20%, ExxonMobil – 30%, SODECO – 30%, ONGC Videsh Ltd – 20%), скважина О-14, глубина по стволу 13 500 м, отход от вертикали 12 000 м, 2015 г.). Как отметили в компании ОАО «НК «Роснефть», пробурить скважину глубже практически невозможно — О-14 близка к лимиту технических возможностей мировых технологий бурения. А это значит, что изменение парадигмы соответственно должно привести к появлению новой техники и технологии.

В табл. 1 представлено сравнение качественных характеристик бурения вертикальных и горизонтальных скважин [5]. Для сравнения за базовый берется самый мощный в мире вертикальный буровой станок «Ястреб» компании ExxonMobil, работающий на проекте Сахалин-1, для которого достигнут лимит по протяженности скважин из-за несоответствия требованиям парадигмы XX в.

Таблица 1

Сравнение качественных характеристик [по: 5]

№ п/п	Характеристика	Парадигма XX в. – «Бурить глубже!»	Парадигма XXI в. – «Бурить вдоль!»
1	Оптимальное расположение буровой вышки	вертикальное	наклонное
2	Требуемая грузоподъемность для бурения скважины 15 км	500 т	70 т
3	Длина свечей	36 м	100 м
4	Время СПО	92 ч	33 ч
5	Опрокидывающий момент при ветровой нагрузке	10,3 МН*м	4,82 МН*м

Актуальность проблемы

В силу сложности географических, климатических и экологических условий при разработке Арктического шельфа РФ необходимо применение нетрадиционных подходов освоения месторождений. Одним из подходов к освоению арктических ресурсов может стать буровой комплекс с наклонным ставом, разработанный в УГТУ. Буровой комплекс XXI в. позволит обеспечить поиск и разведку полезных ископаемых в массиве горных пород по полусфере с радиусом более 15 тыс. м, исключив или ограничив технологии, связанные со строительством платформ и использованием плавучих буровых установок. Применение комплекса обеспечит максимальную концентрацию хозяйственной деятельности на кустах при поиске, разведке, разработке и транспорте углеводородов, что особенно актуально для труднодоступных районов.

Буровой комплекс включает в себя наземное и забойное оборудование, показатели которого обоснованы промысловыми и теоретическими исследованиями энергетических и нагрузочных характеристик технологического процесса бурения горизонтальной скважины диаметром 140 мм и протяженностью 15 тыс. м с глубиной заложения ствола 1500 м в экстремальных условиях Крайнего Севера [6].

Предлагаемая технология может применяться для кустовой разработки шельфовых месторождений с искусственных островов, особенно это актуально в районах с тяжелой ледовой обстановкой и небольшими глубинами (рис. 1).

Нефтегазовые месторождения Российской Федерации в районе северо-восточного шельфа Баренцева моря, шельфа Печорского и Карского морей и Обско-Тазовской губы сгруппированы по принципу их перспективности для разработки бурением скважин при помощи предлагаемого бурового комплекса с отклонением от вертикали до 15 км.

I. Часть шельфо-	II. Месторожде-	III. Глубина моря
вого месторожде-	ния находятся на	в месте располо-
ния находится на	расстоянии	жения залежи
суше:	до 15 км от берега:	не превышает 25 м:
Песчаноозерское	Поморское	Поморское
Харасавейское	Варандей-море	Полярное
Крузенштернское	Медынское	Медынское
Южно-Тамбейское	Полярное	Приразломное
Утреннее	Каменномысское	Северо-Гуляев-
Хамбейское	Северо-Каменно-	ское
Юрхаровское,	мысское-море	Варандей-море
Тасийское	и др.	Долгинское
Песчаноозерское и др.		и др.

Месторождения сгруппированы по трем категориям:

Месторождение частично находится на суше, а частично – на шельфе. Такое расположение является оптимальным, т.к. позволяет начать разработку континентальной части залежи, а затем, используя готовую инфраструктуру, подключить к разработке и шельфовую часть.

Месторождение находится на шельфе, а его часть располагается в пределах 15 км от берега. Это позволяет разрабатывать залежь сначала с суши горизонтальными скважинами, а затем с

Рис. 1. Схема расположения бурового комплекса на суше и искусственном острове [5].

1 – наклонный буровой комплекс XXI в., расположенный в ангаре; 2 – искусственный остров; 3 – льды; 4 – морская вода; 5 – морское дно; 6 – переход под морским дном с инженерными коммуникациями и трубопроводом; 7 – разработка неглубоко залегающих запасов горизонтальной скважиной; 8 – разработка шельфовых запасов под морским дном.

платформ или искусственных островов непосредственно в море.

Месторождение находится на шельфе на расстоянии более 15 км от берега, но глубина моря не превышает 25 м. Для разработки таких залежей целесообразно использовать кустовой метод строительства горизонтальных скважин с ледостойких искусственных островов по схеме, представленной на рис. 1 [7].

Особенности строительства протяженных горизонтальных скважин

Строительство столь протяженных скважин требует знания точной ориентации компоновки низа бурильной колонны (КНБК), соотнесенной по вертикали (зенитный угол) и истинному северу (азимут). Для получения этих критически важных данных при измерениях в стволе скважины в процессе бурения с использованием забойной телесистемы необходимо иметь данные о направлении гравитационного и магнитного поля Земли в качестве естественной системы координат. В связи с этим при бурении в арктических условиях описанных выше скважин необходимо учитывать отличия и сложности наклонно-направленного бурения. Они заключаются в том, что в высоких широтах мощность горизонтальной составляющей геомагнитного поля снижается, что усугубляет воздействие любых источников погрешностей, которые накопились при проведении измерений.

Принцип работы инклинометрического датчика (зонда) забойной телеметрической системы. Зонд забойной телеметрической системы может в процессе бурения производить замеры для определения зенитного угла и азимутального направления ствола скважины в заданной точке, после анализа работы КНБК инженер по бурению может спланировать дальнейшую работу.

Магнитные датчики должны эксплуатироваться в немагнитной среде, т.е. внутри немагнитной утяжеленной бурильной трубы (НУБТ). В современ- ных зондах используется электронный компас – твёрдый, самостоятельный прибор для инклинометрии ствола скважины, который фиксирует магнитные и гравитационные поля Земли.

Зенитный угол определяется с помощью акселерометра силы тяжести (гравиметра), который измеряет параметры гравитационного поля Земли в осях x, y и z (рис. 2). Ось z расположена вдоль оси инструмента, ось x – перпендикулярно оси z и на одной линии с T-образной прорезью, а ось y перпендикулярна к x и z . По сумме векторных составляющих можно определить зенитный угол.

Рис. 2. Схема сочетания в зонде забойной телеметрической системы акселерометра и магнитометра

Азимут ствола скважины измеряется в зонде телесистемы индукционными магнитометрами. Индукционные магнитометры определяют составляющие магнитного поля Земли ортогонально, т.е. по тем же трём осям, что и акселерометры. По сумме замеров векторных составляющих магнитного поля может быть определён азимут ствола скважины. Магнитометр имеет в своем составе две противоположные обмотки на двух сердечниках из магнитного сплава (рис. 3). При подаче на обмотки

Рис. 3. Принципиальная схема магнитометра (индукционного).

переменного тока создаётся переменное магнитное поле, которое намагничивает стержни из мю-металла (магнито-мягкий сплав никеля (77%), железа (16%), меди (5%) и молибдена или хрома (2%)). Магнитометр обладает исключительно большой магнитной проницаемостью при незначительном внешнем магнитном поле. Любое внешнее магнитное поле, параллельное обмотке, будет обусловливать более быстрое насыщение одной из обмоток по сравнению с другой, а разница во времени насыщения представляет силу внешнего поля.

Применение зондов забойной телеметрической системы позволяет в режиме реального времени передавать с забоя на поверхность навигационные параметры: зенитный угол, азимутальный угол, угол установки отклонителя, напряженность магнитного поля.

Направление напряжённости магнитного поля определяется тремя составляющими по осям X, Y, Z в прямоугольной системе координат (рис. 4). Магнитное поле Земли можно описать и горизонтальной составляющей напряжённости T, магнитным склонением D (углом между T и плоскостью географического меридиана) и магнитным наклонением I (углом между T и плоскостью горизонта).

Рис. 4. Составляющие магнитного поля Земли.

Основной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция B, представляющая собой векторную величину. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением силы, действующей на северный полюс магнита, помещенного в данную точку магнитного поля.

Магнитная индукция связана с напряженностью магнитного поля соотношением:

в = uuJ.

где и – магнитная проницаемость среды; lb – магнитная постоянная.

Исходя из вышеприведённой формулы, можно утверждать, что B~T. В итоге, на практике для определения направления вектора магнитного поля Земли измеряют две его составляющие по оси X и оси Y (в горизонтальной плоскости), а затем вычисляют угол φ на основании следующей формулы

Tv Т sin

tqv = — =-----.

* С01ф

Сложность определения положения ствола в высоких широтах. При меньшей горизонтальной геомагнитной составляющей в арктических широтах присутствует усиливающееся влияние осевых и перекрестно-осевых помех от бурильной колонны и/или воздействия бурового раствора. Компоновки низа бурильной колонны, которые по своим магнитным характеристикам приемлемы в более низких широтах, в арктических условиях могут привести к существенным неточностям.

Магнитное поле Земли можно разделить на три части: основное (внутреннее) поле, переменное (внешнее) магнитное поле Земли и магнитные поля локальных областей внешних оболочек земной коры. Все три компонента присутствуют в измерениях магнитного поля на поверхности Земли.

• 1.    Основное поле Земли образовывается в результате внутреннего магнитного динамо, что приводит к формированию поля диполя. Это самая значимая компонента поля Земли. Наблюдаемые значения поля на поверхности Земли на 90 % состоят из этой компоненты.

• 2.    Магнетизм коры диктуется электромагнитными процессами, протекающими в коре Земли, и остаточным магнетизмом в породах коры. Эти процессы происходят за счет индукции в земной коре от естественных или искусственных электрических полей. Последний вид магнетизма связан с "консервацией" магнитного поля в породе, температура которой опускается ниже точки Кюри (для большинства пород – приблизительно 650°C), сохраняя ориентацию внешнего поля в момент остывания.

• 3.    Переменное магнитное поле, известное также как внешнее, генерируется в ионосфере и магнитосфере и вызвано магнитогидродинамическими процессами, включающими воздействие солнечного ветра, магнитного поля межпланетного пространства и магнитного поля Земли.

Внешнее магнитное поле является источником наибольшего шума в геофизике. Энергия помех внешнего поля намного превосходит энергию шума от техногенных полей [8]. Внешнее поле изменяется в широком диапазоне частот (от 10-4 Гц до 104 Гц) и в большом диапазоне амплитуд (от 10-1 до 103 нТ). Кроме того, амплитуда поля растет с широтой [9], а из-за уменьшения горизонтальной составляющей вектора магнитного поля усложняется определение азимута при помощи зонда забойной телесистемы (рис. 5).

Рис. 5. Схема увеличения погрешности определения азимута с увеличением географической широты.

Магнитные бури могут быть ежедневными, амплитуда поля при этом меняется на сотни нанотесла. Ультранизкочастотные волны, известные также как пульсации, имеют период порядка нескольких минут и могут быть непрерывными в течение дня с амплитудой от 5 до 20 нТ. В области высоких широт поле с амплитудой 50 нТ может менять величину магнитного наклона до 1/3 градуса. Более того, во время магнитной бури возмущения магнитного поля могут привести к изменению угла магнитного склонения на несколько градусов или даже больше (рис. 6).

Рис. 6. График относительного изменения угла магнитного склонения более 7 градусов (5 апреля 2010 г., Аляска).

Отечественный и зарубежный опыт повышения точности геомагнитной привязки при бурении скважин в арктических условиях

Патентный анализ материалов ФИПС РФ показал, что тема в России не затрагивалась и проблема в полной мере не изучена. В период 50 – 70 гг. XX в. разработки велись в области инклинометров. В 70-е – 90-е гг. разрабатывались гироскопы и гироскопические телесистемы. Последние два десятилетия развитие получило направление забойных телеметрических систем (ЗТС). Среди этих работ отсутствуют изобретения, учитывающие воздействие магнитных бурь и других помех на измерение азимутального положения скважины. При этом на первый взгляд, самыми независимыми от магнитного поля могут быть гироскопические телесистемы. Но их использование для бурения горизонтальных скважин с большим горизонтальным участком вызывает серьезные трудности. Самым уязвимым местом является громоздкость конструкции, использование каротажного кабеля и чувствительность к вибрациям. Кроме того, эксплуатационные параметры этих телесистем достигаются за счёт снижения метрологических характеристик.

В связи с этим возникает потребность в изучении зарубежного опыта, который может стать отправной точкой для развития импортозамещающих технологий. В результате анализа зарубежной литературы было выявлено два направления исследований для решения поставленной задачи.

• 1.    Норвежскими учеными проведены исследования [11–12] влияния помех от колонны бурильных труб и экранирующих свойств буровых растворов на точность замера направления вектора магнитного поля телесистемой. Основными причинами повышения экранирующих свойств буровых растворов являются:

• •    Загрязнение в добавках к буровым растворам. Утяжелитель и минеральные добавки могут содержать магнетит, который не должен превышать 0,3 %;

• •    Значительный износ от пневматической подачи добавок к буровому раствору на буровой. Эти частицы сложно удалить с помощью желобных магнитов;

• •    Значительный износ от циркуляции утяжеленных буровых растворов в обвязке и бурильных трубах. Мелкие частицы, которые трудно удалить с помощью желобных магнитов;

• •    Износ внутри скважины. Контакт бурильных труб с обсадной колонной приводит к износу. Стружка (продукты износа) может быть удалена с помощью желобных магнитов.

• 2.    В 2010 г. в Прудо-Бей на Аляске компанией Schlumberger при сотрудничестве с Геологической службой США была основана обсерватория Дед-хорс (DED). В 2012 г. она вошла в международную сеть ИНТЕРМАГНЕТ, а получаемые данные использовались во время бурения на месторождении Никаичук для внесения поправок при геомагнитной привязке в масштабе реального времени. Для расчета углов склонения и наклонения на глубине используются данные, записанные с интервалом в 1 мин и 1 сек, в сочетании с моделями для использования в программах для интерпретации замеров забойной телесистемы.

В результате были разработаны мероприятия, которые реализуются при бурении на Баренцевом море. Отмечается, что при бурении вдоль направления Север–Юг отклонение забоя по горизонтали может достигать до 100 м, а вдоль направления Запад–Восток – до 200 м.

Представленные графики 7 и 8 демонстрируют оперативное применение геомагнитных данных для улучшения точности измерений в процессе бурения. На рис. 7 показано сравнение «сырых» (первичных) данных абсолютного значения вектора магнитной индукции и магнитного склонения с главной моделью магнитного поля, показанной линией 2. Линии 3 выше и ниже линии 2 отображают предельные параметры, определяемые критериями отбраковки данных, которые используются в качест- ве первого этапа контроля качества для обеспечения приемлемой точности измерений. Учитывая непредсказуемый характер отмеченных значений, а также пересечение кривых предельных параметров, выполнение бурения с гарантией качества в данном случае невозможно. Разброс данных может указывать на отказ инструмента, приближение к другому стволу, наличие магнитного минерала в буровом растворе, магнитных осадочных отложений и прочие нештатные ситуации.

На рис. 8 сравниваемые данные о магнитном поле привязываются к измерениям, проводимым в режиме реального времени в DED, а не просто к главной модели. По этим графикам хорошо прослеживается соответствие данных, полученных магнитометрами в ходе внутрискважинных замеров, и измерениями магнитометров в DED. Здесь уже видно, что расхождения в измерениях магнитного поля в скважине вызваны изменениями в геомагнитном поле, что демонстрирует высокую достоверность данных магнитометров для MWD. Очевидно, что остановка процесса бурения не требуется. Корреляция в реальном времени данных, полученных с забоя и обсерватории, показывает высокую надежность системы контроля.

Корреляция между измерениями с забоя и обсерватории дополнительно контролирует данные обсерватории. В частности, корреляция вектора магнитной индукции и угла падения указывает на то, что значение магнитного склонения, полученного из обсерватории DED, может использоваться вместо значения, предоставляемого менее точной главной моделью магнитного поля [10].

Рис. 7. Графики данных ЗТС (1) с привязкой к основной модели (2) и приемлемые пределы (3) [по: 12].

Международная сеть магнитных обсерваторий ИНТЕРМАГНЕТ

Регулярные геомагнитные наблюдения проводятся c целью решения широкого круга задач физики Земли и солнечно-земных связей, радиофизики и экологии, геологии и геологоразведки. Данные повышенной точности от наземной сети магнитных обсерваторий необходимы для привязки спутниковых магнитных измерений. Главным потребителем информации о состоянии геомагнитного поля Земли в РФ остается Российская академия наук и поэтому значительная часть сети магнитных обсерваторий находится в ее ведении. Велика роль РАН в организации этих наблюдений, поскольку она обеспечивает методическую поддержку и технологическое развитие новых измерительных приборов и систем обработки информации. Кроме того, большую заинтересованность в оперативных магнитных данных имеет Гидрометцентр России, в ведении которого также находится ряд магнитовариационных станций. Естественно, непрерывный поток оперативной информации поддерживается круглосуточной работой сети магнитных обсерваторий.

Между тем, в развитых и развивающихся странах сеть магнитных обсерваторий неуклонно расширяется, а методы измерений совершенствуются. Реализован проект ИНТЕРМАГНЕТ по созданию глобальной сети цифровых магнитных обсерваторий. Современный этап развития геомагнитных измерений характеризуется широким внедрением информационных технологий, цифровыми методами регистрации и накопления данных, резким со- кращением времени доступа потребителей к информации, вплоть до выставления данных магнитных обсерваторий в сети Интернет в режиме реального времени. Все это переводит работу обсерваторий и их взаимодействие с потребителями информации на новый качественный уровень, открывая новые области применения геомагнитных данных, например, по проблеме снижения риска от природных и техногенных катастроф. Параллельно растет чувствительность и помехозащищенность магнитно-вариационных наблюдений.

Приборы обсерватории измеряют постоянное магнитное поле Земли и переменное магнитное поле, изменения которого связаны с солнечной активностью. Измерения постоянного магнитного и переменного полей имеют не только теоретическое, но и практическое значение. Их используют военные, связисты, метеорологи и многие другие специалисты. Отслеживая вековой ход магнитного поля Земли и магнитные бури, ученые помогают как науке, так и практике решать свои задачи.

ИНТЕРМАГНЕТ характеризуется следующими особенностями:

• •    Международная федерация институтов, поддерживающих функционирование цифровых магнитных обсерваторий согласно современным стандартам;

• •    Регистрация минутных и секундных данных на многих обсерваториях;

• •    Предварительные (необработанные) данные отправляются в течение 72 ч после регистрации; многие обсерватории отправляют данные в режиме, близком к реальному времени;

  
  
  

• •    Окончательные (обработанные) данные производятся ежегодно, через несколько месяцев после окончания года; некоторые обсерватории подготавливают квази-окончательные данные в течение нескольких месяцев после регистрации.

Минимальный набор инструментов, входящих в комплект согласно требованиям ИНТЕРМАГНЕТ, включает в себя:

• 1.    Феррозондовый магнитометр на немагнитном теодолите (деклинометр/инклинометр) для измерения абсолютных значений магнитных склонения и наклонения;

• 2.    Скалярный протонный магнитометр для измерения абсолютного значения полной напряженности магнитного поля Земли;

• 3.    Векторный феррозондовый магнитометр (вариометр) для измерения вариаций компонент магнитного поля Земли;

• 4.    Система сбора и регистрации данных (аппаратно-программный комплекс), поступающих с векторного и скалярного магнитометров в непрерывном режиме, и их точная временная привязка. [13, 14].

Перспективы освоения арктических ресурсов скважинами с большими отходами от вертикали

На полуострове Ямал филиал ООО «Газпром бурение» "Ухта бурение" осуществляет бурение как наклонных, так и пологих и субгоризонтальных сква- жин. На сегодняшний день одним из самых сложных проектов является бурение разведочной скважины на Крузенштернском лицензионном участке находящемся на побережье Карского моря, а точнее, его залива Шарапов Шар. Конструкцией скважины предусмотрена проводка протяженного пологого участка на шельф Карского моря. Протяженность по стволу скважины составляет 4885 м, отход от вертикали – 3450 м, длина полого участка с зенитным углом 73˚ – порядка 3 тыс. м.

В перспективе возможно бурение подобных скважин и на других месторождениях Ямала. Сегодня широко обсуждается возможность кустового бурения горизонтальных скважин на Харасовей-ском месторождении как на шельф моря, так и на сушу с одного куста до десяти скважин. Сложность профилей скважин обусловлена большими отходами, горизонтальными окончаниями и высокими требованиями к качеству проводки скважин. Основными критериями для них являются требования к таким показателям, как: радиус круга допуска (до 50 м), отсутствие локальных углов перегиба, малая интенсивность набора зенитного и азимутального угла, вскрытие продуктивного пласта в заданной точке входа с целью получения высокого дебита. При данных требованиях погрешность в измерениях даже в 1% может привести к неблагоприятным последствиям в виде непопадания в круг допуска, пересечения стволов скважин и прочее. Ввиду дан- ных факторов количество горизонтальных скважин с каждым годом будет только расти, а требования к ним усиливаться.

Заключение

В процессе бурения наиболее эффективный подход к выполнению расчетов, связанных с позиционированием скважинного ствола обеспечивают технологии инклинометрии. В северных широтах, где требования к точности проводки скважин крайне жесткие, основным препятствием в реализации проектов являются погрешности из-за наличия магнитного элемента при телесистеме. Учитывая наличие таких проблем, как воздействие помех буровой колонны, повышенная солнечная активность и ранее не моделированные аномальные процессы в земной коре, стандартные подходы для использования на самых сложных участках не годятся.

Повышение точности определения положения ствола скважины в высоких широтах должно включать целый комплекс мероприятий: построение карты магнитного поля с высоким разрешением с целью привязки азимутальных замеров телесистемы для учета влияния локальных аномалий магнитного поля; осуществление входного контроля компонентов бурового раствора для исключения попадания в него магнитных частиц; совершенствование системы очистки в целях уменьшения эффекта экранирования; подбор элементов компоновки низа бурильной колонны и учет их влияния на замеры телесистемы, чтобы сократить интерференцию бурового инструмента; контроль вариаций магнитного поля в масштабе реального времени с использованием данных ближайшей магнитной обсерватории или мобильной вариационной станции с привязкой к стационарной, чтобы учесть влияние магнитных бурь.

Для развития отечественной технологии геомагнитной коррекции целесообразно создание на территории Российской Арктики (например на п-ове Ямал) стационарных обсерваторий формата ИН-ТЕРМАГНЕТ. Создание подобных обсерваторий позволит обеспечить точность проводки траекторий и сократить риски пересечения стволов скважин при реализации российских арктических проектов по добыче нефти и газа, число и сложность которых будет расти с каждым годом. Кроме того, для обеспечения массовости и сокращения затрат на геомагнитную коррекцию целесообразно создание вблизи кустов буровых скважин в радиусе 25–50 км мобильных магнитовариационных станций с обязательной привязкой к ближайшим стационарным обсерваториям.