Технология направленного бурения

1. Обзор технологии направленного бурения

Хотя использование направленной (или горизонтальной) технологии бурения, резко возросло с середины 1980-х годов, сама технология восходит к 1891 году, когда был выдан первый патент на сооружение горизонтального участка вертикальной скважины. В 1929 году, впервые по-настоящему горизонтальные скважины были пробурены в Тексоне, штат Техас, многие горизонтальных скважин были пробурены в СССР и Китае в 1950-х и 1960-х г, с ограниченным успехом. Ослабление цен на нефть, в сочетании с необходимостью сокращения затрат и разработку новых скважинных приборов, породило технологии горизонтального бурения в конце 1970-х и начале 1980-х годов.

Рисунок 1 - Виды направленных скважин

Направленно пробуренная скважина определяется как ствол скважины, пробуренный из основного ствола пересекающий потенциально продуктивный пласт. Как правило, это означает, что скважина пробурена как обычная вертикальная, и в заданной точке отклоняется от вертикали так, чтобы ствол скважины входил в пласт примерно параллельно плоскости напластования. В дополнение к направленным скважинам пробуренным с поверхности, направленные скважины могут буриться из горных выработок для дегазации и геологического контроля. В настоящее время существует шесть различных методов, доступных для бурения горизонтальных скважин (Таблица 1), как показано на рисунке 1.

Достоинством горизонтальных скважин является относительно низкие затраты на их сооружение и способность пересекать угольный пласт или систему пластов под прямым углом к направлению напластования. Однако, для бурение и добычи требуется доступ к углю и объектам, которые часто мешают горнодобывающему циклу. Кроме того, требование доступа к углю может ограничить стоимость горизонтальных скважин, из-за ограниченного времени и / или расстояния, они могут быть пробурены опережая добычу. Как правило, горизонтальные скважинам дают от 3-х до 6-и месяцев для добычи.

Различные трудности, связанные с дегазификацией угольных пластов с использованием шахтных вод горизонтальных скважин привела отрасль к использованию гидроразрыва пласта из вертикальных скважин, пробуренных с поверхности для опережающей дегазации угольного пласта.

Сначала многие горнодобывающие компании выразили обеспокоенность тем, что процесс гидравлического разрыва пласта бы повредить целостность кровли шахты, создавая тем самым опасные условия добычи. Эти опасения были в значительной степени развеяны после публикации американским бюро шахт доклада (RI 9083), которое не обнаружило существенных повреждений кровли на 22 участках.

Концепция направленно бурения скважин для дегазации рассматриватся как средство объединения в себе лучших элементов вертикальных скважин и подземных методов горизонтального бурения.

С одного участка вертикальной или почти вертикальной скважины может быть постепенно пробурено несколько горизонтальных участков пересекающих угольный пласт. Несколько горизонтальных скважин для сбора газа могут забуриваться от основного ствола скважины в угольном пласте. Буровая установка может быть ориентирована в ряде других направлений на том же участке скважины, где последовательно могут быть пробурены скважины для дегазации. В этом случае стоимость подготовки и производства будет значительно меньше, так как весь поток газа из большой площади дегазации централизован в одном месте (рисунок 2).

Рисунок 2 - Принципиальная схема предварительной дегазации шахт

Таким образом, направленное бурение устраняет необходимость в подземных газовых шахтах, и может охватить большие участки угля далеко опережая добычу. Направленную дегазационную скважину можно использовать на участках, где для добычи горизонтальные или вертикальные отверстия не применимы и на участках, которые являются неудовлетворительными для других типов дренажа метана.

2. Текущее состояние и исследовательские проекты

2.1 Поверхностные направленные скважины

На сегодняшний день существует ограниченное количество литературных данных о попытках использования направленных скважин, пробуренных с поверхности для получения газа из угля. CDX Gas, LLC в настоящее время проводит направленное бурение - проект на шахте Pinnacle в Западной Вирджинии. Проект нацелен на угольные пласты Pocahontas №3 и №4.

Consol Energy, при поддержке Министерства энергетики США, проводит новаторский пилотный проект в северо-западной Вирджинии, который объединяет технологии направленного бурения с методом повышения нефтеотдачи метана через инъекции CO₂. Consol будет бурить наклонно-направленные скважины с мульти-отводов с поверхности и вводить CO₂ в угольный пласт Питтсбурга после производства метана из пласта около девяти месяцев. Проект будет осуществлять мониторинг расширенного воспроизводства в течение двухлетнего периода.

В то время как отсутствуют опубликованных данных о текущих проектах направленного бурения в угольных пластах, были проведены несколько проектов в 1980 году, которые обеспечивают некоторое представление о потенциале этого метода:

• Upper Freeport Coal. 3-дюймовый пилот дегазационной скважины, авторами которого являются USBM, был пробурен на почти горизонтальной позиции в угольной горизонте Upper Freeport в Грин Каунти, штат Пенсильвания.
• Pittsburgh Coalbed. Другай попыткой с использованием технологии горизонтального бурения для дегазации было сделано USBM в угольного пласта Питтсбурга в Грин Каунти, штат Пенсильвания. В этом проекте, 3-дюймовая направленная скважина была пробурена на вертикальной глубине 1000 футов с общей длиной 1652 футов и отклонением от 5° до 6° на 100 футов.
• Cameo Coal Group. В 1986 году Научно-исследовательский институт газа спонсировал проект горизонтального бурения малого радиуса в глубоко расположенном угольном пласте, Cameo "D", в бассейне Пиканс Колорадо. Скважина была пробурена на глубину 5645 футов и отклонителя был установлен на устье.
• Hanna Coal Seam. Министерство энергетики финансировало проект бурения среднего радиуса на территории Rocky Mountain №1 в Hanna бассейне, Вайоминг в 1987 году. В этом проекте, три горизонтальные скважины были успешно пробурены в угольный пласт Hanna.

2.2 Бурение горизонтальных скважин

Одно из самых больших достижений в CMM было более широкое использование методов горизонтального бурения для добычи. Способность точно управлять скважиной до глубины 5000, является результатом управляемых двигателей в сочетании с высокоточными скважинными системами, разработанных в 1980-х.

Шахтные системы направленного бурения позволяют повысит эффективность и снизит затраты, позволяя меньшему колличеству скважин добыть то же количество угля. Например, вместо того, чтобы развернуть серию относительно коротких горизонтальных скважин по всей ширине плоскости лавы, несколько длинных скважин могут быть пробурены по всей длине плоскости, чтобы достичь того же эффекта дегазации . Исследования показали, что горизонтальные скважины в течение длительного процесса бурения могут снизить уровень метана в пласте до 50 % в течение шести-девяти месяцев.

Бурение скважин также уменьшает количество времени, необходимое для связи между отверстиями и позволяет уменьшить количество линий сбора газа в горных выработках. Добыча газа через горизонтальные скважины может улучшить экономику проекта и свести к минимуму воздействие на окружающую среду.