При традиционном бурении, то есть при бурении на репрессии поддерживается режим превышения гидростатического давления столба промывочной жидкости в скважине над давлением в пласте. При циркуляции давление бурового раствора на забой увеличивается по сравнению с его давлением в неподвижном состоянии. Это вызвано силами трения, возникающими при движении жидкости в затрубном пространстве.
На стадии проектирования плотность бурового раствора подбирают по следующим условиям:
- в статическом состоянии давление столба жидкости должно превышать давление пластового флюида и обеспечивать устойчивость стенки скважины, предотвращая этим газонефтеводопроявления (ГНВП) и разрушение ствола;
- в динамическом состоянии давление бурового раствора не должно превышать давления гидроразрыва пласта для исключения возникновения трещин с последующим поглощением.
Как известно, пластовое давление увеличивается с глубиной. Нормальное пластовое давление возрастает через каждые десять метров примерно на 0,1 МПа, или на одну атмосферу. Однако из-за особенностей геологического строения и температурного фактора в разрезах могут встречаться зоны с аномально высокими и аномально низкими пластовыми давлениями.
Когда в процессе проходки вскрываются горизонты с аномальными давлениями диаграмма изменения давления с глубиной или пьезометрический график сдвигается и операционное окно сужается. При этом, из-за появления интервалов с аномально высокими давлениями плотность раствора приходится увеличивать, чтобы не допустить ГНВП в статическом состоянии. Но при возобновлении циркуляции происходит рост забойного давления, и оно начинает превышать давление разрыва пласта, что приводит к поглощению бурового раствора. Как правило, в таких случаях экономически целесообразным решением является спуск промежуточной обсадной колонны.
Инновационным подходом при бурении в условиях узкого окна градиентов давлений и нестабильной циркуляционной плотности стало бурение с управляемым давлением – Managed Pressure Drilling (MPD). При MPD регулируется профиль давления раствора по всему кольцевому пространству ствола скважины, как в статическом, так и в динамическом состоянии.
Технология MPD позволяет производить бурение в интервалах с аномальными пластовыми давлениями при минимальных рисках появления осложнений, что исключает необходимость установки промежуточных обсадных колонн.
В данном примере используется буровой раствор с плотностью меньшей, чем градиент пластового давления. На диаграмме видно, что при MPD забойное давление остается неизменным, как в статическом, так и в динамическом состоянии раствора.
Для регулирования и контроля забойного давления буровая установка оборудуется закрытой, герметизированной системой циркуляции (ГСЦ).
ГСЦ используют также при бурении скважин на депрессии. Подробнее о ГСЦ можно почитать в статье: «ГСЦ».
Управление потоком бурового раствора и точный контроль забойного давления производится с помощью дроссельного блока. При полностью открытом регулируемом клапане на нагнетательной линии изменяют сечение регулируемого штуцера дроссельного блока на линии выхода раствора из затрубного пространства. Разницей в расходе бурового раствора на входе и на выходе из скважины и обеспечивается изменение гидродинамического давления столба жидкости на забой.
Для MPD используют буровые растворы с меньшей плотностью, чем значения градиентов пластовых давлений. Плотность многофазного раствора изменяют введением в него газообразного азота. При бурении интервалов с аномально низкими пластовыми давлениями применяют товарную азотированную нефть, как и при бурении на депрессии.
Базовый комплекс оборудования для бурения на управляемом давлении состоит из роторного устьевого герметизатора (РУГ), дроссельного блока, трехфазного циклонного сепаратора, эжектора, азотно-компрессорной станции, факела для сжигания попутного газа.
Бурильная колонна оборудуется обратными клапанами для удержания давления азотированного раствора в затрубном пространстве и для предотвращения выхода азота по бурильным трубам.
Роторный устьевой герметизатор (РУГ) или вращающийся превентор устанавливается на блок превенторов и служит для автоматической герметизации устья скважины вокруг любой части бурильной колонны. В том числе вокруг ведущих и утяжеленных, а также замковых соединений бурильных труб, при их вращении, расхаживании, наращивании и спускоподъемных операциях.
Подробнее о РУГ и технологии бурения на депрессии можно почитать в статье: «Бурение на депрессии».
Бурильный инструмент оборудуется датчиками измерения давления в процессе бурения. Приборы фиксируют давление внутри колонны и в затрубье, и передает данные в режиме реального времени с помощью телеметрии в программное обеспечение для расчетов. Программа «MPD Control», используя эти данные и данные с датчиков дроссельного манифольда, насосов, компенсационной емкости корректирует гидравлические параметры модели расчета.
Система MPD управляется с панели контроллера. На главной странице программы выкладывается состояние системы и аномалии при проходке. Бурильщику предлагаются варианты действий при обнаружении поглощения, проявления или ненормального давления в скважине. Также бурильщик может самостоятельно принимать решения и управлять системой вручную.
MPD целесообразно при бурении в разрезах с узким операционным окном, где кривые градиентов пластовых давлений и давлений гидроразрыва сближены. В таких разрезах незначительные колебания плотности бурового раствора могут вызывать или поглощения, или ГНВП. Также уместно применение MPD в случаях, когда трудно выявить наличие или признаки «зон узкого окна», из-за недостаточной изученности геологии участка.