Устойчивость стволов горизонтальных скважин в Баженовских отложениях при бурении на депрессии: геомеханические аспекты, прогнозирование и обеспечение

Баженовская свита – это не просто нефтематеринские породы, но и своеобразный вызов для инженеров. Здесь, в глубоких пластах Западной Сибири, кроются колоссальные запасы нетрадиционной нефти, и чтобы их извлечь, приходится вступать в диалог с самой геологией, которая говорит на языке слоев, напряжений и минерального состава. Отсюда и возникает необходимость в глубоком понимании процессов, происходящих в этих уникальных породах.

Дебит скважины при бурении на депрессии может увеличиваться в разы, а запуск скважин в работу — в 8 раз быстрее, по сравнению с классическим бурением на репрессии. Этот факт подчеркивает экономическую привлекательность, но также и технологическую сложность освоения Баженовских отложений.

Введение

Освоение нетрадиционных коллекторов, в частности, Баженовских отложений Западной Сибири, стало одним из приоритетных направлений в развитии мировой и отечественной нефтегазовой промышленности. Эти отложения, представляющие собой уникальный комплекс тонкослоистых, высокоуглеродистых и низкопроницаемых пород, хранят колоссальные запасы углеводородов. Однако их извлечение сопряжено с рядом серьезных технологических и геомеханических вызовов. В этом контексте, бурение горизонтальных скважин на депрессии (underbalanced drilling, UBD) является одной из ключевых, но и наиболее сложных технологий.

Технология UBD, предполагающая поддержание давления в стволе скважины ниже пластового, позволяет минимизировать повреждение коллектора, снизить вероятность поглощений бурового раствора и флюидопроявлений, а также, как показывает практика, значительно увеличить дебит скважин. Однако именно эта «депрессия» давления на забой приводит к существенному изменению напряженно-деформированного состояния породного массива вокруг скважины, делая проблему устойчивости ствола критически актуальной. В условиях Баженовских отложений, характеризующихся ярко выраженной анизотропией прочностных свойств, минерально-компонентной неоднородностью и сложным тектоническим строением, традиционные подходы к прогнозированию и обеспечению устойчивости оказываются недостаточными.

Данный аналитический обзор направлен на систематизацию и углубленное исследование проблем устойчивости стволов горизонтальных скважин, бурящихся на депрессии, в условиях Баженовских отложений. Мы рассмотрим уникальные геомеханические особенности этих пород, специфику технологии UBD и связанные с ней динамические геомеханические осложнения. Отдельное внимание будет уделено современным методам моделирования и прогнозирования устойчивости в анизотропных средах, а также инженерным решениям по минимизации рисков. В работе будет предпринята попытка оценить экономические и экологические последствия потери устойчивости, а также наметить перспективы дальнейших исследований и развития технологий. Материал ориентирован на студентов и аспирантов, специализирующихся в области нефтегазового дела, бурения скважин и геомеханики, и призван стать основой для глубокого академического понимания данной критически важной проблемы.

Геомеханические особенности и анизотропия Баженовских отложений

Погружение в мир Баженовских отложений Западной Сибири сродни изучению сложного геологического гобелена, сотканного из уникальных минералов, органического вещества и тектонических сил. Именно эта многослойность и неповторимость каждого «стежка» определяют те вызовы, с которыми сталкиваются инженеры при бурении горизонтальных скважин.

Геологическое строение и минерально-компонентный состав

Баженовский горизонт – это не монолит, а слоистая формация, где анизотропия свойств проявляется как вдоль, так и поперек изохронных поверхностей. Эта слоистость – следствие динамичных процессов седиментации, во время которых менялось соотношение породообразующих компонентов. Основу составляют кремнистые (опаловые) раковины и клеточные остатки микроорганизмов, а также глинистые частицы с небольшой примесью эолового алеврита.

В целом, Баженовская свита поражает своим составом: около 85% занимает минеральное вещество, представленное кремнеземом, гидрослюдой и кальцитом. Оставшиеся примерно 14% – это органическое вещество, которое является «сердцем» нефтегазогенерации. В нем содержится до 2,7% жидкой нефти и около 12% керогена типа II – ключевого компонента для образования углеводородов. В нефтематеринских породах содержание органического углерода (ОУ) может варьироваться от 5% до 25%. При этом отдельные литотипы демонстрируют значительные отклонения: в некоторых слоях содержание кремнистого материала может достигать 90%, формируя так называемые силициты-радиоляриты, на 60-70% состоящие из реликтов радиолярий. Другие пачки могут быть обогащены органическим веществом до 10-23%, в то время как кремнистые и глинистые компоненты составляют 25-45%.

Такая минерально-компонентная неоднородность – не локальное явление, а системная характеристика Баженовской свиты, проявляющаяся как по разрезу, так и по площади. Эта неоднородность настолько выражена, что в центральных и южных районах Западной Сибири геологи выделяют 4 типа и 8 подтипов баженовской свиты. Даже на расстоянии нескольких десятков километров разрезы могут существенно различаться. Например, в центральной части Салымского месторождения, в районе Сургутского свода и в юго-восточных районах наблюдаются значительные флуктуации содержания радиоактивности, органического вещества, глинистой и кремневой компонент, а также соотношения сульфидного и оксидного железа. Это приводит к тому, что на меридиональных ЭКО-разрезах можно наблюдать, как скважины, расположенные на удалении, вскрывают совершенно разные линзы, приуроченные к литологически обособленным участкам.

Баженовская свита представлена двумя основными типами разреза:

• «Нормальный» (классический): Однообразная толща темных битуминозных окремнелых пород мощностью 20-30 метров, достигающая 60 метров в депоцентрах.
• «Аномальный»: Включает битуминозные глины с внедрёнными песчаными и другими отложениями. Такие разрезы могут иметь значительно большую мощность, достигая 78-100 метров, что создает дополнительные сложности для бурения и интерпретации данных.

Физические свойства и коллекторские характеристики

Большинство залежей нефти в Баженовской свите залегают на глубинах от 2000 до 4000 метров и приурочены к низкопроницаемым коллекторам. Типичная проницаемость этих коллекторов варьируется от 0,001 до десятков мД, но для большинства пластов характерны значения проницаемости менее 0,1 мД при пористости всего 1-2%. Такие экстремально низкие фильтрационно-емкостные свойства делают Баженовскую свиту объектом, требующим применения передовых технологий, таких как горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта.

Пластовые температура и давление также демонстрируют значительный диапазон вариаций, что усугубляет геомеханические проблемы. Большая часть нефтеносных залежей находится в диапазоне температур от 20 до 99 °C. В Ямало-Ненецком автономном округе наблюдаются более низкие температуры, тогда как в Томской области зафиксированы самые высокие. Пластовое давление изменяется в пределах 24-30 МПа, но в некоторых районах, особенно в ЯНАО, отмечаются аномально высокие пластовые давления (АВПД), превышающие 40 МПа. Высокие пластовые температуры и давления являются надежными индикаторами нефтеносности, но одновременно создают повышенные риски при бурении, требуя тщательного контроля за параметрами промывочной жидкости и режимами бурения.

Напряженно-деформированное состояние и тектоника

Стабильность ствола скважины неразрывно связана с начальным напряженно-деформированным состоянием горного массива. Тектонические нарушения в юрских отложениях и напряженное состояние вышележащих пород меловой системы являются критическими факторами, способными привести к потере устойчивости стволов скважин при бурении. Западная Сибирь, как крупная тектоническая провинция, характеризуется преобладающей ориентацией максимальных горизонтальных напряжений около 330°, однако на отдельных месторождениях отмечаются локальные переориентации до 30°. Эти напряжения, особенно вблизи тектонических разломов и дизъюнктивных дислокаций кровли Баженовских отложений, создают зоны повышенного риска, способствующие осыпям и обвалам пород.

Тип разреза Баженовской свиты	Характеристики	Мощность
«Нормальный» (классический)	Однообразная толща темных битуминозных окремнелых пород	20-30 м (до 60 м в депоцентрах)
«Аномальный»	Битуминозные глины с внедрёнными песчаными и другими отложениями	78-100 м

При моделировании устойчивости стволов скважин в Баженовской свите, учитывая её выраженную слоистость, пласты могут быть представлены как трансверсально-изотропные объекты. Этот подход позволяет адекватно учесть анизотропию их упругих характеристик, что является критически важным для точных геомеханических расчётов.

Технология бурения на депрессии и связанные геомеханические проблемы

Бурение на депрессии – это не просто технологический приём, а целая философия взаимодействия с пластом, направленная на минимизацию ущерба и максимизацию продуктивности. Однако эта философия, особенно в условиях Баженовских отложений, несёт в себе и специфические геомеханические риски.

Основы технологии бурения на депрессии

Бурение на депрессии (underbalanced drilling, UBD) – это передовая технология, сущность которой заключается в поддержании давления на забое скважины ниже пластового. Главная цель UBD – создание контролируемой депрессии на продуктивный пласт, что позволяет существенно снизить вероятность негативных явлений, таких как:

• Поглощения промывочной жидкости: Когда давление в скважине выше пластового, буровой раствор может проникать в пласт, вызывая его загрязнение и снижение проницаемости. UBD минимизирует этот эффект.
• Флюидопроявления: В некоторых случаях, когда скважина вскрывает продуктивный пласт, при бурении на репрессии (давление в скважине выше пластового) флюиды из пласта не могут свободно поступать в скважину. Бурение на депрессии позволяет пластовым флюидам поступать в скважину, что является контролируемым флюидопроявлением.
• Осыпи и обвалы: Депрессия снижает вероятность разрушения стенок скважины за счет предотвращения избыточного гидростатического давления, которое может выдавливать породы.

Одним из наиболее значимых преимуществ бурения на депрессии является значительное увеличение дебита скважины и коэффициента извлечения нефти (КИН). Это достигается за счёт минимизации повреждения коллекторов буровым раствором и более эффективного дренирования пласта. Например, запуск скважин в работу может быть в 8 раз быстрее, чем при классическом бурении на репрессии. Однако, несмотря на эти преимущества, технология UBD является значительно более дорогостоящей по сравнению с традиционным бурением на репрессии. Это требует тщательных технико-экономических расчетов для оценки её целесообразности на каждом конкретном месторождении.

В качестве промывочных жидкостей при UBD используются растворы с низкой плотностью, такие как вода или нефть, а также аэрированные растворы. Последние получают путём газификации воздухом, азотом, природным газом или отходящими газами, что позволяет дополнительно снизить их плотность и обеспечить необходимую депрессию.

Специфические геомеханические осложнения в Баженовских отложениях

Применение бурения на депрессии в столь сложных геологических условиях, как Баженовские отложения, порождает ряд уникальных геомеханических проблем, которые не встречаются при бурении в более «податливых» породах.

Главные специфические проблемы:

• Аномально высокие пластовые давления (АВПД): В Баженовской свите АВПД могут возникать из-за радиоактивного распада и преобразования органического материала. В условиях депрессии это может привести к неконтролируемым флюидопроявлениям и осложнениям.
• Трудности интерпретации данных: Акустически аномальные тонкие пласты, характерные для Баженовской свиты, затрудняют точную интерпретацию геофизических данных, что критически важно для корректного геомеханического моделирования и выбора оптимальных параметров бурения.

Динамические факторы потери устойчивости ствола скважины

Устойчивость стенок скважины – это хрупкий баланс между исходным напряжённым состоянием массива и новым состоянием, формирующимся под воздействием бурового раствора. Значительная разница между этими состояниями может способствовать развитию хрупких макротрещин в горной породе вблизи скважины.

Влияние угла наклона скважины: Увеличение угла наклона горизонтальной скважины приводит к росту максимальных касательных напряжений в околоскважинном пространстве. Это, в свою очередь, повышает вероятность разрушения пород, что проявляется в расширении, сужении или обваливании ствола скважины. Статистика подтверждает, что разрушение наклонных стволов происходит чаще, чем вертикальных. Наибольшее количество осложнений (37,7%) при бурении наклонно-направленных скважин связано с азимутом ствола, совпадающим с направлением северо-восточной диагональной системы планетарной трещиноватости и максимального горизонтального напряжения (30°-60°). Высокий процент осложнений (30,5%) также отмечен при бурении в рамках субширотной системы трещиноватости.

Гидродинамические процессы и импульсные колебания давления: Во время спуско-подъемных операций (СПО) и при циркуляции бурового раствора возникают значительные гидродинамические воздействия. Перепады давления при циркуляции бурового раствора распределяются следующим образом: около 90% потерь давления приходится на трубное пространство (из которых 50-70% – на долото), а 10% – на затрубное пространство. Импульсные колебания давления при СПО могут быть весьма существенными. Например, при отрыве от забоя на глубине 2774 м было зафиксировано скачкообразное увеличение давления с P_раб = 148 атм до P = 190 атм (ΔP = 42 атм), что привело к затяжке колонны. Инерционные силы при СПО и скопление шлама в буровом растворе дополнительно усиливают гидродинамическое воздействие.

Механизмы разрушения стенок скважин:

• Осыпи и обвалы: Крупномасштабное разрушение пород, вызванное превышением предела прочности.
• Набухание: Особенно актуально для глин, уплотненных глин и аргиллитов с высоким содержанием минералов группы монтмориллонита (более 70%). При контакте с промывочной жидкостью или её фильтратом эти породы поглощают воду, увеличиваются в объёме, что приводит к сужению ствола скважины.
• Ползучесть пород: В условиях прохождения высокопластичных пород, а также при недостаточном противодавлении, породы могут медленно деформироваться, «ползти», постепенно заполняя ствол скважины и вызывая смятие обсадных или насосно-компрессорных труб.
• Поглощения бурового раствора: Могут быть вызваны как геологическими факторами (природные трещины, каверны), так и технологическими (гидравлический разрыв пород из-за избыточного давления).
• Пластовые флюидопроявления: Неконтролируемое поступление флюидов из пласта в скважину, особенно в условиях АВПД.
• Прихваты колонн: Происходят из-за затяжек, вызванных набуханием глин, скоплением шлама или длительным воздействием бурового раствора на проницаемые пласты (колонна остаётся без движения на 10-20 минут).

Влияние диаметра скважины: Увеличение диаметра скважины приводит к снижению устойчивости её стенок. Парадоксально, но бурение с последующим расширением ствола обеспечивает более высокую устойчивость по сравнению с углублением сразу большим диаметром. Это объясняется тем, что постепенное изменение напряжённого состояния пород менее травматично для их структуры.

Недостаточное противодавление: Гидростатическое давление в скважине (p_г = p₀ + ρgz, где p₀ — давление на свободной поверхности жидкости; ρ — плотность бурового раствора; g — ускорение силы тяжести; z — глубина) должно поддерживаться в определённом диапазоне, чтобы предотвратить обвалы и газонефтеводопроявления, но при этом не превышать давления гидроразрыва пласта. Снижение давления на стенки скважины в условиях отсутствия циркуляции (разница между эквивалентной циркуляционной плотностью бурового раствора и статической) является частой причиной осложнений.

Длительное воздействие бурового раствора на неустойчивые горные отложения также способствует возникновению осложнений, поскольку это даёт время для развития процессов набухания, ползучести и эрозии. Скопление шлама в горизонтальном участке ствола скважины, особенно при проработке, дополнительно усугубляет проблемы устойчивости.

Моделирование и прогнозирование устойчивости стволов скважин в анизотропных средах

В условиях Баженовских отложений, где каждая горизонтальная скважина – это тонкая нить, проложенная сквозь сложный геологический лабиринт, возможность точно прогнозировать устойчивость её ствола становится не просто желательной, а жизненно необходимой. Современная геомеханика предлагает для этого целый арсенал аналитических и численных методов, объединенных в концепцию комплексного геомеханического моделирования.

Аналитические и численные методы

История геомеханического анализа начиналась с аналитических решений, которые, несмотря на свои ограничения, заложили фундамент для понимания напряженно-деформированного состояния горных пород. Для оценки устойчивости скважин до сих пор используется аналитическое решение задачи о напряженном состоянии анизотропной плоскости с круговым отверстием. Оно позволяет получить приближенное представление о распределении напряжений вокруг скважины, учитывая при этом ключевое свойство Баженовской свиты – анизотропию упругих характеристик.

Однако, когда речь заходит о более сложных сценариях – неэллиптическом поперечном сечении скважины, наличии тектонических нарушений, неоднородности массива и нелинейном поведении пород – на первый план выходят численные методы:

• Метод Конечных Элементов (МКЭ): Широко применяется для решения краевых задач механики сплошных сред в геотехнике. МКЭ позволяет разбивать горный массив на дискретные элементы (конечные элементы) и, решая систему уравнений для каждого элемента, получать детальную картину распределения напряжений и деформаций. Это особенно ценно для анализа зон концентрации напряжений вокруг скважины.
• Метод Дискретных Элементов (МДЭ): Эффективен для моделирования процессов с большими деформациями и нарушениями сплошности горных пород, таких как обвалы и осыпи. МДЭ рассматривает горный массив как совокупность отдельных блоков, взаимодействующих между собой, что позволяет отслеживать их движение и разрушение.

Современные геомеханические модели, как правило, сочетают в себе элементы различных численных методов, чтобы обеспечить максимальную точность и полноту анализа.

Комплексное геомеханическое моделирование

Прогнозирование осложнений при бурении сложных горизонтальных скважин в Баженовских отложениях требует перехода от отдельных расчетов к созданию комплексной геомеханической модели. Эта модель представляет собой систему интегрированных данных и расчетных процедур, способных учесть все многообразие геологических и технологических факторов.

Комплексная геомеханическая модель обычно включает следующие компоненты:

1. Одномерная (1D) геомеханическая модель: Это численное описание механических свойств, давлений и напряжений (МСДН) горных пород вдоль траектории скважины. Она строится на основе данных геофизических исследований скважин (ГИС) и лабораторных исследований керна. 1D модель является базой для дальнейших, более сложных расчётов.
2. Трехмерная (3D) геомеханическая модель: Используя метод конечных элементов (МКЭ), эта модель рассчитывает упруго-прочностные свойства пород, поровое давление и распределение напряжений в трёхмерном пространстве. Её основная задача – определить оптимальный азимут бурения и основные направления потенциальных обрушений, что особенно критично для наклонных и горизонтальных скважин, где ориентация ствола относительно региональных напряжений имеет решающее значение. Геомеханические модели, в том числе 3D, также необходимы для учета межскважинного пространства и проектирования профилей скважин с учетом тектонических нарушений.
3. Модель механических свойств: Учитывает прочностные характеристики пород, направления горизонтальных напряжений геологической среды и другие аспекты. Эта модель позволяет определить безопасный диапазон плотности бурового раствора («безопасное окно бурения»), то есть интервал между минимально допустимой плотностью, предотвращающей осыпи и флюидопроявления, и максимально допустимой плотностью, предотвращающей гидроразрыв пласта.
4. База данных и актуализация: Для построения модели необходим минимальный набор данных: ГИС (акустический каротаж, плотностной каротаж, гамма-каротаж), лабораторные исследования кернового материала (определение прочности, модулей упругости) и данные по опорным скважинам. Модель позволяет прогнозировать интервалы поглощений и обрушений, а также оптимизировать конструкцию скважины и параметры бурения. Важно, что модели постоянно обновляются и уточняются на основе данных геолого-технологических исследований (ГТИ) и ГИС в процессе бурения (LWD), что обеспечивает их адаптивность к реальным условиям. Для реализации геомеханического моделирования используются специализированные программные комплексы, такие как «РН-СИГМА».

Моделирование и анализ реакции горных пород на бурение, включая образование техногенных трещин и вывалов, позволяют прогнозировать ход бурового процесса и своевременно корректировать технологические параметры.

Влияние анизотропии на моделирование

Как уже отмечалось, Баженовская свита характеризуется ярко выраженной анизотропией прочностных и деформационных свойств. Это означает, что сопротивление пород разрушению зависит от направления приложения силы относительно плоскостей слоистости. В таких условиях ориентация скважины относительно осей анизотропии становится важнейшим фактором, влияющим на устойчивость ствола. Например, бурение вдоль слоистости может быть более стабильным, чем бурение поперёк.

Для адекватного учёта анизотропии при моделировании необходимо:

• Использование трансверсально-изотропных моделей: Эти модели позволяют описывать свойства материала, которые изотропны в одной плоскости, но отличаются в перпендикулярном к ней направлении, что хорошо соответствует слоистым породам.
• Лабораторные исследования: Для определения максимальной величины депрессии, при которой возможна потеря устойчивости, критически важно располагать экспериментальными данными о деформационных и прочностных свойствах пород конкретных месторождений. Эти данные получают путём проведения испытаний кернового материала под различными углами к плоскостям слоистости. Разработан специальный алгоритм проведения таких лабораторных исследований, который включает предварительную оценку напряжений, действующих на отдалении от скважины, и определение реализующегося тектонического режима.

Таким образом, комплексное геомеханическое моделирование, интегрирующее аналитические и численные методы с учетом специфики анизотропии Баженовских отложений, является основой для безопасного и эффективного бурения горизонтальных скважин на депрессии.

Инженерные методы обеспечения устойчивости и минимизация рисков

Прогнозирование геомеханических проблем – это лишь половина пути; не менее важно располагать арсеналом инженерных методов для их предотвращения и эффективного устранения. В условиях Баженовских отложений, где риски особенно высоки, комплексный подход к обеспечению устойчивости ствола скважины приобретает первостепенное значение, включая не только технические, но и экономические, и экологические аспекты.

Технологические решения для поддержания устойчивости

Современная практика бурения выработала ряд ключевых технологических решений, направленных на поддержание устойчивости ствола скважины:

1. Обсадные колонны и крепление скважин: Это фундаментальный метод, заключающийся в спуске стальных труб (обсадных колонн) в скважину и цементировании затрубного пространства. Обсадные колонны изолируют неустойчивые пласты, предотвращают их обрушение и флюидопроявления. В Баженовских отложениях особое внимание уделяется выбору прочности обсадных труб и цементных растворов, способных выдерживать высокие пластовые давления и температуры, а также агрессивное воздействие пластовых флюидов.
2. Методы контроля давления: Ключевым элементом бурения на депрессии является точное управление дифференциальным давлением между скважиной и пластом. Это достигается за счет:
   • Оптимизации плотности буровых растворов: Используются растворы низкой плотности или аэрированные растворы для создания депрессии. Однако необходимо тщательно балансировать плотность, чтобы предотвратить как поглощения, так и неконтролируемые флюидопроявления.
   • Применение ингибиторов глин: В Баженовской свите, где распространены глины с высоким содержанием монтмориллонита, набухание может быть серьезной проблемой. Использование ингибиторов в составе бурового раствора помогает снизить реактивность глин и предотвратить сужение ствола.
   • Постоянный мониторинг давления: Системы реального времени позволяют отслеживать давление на забое и оперативно корректировать параметры бурения.
3. Влияние диаметра скважины: Увеличение диаметра скважины приводит к снижению устойчивости её стенок из-за увеличения площади воздействия напряжений. Однако, как показывает практика, бурение с последующим расширением ствола обеспечивает более высокую устойчивость по сравнению с углублением сразу большим диаметром. Это связано с тем, что постепенное изменение напряжённого состояния позволяет породам адаптироваться, а также снижает пиковые нагрузки.
4. Очистка ствола от шлама: Скопление шлама в горизонтальном участке ствола скважины является частой причиной осложнений, таких как прихваты колонн и ухудшение качества цементирования. Эффективная очистка ствола требует оптимизации режимов циркуляции, выбора буровых растворов с хорошими выносящими свойствами и использования специализированного оборудования.
5. Поддержание оптимальной плотности бурового раствора в условиях отсутствия циркуляции: В процессе спуско-подъемных операций и при длительных остановках бурения важно поддерживать адекватное гидростатическое давление, чтобы не допустить обвалов и газонефтеводопроявлений. Это требует точного расчета статической плотности бурового раствора и, при необходимости, применения утяжеляющих или облегчающих добавок.

Экономические последствия и минимизация затрат

Потеря устойчивости ствола скважины влечет за собой целый каскад негативных экономических последствий, которые могут значительно увеличить стоимость проекта и снизить его рентабельность.

Прямые экономические потери:

• Аварии и инциденты: Обвалы, прихваты, поглощения – всё это приводит к необходимости дорогостоящих ликвидационных работ, использования специального оборудования и привлечения высококвалифицированных специалистов.
• Простои оборудования: Буровая установка, находясь на простое, генерирует убытки из-за отсутствия добычи и необходимости оплачивать аренду, зарплату персонала и другие накладные расходы.
• Ремонтные работы: Восстановление ствола скважины, устранение желобов, очистка от шлама – всё это требует дополнительных затрат времени и ресурсов.
• Удорожание строительства: Затяжка сроков бурения, дополнительные операции, использование более дорогостоящих материалов – всё это увеличивает общую стоимость строительства скважины.

Косвенные экономические потери:

• Снижение дебита: Повреждение коллектора, закупорка порового пространства, некачественное заканчивание скважины могут привести к значительному снижению её продуктивности.
• Уменьшение КИН: В долгосрочной перспективе это сказывается на общем коэффициенте извлечения нефти с месторождения.
• Репутационные риски: Аварии могут негативно сказаться на имидже компании.

Стратегии минимизации экономических рисков:

• Тщательные технико-экономические расчеты: Перед началом бурения необходимо провести всесторонний анализ целесообразности применения технологии UBD, учитывая все потенциальные риски и затраты.
• Комплексное геомеханическое моделирование: Инвестиции в точное моделирование и прогнозирование позволяют заранее выявить проблемные интервалы и разработать превентивные меры.
• Оптимизация проектных решений: Выбор оптимального профиля скважины, конструкции обсадных колонн, типа бурового раствора и режимов бурения на основе геомеханических данных.
• Обучение и повышение квалификации персонала: Высокий уровень подготовки буровых бригад и инженерного состава снижает вероятность ошибок.

Экологические аспекты и снижение воздействия

Потеря устойчивости ствола скважины может иметь серьезные экологические последствия, которые требуют не менее тщательного внимания, чем экономические риски.

Потенциальные экологические последствия:

• Загрязнение подземных вод: Негерметичность ствола скважины может привести к проникновению буровых растворов, пластовых флюидов и углеводородов в водоносные горизонты.
• Выбросы углеводородов: Неконтролируемые газонефтеводопроявления могут стать причиной выбросов метана и других парниковых газов в атмосферу, а также разливов нефти на поверхности.
• Утечки буровых растворов: Химически активные компоненты буровых растворов могут загрязнять почву и поверхностные водоемы.
• Нарушение ландшафтов: Аварийные ситуации и ликвидационные работы могут привести к значительному нарушению природного ландшафта.

Методы снижения экологического риска и обеспечения безопасности:

• Применение экологически безопасных буровых растворов: Использование биоразлагаемых, малотоксичных компонентов снижает вред от потенциальных утечек.
• Строгое соблюдение нормативных требований: Соблюдение международных и национальных стандартов по охране окружающей среды при бурении и эксплуатации скважин.
• Эффективные системы утилизации отходов: Сбор, обработка и утилизация буровых шламов и отработанных растворов в соответствии с экологическими нормами.
• Планы по ликвидации аварий: Разработка и регулярное обновление планов по быстрому реагированию на аварийные ситуации и минимизации их экологических последствий.
• Геомеханическое сопровождение бурения: Постоянный мониторинг и прогнозирование устойчивости ствола позволяют предотвратить аварии, связанные с потерей устойчивости, и, как следствие, снизить экологические риски.

Интегрированный подход, учитывающий все эти аспекты, позволяет не только повысить эффективность бурения, но и обеспечить ответственное отношение к окружающей среде, что является неотъемлемой частью устойчивого развития нефтегазовой отрасли.

Перспективы исследований и развития технологий

Баженовские отложения, будучи одним из ключевых драйверов будущей нефтедобычи, продолжают стимулировать научное сообщество и инженерную мысль к поиску новых решений. Проблемы устойчивости стволов горизонтальных скважин в этих сложных условиях остаются в центре внимания, и развитие технологий движется по нескольким взаимосвязанным направлениям.

Анализ новых методов исследования механических свойств пород и геомеханического состояния массива

Традиционные лабораторные методы определения прочностных и деформационных свойств пород часто сталкиваются с трудностями при работе с хрупкими, тонкослоистыми и анизотропными образцами Баженовской свиты. Отсюда вытекает потребность в разработке и внедрении новых, более совершенных подходов:

• Микро- и наномеханические испытания: Эти методы позволяют изучать свойства отдельных минеральных зерен, контактов между ними и тончайших слоев, что критически важно для понимания механизмов разрушения в гетерогенных породах. Использование атомно-силовой микроскопии, наноиндентирования и микротомографии позволяет получить детальную информацию о поведении материала на микроуровне.
• Динамические методы исследования: Применение ультразвуковых и акустических методов, а также сейсмоакустического мониторинга в процессе бурения (LWD – Logging While Drilling), позволяет оценивать упругие свойства пород в реальном времени и выявлять зоны с пониженной устойчивостью или развивающимися трещинами. Это особенно актуально для оценки динамической анизотропии, которая может отличаться от статической.
• Комплексные исследования керна и шлама: Развитие технологий анализа керна с использованием методов рентгеновской томографии высокого разрешения, электронно-микроскопического анализа и специализированной петрографии позволяет более точно определять минерально-компонентный состав, структуру порового пространства и степень анизотропии пород. Анализ шлама, поднимаемого из скважины, также может быть улучшен за счет оперативных методов, позволяющих оценить его морфологию и состав, что является индикатором разрушения стенок.
• Дистанционные методы: Развитие сейсморазведки с высоким разрешением и методов электроразведки для детализации тектонического строения и выявления зон повышенных напряжений перед бурением.

Перспективы развития интегрированных цифровых решений и систем поддержки принятия решений для управления устойчивостью ствола

Будущее геомеханического прогнозирования неразрывно связано с цифровизацией и интеграцией данных. Современные подходы к управлению устойчивостью ствола скважины все больше опираются на комплексные цифровые платформы:

• Интегрированные геомехан��ческие модели: Развитие 3D геомеханических моделей, которые не просто рассчитывают напряжения, но и динамически обновляются в реальном времени на основе данных ГИС, ГТИ и LWD. Эти модели будут способны не только прогнозировать «безопасное окно бурения», но и моделировать развитие осложнений, таких как осыпи, обвалы и поглощения, с учетом изменения параметров бурения.
• Искусственный интеллект и машинное обучение: Применение ИИ-алгоритмов для анализа больших объемов геомеханических, буровых и геофизических данных. Это позволит выявлять скрытые закономерности, улучшать точность прогнозов и разрабатывать адаптивные стратегии управления устойчивостью. Например, нейронные сети могут обучаться на исторических данных бурения в Баженовских отложениях для предсказания рисков осложнений.
• Системы поддержки принятия решений (СППР): Создание СППР, которые на основе интегрированных геомеханических моделей и ИИ-алгоритмов будут в реальном времени выдавать рекомендации буровым бригадам по оптимизации параметров бурения, выбору буровых растворов, корректировке траектории скважины и предотвращению осложнений. Эти системы позволят переходить от реактивного управления (по факту возникновения осложнения) к проактивному.
• Цифровые двойники скважин: Создание виртуальных копий скважин, которые могут симулировать различные сценарии бурения и эксплуатации, позволяя инженерам тестировать различные решения и оптимизировать процессы без риска для реального объекта.

Развитие новых типов буровых растворов и технологий крепления, адаптированных к условиям Баженовской свиты

Химическая агрессивность, термобарические условия и геомеханические особенности Баженовских отложений диктуют необходимость постоянного совершенствования буровых растворов и технологий крепления:

• Смазывающие и ингибирующие растворы нового поколения: Разработка буровых растворов с улучшенными смазывающими свойствами для снижения трения бурильной колонны и с меньшим содержанием твердой фазы для предотвращения дифференциальных прихватов. Особое внимание уделяется ингибирующим добавкам, которые более эффективно предотвращают набухание глин и стабилизируют стенки скважины без негативного воздействия на продуктивность пласта.
• Нанотехнологии в буровых растворах: Включение наночастиц в состав буровых растворов для улучшения их фильтрационных, реологических и ингибирующих свойств. Наночастицы могут создавать более плотные фильтрационные корки, снижать проницаемость стенок скважины и предотвращать проникновение фильтрата в коллектор.
• Гибридные технологии крепления: Комбинирование традиционных обсадных колонн с инновационными подходами, такими как расширяемые обсадные трубы (Expandable Tubulars) или многоступенчатое цементирование с использованием специализированных цементных растворов. Это позволяет более эффективно изолировать пласты, снизить риски потери циркуляции и обеспечить долгосрочную устойчивость ствола.
• Интеллектуальные цементные растворы: Разработка цементных растворов с добавками, которые могут реагировать на изменение температуры, давления или химического состава среды, адаптируя свои свойства для обеспечения максимальной герметичности и прочности крепления в сложных условиях Баженовской свиты.
• Бесцементное крепление: Исследования в области бесцементных технологий крепления, например, с использованием геокомпозитных материалов или специальных герметизирующих составов, которые могут быть более эффективными в условиях тонкослоистых и хрупких пород.

Эти направления исследований и разработок формируют основу для более безопасного, эффективного и экономически выгодного освоения колоссальных углеводородных ресурсов Баженовских отложений, снижая при этом риски геомеханических осложнений и экологического воздействия.

Заключение

Исследование проблем устойчивости стволов горизонтальных скважин, бурящихся на депрессии в условиях Баженовских отложений, раскрывает перед нами одну из наиболее комплексных и многогранных задач современной нефтегазовой геомеханики. Мы убедились, что уникальные геологические, петрофизические и геомеханические характеристики Баженовской свиты – её слоистость, анизотропия, неоднородность минерального состава, экстремально низкая проницаемость и вариации пластовых температур и давлений – являются первопричиной большинства осложнений. Эти природные факторы в сочетании со спецификой технологии бурения на депрессии, которая, несмотря на свои неоспоримые преимущества в повышении продуктивности, создает дополнительные геомеханические риски, формируют критически важный узел проблем.

Динамические факторы, такие как гидродинамические процессы и импульсные колебания давления при спуско-подъемных операциях, а также механизмы разрушения пород – осыпи, обвалы, набухание глин и ползучесть – многократно усугубляют ситуацию. Для эффективного противодействия этим вызовам необходим интегрированный подход, опирающийся на самые современные методы моделирования и прогнозирования. Комплексное геомеханическое моделирование, включающее 1D и 3D модели, модель механических свойств и «безопасное окно бурения», позволяет не только диагностировать потенциальные проблемы, но и прогнозировать их развитие, а также оптимизировать параметры бурения в реальном времени с учетом постоянной актуализации данных.

Инженерные методы обеспечения устойчивости, такие как грамотное применение обсадных колонн, контроль давления, оптимизация буровых растворов с использованием ингибиторов глин, а также учет диаметра скважины и эффективная очистка ствола от шлама, являются неотъемлемой частью технологического арсенала. Однако, помимо технических аспектов, крайне важно учитывать экономические и экологические последствия потери устойчивости. Аварии и простои приводят к значительным финансовым потерям и репутационным рискам, тогда как загрязнение окружающей среды требует разработки и внедрения экологически безопасных технологий и строгого соблюдения нормативов.

Перспективы дальнейших исследований и развития технологий связаны с постоянным совершенствованием методов исследования механических свойств пород, разработкой интегрированных цифровых решений с использованием искусственного интеллекта и машинного обучения, а также созданием новых типов буровых растворов и технологий крепления, адаптированных к специфическим условиям Баженовской свиты. Только такой комплексный, научно обоснованный и технологически продвинутый подход позволит обеспечить устойчивость стволов горизонтальных скважин, минимизировать риски и эффективно осваивать колоссальные углеводородные ресурсы Баженовских отложений, способствуя устойчивому развитию нефтегазовой отрасли.

Список использованной литературы

1. Бурение скважин на депрессии и репрессии. Neftegaz.RU. URL: https://www.neftegaz.ru/tech_library/burenie-skvazhin/141755-burenie-skvazhin-na-depressii-i-represii/ (дата обращения: 09.10.2025).
2. Устойчивость ствола скважины в баженовской свите с учетом анизотропии упругих характеристик слагающих пластов // Физика Земли. URL: https://earth-physics.ru/jour/article/view/285/285 (дата обращения: 09.10.2025).
3. Осложнения при бурении, их предупреждение и борьба с ними. URL: http://www.dslib.net/razrabotka-mestorojdenij/tehnologija-burenie-neftjanyh-i-gazovyh-skvazhin.html (дата обращения: 09.10.2025).
4. Исследование и прогнозирование устойчивости стволов горизонтальных скважин баженовских отложений, бурящихся на депрессии // Нефть и капитал. URL: https://oilcapital.ru/article/23-11-2004/236162-issledovanie-i-prognozirovanie-ustoychivosti-stvolov-gorizontalnyh-skvazhin-bazhenovskih-otlozheniy-buryaschihsya-na-depressii (дата обращения: 09.10.2025).
5. Баженовский горизонт Западной Сибири: поиски новой гармонии. Геологический портал GeoKniga. URL: https://geokniga.org/bookfiles/geokniga-bazhenovskiy-gorizont-zapadnoy-sibiri-poiski-novoy-garmonii.pdf (дата обращения: 09.10.2025).
6. Прогнозирование осложнений при бурении скважин с использованием данных сейсморазведки и геомеханики // Бурение и Нефть. URL: https://burneft.ru/article/1922 (дата обращения: 09.10.2025).
7. Обзор современных методов обеспечения устойчивости стенок скважины // Нефтесервис. URL: https://nefteservis.ru/articles/obzor-sovremennykh-metodov-obespecheniya-ustoychivosti-stenok-skvazhiny (дата обращения: 09.10.2025).
8. Экология. Лекция 7: Осложнения в процессе эксплуатации нефтегазовых систем. НОУ ИНТУИТ. URL: https://www.intuit.ru/studies/courses/2367/500/lecture/11388 (дата обращения: 09.10.2025).
9. Оценка устойчивости горных выработок, пройденных в анизотропном массиве пород // КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-ustoychivosti-gornyh-vyrabotok-proydennyh-v-anizotropnom-massive-porod (дата обращения: 09.10.2025).
10. Осложнения при бурении нефтегазовых скважин: учеб. пособие. Геологический портал GeoKniga. URL: https://geokniga.org/books/9913 (дата обращения: 09.10.2025).
11. Министерство образования и науки Российской Федерации — СГУ. URL: https://www.sgu.ru/sites/default/files/textdoc/2016/06/07/2016_06_07_klyukina.pdf (дата обращения: 09.10.2025).
12. Тектонические процессы и устойчивость стенок скважин // Экспозиция Нефть Газ. URL: https://exponeft-gas.ru/article/tektonicheskie-protsessy-i-ustoychivost-stenok-skvazhin/ (дата обращения: 09.10.2025).
13. Прогнозирование работы скважин баженовской свиты на основе модифицированной модели динамического материального баланса // Тюменский институт нефти и газа. URL: https://pro-neft.ru/journal/article/view/298/298 (дата обращения: 09.10.2025).
14. Управление рисками при бурении скважин на воду. chnsk.ru. URL: https://chnsk.ru/blog/upravlenie-riskami-pri-burenii-skvazhin-na-vodu (дата обращения: 09.10.2025).
15. Прогноз продуктивности баженовских отложений. URL: https://www.geosys.ru/upload/iblock/c34/c342fef8725d2b0e6e73a02796443491.pdf (дата обращения: 09.10.2025).
16. В ИНГГ СО РАН разработали эффективный метод прогноза литологического состава баженовской свиты // Научная Россия. URL: https://scientificrussia.ru/articles/v-ingg-so-ran-razrabotali-effektivnyy-metod-prognoza-litologicheskogo-sostava-bazhenovskoy-svity (дата обращения: 09.10.2025).
17. Методы ликвидации осложнений при бурении скважин // Молодой ученый. URL: https://moluch.ru/archive/556/122360/ (дата обращения: 09.10.2025).
18. Экологические последствия бурения скважин: понимание и управление. URL: https://welltool.ru/blog/ekologicheskie-posledstvija-burenija-skvazhin-ponimanie-i-upravlenie/ (дата обращения: 09.10.2025).
19. Влияние геологических факторов на динамику дебитов скважин в отложениях баженовской свиты // Нефтепромысловое дело. URL: https://oilgasjournal.ru/jour/article/view/211/211 (дата обращения: 09.10.2025).
20. Управление рисками: проекты бурения и заканчивания // OnePetro. URL: https://onepetro.org/SPE-RU/proceedings-abstract/21-SPE-RU/All-21-SPE-RU/SPE-206565-RU/237936 (дата обращения: 09.10.2025).
21. Численные алгоритмы и моделирование процессов эксплуатации и исследования скважин в анизотропных средах // disserCat. URL: https://www.dissercat.com/content/chislennye-algoritmy-i-modelirovanie-protsessov-ekspluatatsii-i-issledovaniya-skvazhin-v-an (дата обращения: 09.10.2025).
22. Современные способы предупреждения и ликвидации осложнений и аварий при строительстве и восстановлении нефтяных и газовых скважин: учебное пособие. ЭБС Лань. URL: https://e.lanbook.com/book/292723 (дата обращения: 09.10.2025).
23. Геология нефти и газа — 2004 — №01 // Библиотека Дамирджана. URL: http://geolib.ru/Journals/Geology/2004/01/geo040101.html (дата обращения: 09.10.2025).
24. Оптимизация технологических процессов бурения скважин и решения, реализуемые в цифровой автоматизированной системе // КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-tehnologicheskih-protsessov-bureniya-skvazhin-i-resheniya-realizuemye-v-tsifrovoy-avtomatizirovannoy-sisteme (дата обращения: 09.10.2025).
25. Системно-исторический подход к прогнозу нефтеперспективных объектов в зоне сочленения баженовской и марьяновской свит // ResearchGate. URL: https://www.researchgate.net/publication/320474680_Sistemno-istoriceskij_podhod_k_prognozu_nefteperspektivnyh_obektov_v_zone_soclenenia_bazenevskoj_i_maranovskoj_svit (дата обращения: 09.10.2025).
26. Прогноз литологического состава баженовской свиты на основе комплексной интерпретации геологических и геофизических материалов // КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/prognoz-litologicheskogo-sostava-bazhenovskoy-svity-na-osnove-kompleksnoy-interpretatsii-geologicheskih-i-geofizicheskih-materialov (дата обращения: 09.10.2025).
27. Определение прочностных свойств анизотропных горных пород при решении задачи оценки устойчивости ствола скважины и рекомендуемой плотности бурового раствора // Бурение и Нефть. URL: https://burneft.ru/article/2117 (дата обращения: 09.10.2025).
28. Предотвращение осложнений при бурении и эксплуатации скважин в многолетнемерзлых породах, включающих газовые гидраты // Нефтесервис. URL: https://nefteservis.ru/articles/predotvrashchenie-oslozhneniy-pri-burenii-i-ekspluatatsii-skvazhin-v-mnogoletnemerzlykh-porodakh-vklyuchayushchikh-gazovye-gidraty (дата обращения: 09.10.2025).
29. Условия залегания нефти баженовской свиты // Геологоразведка. URL: https://geologorazvedka.ru/articles/usloviya-zaleganiya-nefti-bazhenovskoy-svity (дата обращения: 09.10.2025).
30. Определение анизотропии горизонтальной проницаемости для петрофизического моделирования коллекторов нефти и газа. URL: http://s-kon.ru/upload/iblock/cbe/cbe5207c4b6387fbdfd4c0628e9dd214.pdf (дата обращения: 09.10.2025).
31. Экологические аспекты бурения скважин: как бурение влияет на окружающую среду // Яркольцо. URL: https://yarkoltso.ru/articles/ekologicheskie-aspekty-burenija-skvazhin-kak-burenije-vlijaet-na-okruzhajushhuju-sredu/ (дата обращения: 09.10.2025).
32. Основные типы осложнений при бурении скважин в ачимовских отложениях. URL: https://elib.sfu-kras.ru/bitstream/handle/2311/26896/120_Panikarovsky.pdf (дата обращения: 09.10.2025).
33. Новые технологии и подходы интерпретации данных геофизических иссле // РОСНЕФТЬ. URL: https://www.rosneft.ru/upload/site1/document_file/gis_horizontal_wells.pdf (дата обращения: 09.10.2025).
34. Школа Инженерная школа природных ресурсов Направление подготовки 21.0 // Электронный архив ТПУ. URL: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/67448/1/conference_tpu_2020_v2_p381-384.pdf (дата обращения: 09.10.2025).
35. Оценка ресурсов нефти и ранжирование перспективных участков баженовской свиты с учетом геологических рисков и неопределенностей // КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-resursov-nefti-i-ranzhirovanie-perspektivnyh-uchastkov-bazhenovskoy-svity-s-uchetom-geologicheskih-riskov-i-neopredelennostey (дата обращения: 09.10.2025).
36. Исследование влияния геомеханических факторов и разработка способов повышения устойчивости породного обнажения в проводимых горизонтальных горных выработках // КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-vliyaniya-geomehanicheskih-faktorov-i-razrabotka-sposobov-povysheniya-ustoychivosti-porodnogo-obnazheniya-v-provodimyh-gorizontalnyh-gornyh-vyrabotkah (дата обращения: 09.10.2025).
37. Способ строительства горизонтальной скважины на девонские отложения // Google Patents. URL: https://patents.google.com/patent/RU2421586C1/ru (дата обращения: 09.10.2025).