Многоствольные скважины

Кратко о главном

Многоствольная скважина — основной ствол и несколько ответвлений с общим устьем. Ответвления бывают в разных пластах, одно над другим, и в одном пласте — в разные стороны или «рыбьей костью» от горизонтального ствола.
Узел соединения должен держать породу, при необходимости разобщать стволы и давать вход инструменту в каждый. Классификация TAML различает шесть уровней: от открытого ствола без опоры до узла, герметичного за счёт самой обсадной колонны.
Ответвления в одном пласте делят область дренирования: два ствола по 500 м в примере урока дают не вдвое, а в 1,2–1,6 раза больше одного — в зависимости от угла между ними. Выигрыш тем больше, чем большая доля сопротивления приходится на зону у самого ствола и чем меньше область, отведённая скважине.
Ответвления в разных пластах не мешают друг другу в пласте, но работают на общий забой: при разных пластовых давлениях между ними идёт переток через ствол, как при совместной эксплуатации пластов.
В низкопроницаемом пласте ответвления долго работают независимо, и многоствольная скважина прежде всего ускоряет отбор. Прирост запасов она даёт, только если ответвления достают то, что не дренировал бы один ствол.
Выгода — общие верхний ствол, обсадные колонны и устье; затраты — узел, время на его строительство и риск. Многоствольная скважина окупается, когда верхняя часть скважины дорога: на море, на тесных площадках, при глубоком залегании пласта.

Ключевые соотношения

J = \dfrac{2\pi k_h h}{\mu B\,R}

продуктивность через сопротивление притоку $R$ — для одного ствола и для системы ответвлений

G_N = \dfrac{J_N}{J_1} = \dfrac{R_1}{R_N}

выигрыш от $N$ ответвлений в одном пласте против одного; без взаимовлияния было бы $N$

R = \dfrac{\Delta H}{\sin\theta_2 - \sin\theta_1},\qquad i = \dfrac{1718{,}9}{R}

радиус (м) и интенсивность набора (°/30 м) от узла с зенитным углом $\theta_1$ до $\theta_2$ на глубине $\Delta H$ по вертикали

t \approx \dfrac{(d/2)^2}{4\eta}

когда параллельные ответвления на расстоянии $d$ начнут мешать друг другу (по порядку величины)

Где чаще всего ошибаются

Ждать, что второе ответвление удвоит дебит: в одном пласте стволы делят область дренирования.
Выбирать узел по цене, не проверив, выдержит ли порода у узла депрессию за весь срок работы.
Не продумать заранее, как входить в каждое ответвление: полнопроходной доступ после строительства узла не добавить.
Объединять в общем стволе ответвления в пластах с разным давлением без возможности отключить одно из них.
Сравнивать многоствольную скважину с одиночной по начальному дебиту, забыв про общую область дренирования, риск узла и стоимость ремонтов.

После урока вы сможете

описать основные геометрии многоствольных скважин и задачи, для которых подходит каждая;
объяснить, что должен обеспечивать узел соединения, и различать уровни сложности узла по классификации TAML;
рассчитать продуктивность двух ответвлений в одном пласте и в разных пластах и объяснить, почему два ответвления дают меньше двух одиночных стволов;
оценить интенсивность набора угла от узла до пласта и время, через которое ответвления начнут мешать друг другу;
перечислить риски многоствольных скважин и сравнить стоимость единицы продуктивности многоствольной и одиночной горизонтальной скважины.

Основной ствол, ответвления и узел

Основной, или материнский, ствол (main bore, motherbore) идёт от устья; он может быть вертикальным, наклонным или горизонтальным. Из него — через окно в обсадной колонне или прямо в открытом стволе — забуривают ответвления. Каждое заканчивают по-своему: оставляют открытым, спускают фильтр или хвостовик (конструкции забоя). Продукция всех ответвлений собирается в основном стволе и поднимается к общему устью — по одной колонне НКТ или раздельно.

В отечественной литературе встречаются два названия. Многоствольной чаще называют скважину, ответвления которой забурены выше кровли продуктивного пласта и могут уходить к разным пластам; многозабойной (МЗС) — скважину, которая разветвляется в нижней части основного ствола, уже в самом пласте. Единообразия нет, и часто оба слова употребляют как перевод английского multilateral; в этом уроке «многоствольная скважина» — в широком смысле.

От многоствольной скважины отличают зарезку бокового ствола (ЗБС, sidetrack): новый ствол бурят из старой скважины, а старый ниже окна ликвидируют или оставляют без работы (клин-отклонитель и зарезка боковых стволов). В многоствольной скважине работают все стволы сразу. По сути это следующий шаг после горизонтальной скважины (Горизонтальные скважины): та же цель — больше контакта с пластом, — но без новой верхней части ствола для каждого горизонтального участка. Чаще всего ответвлений два-три.

Где многоствольная скважина даёт выигрыш

Условия: Несколько пластов, разделённых непроницаемыми пачками
Геометрия: ответвления одно над другим
За счёт чего: каждый пласт дренирует свой горизонтальный ствол

Условия: Тонкий или низкопроницаемый пласт
Геометрия: в разные стороны, «рыбья кость»
За счёт чего: больше контакта с пластом на одну скважину

Условия: Вязкая нефть
Геометрия: несколько длинных ответвлений
За счёт чего: дебит растёт с длиной контакта с пластом; диаметр ствола стоит под логарифмом и почти не влияет

Условия: Естественные трещины неизвестного направления
Геометрия: ответвления под разными азимутами
За счёт чего: хотя бы одно пересечёт трещины под выгодным углом

Условия: Разломные блоки, линзы, мелкие залежи
Геометрия: ответвление в каждый блок
За счёт чего: один ствол от устья на несколько небольших объёмов

Условия: Зрелое месторождение
Геометрия: новое ответвление из старой скважины
За счёт чего: доступ к невыработанным участкам без нового ствола от устья

Условия: Море, тесные кустовые площадки
Геометрия: любая
За счёт чего: меньше слотов, кустов и устьевого оборудования

Условия	Геометрия	За счёт чего
Несколько пластов, разделённых непроницаемыми пачками	ответвления одно над другим	каждый пласт дренирует свой горизонтальный ствол
Тонкий или низкопроницаемый пласт	в разные стороны, «рыбья кость»	больше контакта с пластом на одну скважину
Вязкая нефть	несколько длинных ответвлений	дебит растёт с длиной контакта с пластом; диаметр ствола стоит под логарифмом и почти не влияет
Естественные трещины неизвестного направления	ответвления под разными азимутами	хотя бы одно пересечёт трещины под выгодным углом
Разломные блоки, линзы, мелкие залежи	ответвление в каждый блок	один ствол от устья на несколько небольших объёмов
Зрелое месторождение	новое ответвление из старой скважины	доступ к невыработанным участкам без нового ствола от устья
Море, тесные кустовые площадки	любая	меньше слотов, кустов и устьевого оборудования

Сводка качественная; выигрыш каждой схемы проверяют расчётом и опытом соседних скважин.

Геометрии ответвлений

СхемаОсновные геометрии многоствольных скважин (схемы, не в масштабе): ответвления одно над другим в двух пластах (разрез); два ответвления в две противоположные стороны, веер из нескольких ответвлений в одном пласте и «рыбья кость» — короткие рёбра от горизонтального ствола (план). Оранжевые точки — узлы соединения.

Одно над другим (stacked): основной ствол вертикальный или наклонный, ответвления — в разных пластах или на разной высоте мощного пласта. Подходит для пластов, разобщённых непроницаемыми пачками; в мощном плотном пласте ответвления на разной высоте подолгу не чувствуют друг друга (пример о взаимовлиянии во времени ниже).
В две противоположные стороны (dual-opposed): два ответвления из одного узла в противоположные стороны. По сути это горизонтальный ствол двойной длины, пробуренный из середины: отход каждого ответвления от узла вдвое меньше, а поток в каждом проходит только свою половину длины, поэтому потери на трение меньше (трение в стволе).
Веер (planar, fan): несколько ответвлений в одном пласте под углом друг к другу. В трещиноватом пласте веер страхует от ошибки в направлении трещин: хотя бы одно ответвление пересечёт их под большим углом. В плотном пласте без трещин он просто добавляет контакт с пластом, но выигрыш зависит от угла между ответвлениями (раздел о продуктивности).
«Рыбья кость» (fishbone, herringbone): от горизонтального основного ствола в обе стороны отходят короткие ответвления-рёбра. Это увеличивает контакт с тонким или плотным пластом; рёбра обычно оставляют открытыми, и войти в них инструментом нельзя.
Ответвление из старой скважины: в зрелом месторождении короткое ответвление ведут в прослой, который старый ствол почти не дренировал и где осталась нефть. Его бурят через окно в колонне или прямо через НКТ — установкой гибких труб вместо буровой, не поднимая лифтовую колонну; такое ответвление дешевле, но узкое.

Ответвления в одном пласте делят его объём, поэтому выигрыш зависит от их взаимного расположения (раздел о продуктивности ниже). Ответвления в разных пластах не делят объём, но делят ствол.

Узел соединения и уровни TAML

Узел соединения выполняет до трёх задач. Механическая опора: порода в месте разветвления не должна обрушиться и перекрыть проход. Гидравлическая изоляция: стволы и пласт у узла не должны сообщаться помимо задуманных каналов, а узел — держать перепад давления. Доступ: в нужный ствол должны проходить приборы, гибкие трубы и инструмент — для исследований, обработок, изоляции воды.

В 1997 году операторы и сервисные компании, объединившиеся в группу TAML (Technology Advancement of Multilaterals), договорились классифицировать многоствольные скважины по конструкции узла (уровни TAML). Чем выше уровень, тем больше механическая и гидравлическая надёжность узла — и тем выше его стоимость, сложность и риск при строительстве.

Уровни сложности узла соединения по классификации TAML

Уровень: 1
Основной ствол: открытый
Ответвление у узла: открытое
Что даёт узел: опора — порода; нет ни изоляции, ни надёжного входа

Уровень: 2
Основной ствол: обсажен
Ответвление у узла: открытое
Что даёт узел: окно и вход в ответвление; изоляции нет

Уровень: 3
Основной ствол: обсажен
Ответвление у узла: хвостовик без цемента
Что даёт узел: хвостовик связан с колонной, есть доступ; изоляции нет

Уровень: 4
Основной ствол: обсажен
Ответвление у узла: хвостовик в цементе
Что даёт узел: опора — трубы и цемент; перепад держит слабо

Уровень: 5
Основной ствол: обсажен
Ответвление у узла: как на уровнях 2–4
Что даёт узел: герметичность за счёт пакеров и НКТ

Уровень: 6
Основной ствол: обсажен
Ответвление у узла: обсажено
Что даёт узел: герметичность за счёт самой колонны

Уровень	Основной ствол	Ответвление у узла	Что даёт узел
1	открытый	открытое	опора — порода; нет ни изоляции, ни надёжного входа
2	обсажен	открытое	окно и вход в ответвление; изоляции нет
3	обсажен	хвостовик без цемента	хвостовик связан с колонной, есть доступ; изоляции нет
4	обсажен	хвостовик в цементе	опора — трубы и цемент; перепад держит слабо
5	обсажен	как на уровнях 2–4	герметичность за счёт пакеров и НКТ
6	обсажен	обсажено	герметичность за счёт самой колонны

«Обсажен» — спущена и зацементирована обсадная колонна. Узел уровня 5 строят поверх узла уровней 2–4, добавив оборудование заканчивания: пакер над узлом и пакер в ответвлении. Уровень 6 применяют редко; одна из его разновидностей — заводской разветвитель обсадной колонны (splitter).

СхемаУзлы соединения уровней TAML 1–6 (схемы, не в масштабе): основной ствол — вертикальный слева, ответвление уходит вправо вниз. От уровня к уровню добавляются обсадная колонна основного ствола с окном, хвостовик ответвления, цемент вокруг него, пакеры с НКТ и, наконец, цельный металлический узел колонны.

Главное следствие классификации — какую депрессию выдержит узел. На уровнях 1–3 перепад давления у узла ложится на породу, и такие узлы годятся только для прочных пород; на уровне 4 его несёт цементный камень — узел держится и в слабых породах, но, как и узлы уровней 1–3, лишь при умеренных депрессиях. Узлы уровней 5 и 6 отделены от пласта металлом и уплотнениями и выдерживают большие перепады. Только они не дают потокам основного ствола и ответвления смешаться у самого узла; при узле уровней 2–4 потоки можно развести выше узла двухлифтовой компоновкой (две колонны НКТ), иначе продукция смешивается в основном стволе (совместная эксплуатация).

Уровень выбирают по прочности породы, депрессии, нужде в изоляции и доступе — и по деньгам. Для тяжёлой нефти в прочных песчаниках и для «рыбьей кости» часто хватает узла уровней 1–3. В слабых песчаниках, где нужна борьба с песком (Методы борьбы с пескопроявлением), узел должен быть обсажен и зацементирован — уровень 4 и выше, а при больших депрессиях — герметичен. Требования к доступу задают до бурения: полнопроходной вход в ответвление не добавить после того, как узел построен.

Как начинают ответвление. В открытом стволе ответвление забуривают с цементного моста или прямо со стенки, в обсаженном — через окно, вырезанное фрезами по клину-отклонителю (клин-отклонитель). Окно можно подготовить заранее: в колонну ставят трубу с готовым окном, закрытым легко разбуриваемой оболочкой. Чтобы потом войти в нужное ответвление, ставят отклоняющие устройства, которые направляют инструмент в окно, или используют ориентируемые компоновки на гибких трубах.

Расчётный примерКак высоко над пластом ставить узел

Исходные данные (условные)

Основной ствол: у узла зенитный угол 50°
Ответвление: должно выйти на горизонталь (90°) у кровли пласта
Варианты: узел на 60 м и на 20 м по вертикали выше точки входа в пласт

Решение

Радиус дуги набора от 50° до 90°: $R = \Delta H/(\sin 90^\circ - \sin 50^\circ) = 60/(1 - 0{,}7660) = 256{,}4$ м; интенсивность $1718{,}9/256{,}4 = 6{,}7$ °/30 м.
Узел на 20 м: $R = 20/(1 - 0{,}7660) = 85{,}5$ м, интенсивность $1718{,}9/85{,}5 = 20{,}1$ °/30 м.
Отход по горизонтали на дуге набора $R\,(\cos 50^\circ - \cos 90^\circ) = R\cdot0{,}6428$ : 164,8 и 55,0 м; длина дуги по стволу $R\cdot40^\circ\cdot\pi/180$ : 179,0 и 59,7 м.

Ответ: Узел на 60 м выше пласта требует набора 6,7 °/30 м, на 20 м — 20,1 °/30 м.

Что это значит. Чем ближе узел к пласту, тем круче приходится набирать угол: второй вариант — уже верхняя граница среднего радиуса (профили по радиусу набора, Наклонно-направленные скважины: применение и профиль). Крутой набор ограничивает длину и жёсткость того, что пройдёт в ответвление: хвостовика, фильтра, приборов. Высокий узел, наоборот, удлиняет участок ответвления в покрышке и вышележащих породах — больше бурения и риск неустойчивости там, где ответвление ещё не в пласте. Высоту узла согласуют геология — где пласт и покрышка, — бурение — какой набор выдержат инструмент и хвостовик — и разработка — где нужен ствол. Данные примера условные.

Продуктивность нескольких стволов

Каждое ответвление — горизонтальный ствол, и его продуктивность в одиночку дают формулы урока о горизонтальных скважинах (приток к горизонтальной скважине). Вопрос в том, как ответвления складываются. Ответ разный для ответвлений в разных пластах и в одном пласте.

Ответвления в одном пласте дренируют общий объём. Каждое понижает давление не только у себя, но и вокруг соседа — их воронки депрессии накладываются (сложение в пространстве). Сопротивление притоку к горизонтальному стволу складывается из двух частей: ближней — схождения потока к стволу по вертикали и скина — и дальней — течения через пласт к стволу в горизонтальной плоскости. Второе ответвление почти вдвое уменьшает ближнюю часть, потому что поток делится между двумя стволами, но мало меняет дальнюю: флюиду с края области всё равно нужно пройти тот же путь. Поэтому выигрыш меньше двух и тем больше, чем большая доля сопротивления — ближняя.

Расчётный примерДва ответвления в противоположные стороны против одного

Исходные данные (условные)

Пласт и нефть: из урока об установившемся притоке: $k_h$ = 60 мД, $h$ = 18 м, $\mu$ = 1,8 мПа·с, $B$ = 1,25, $r_w$ = 0,108 м; $k_v/k_h$ = 0,2, как в уроке о горизонтальных скважинах
Область дренирования: радиус $r_{eh}$ = 1000 м
Варианты: одно ответвление 500 м; два ответвления по 500 м из одного узла в противоположные стороны — один прямой ствол 1000 м; для сравнения — вертикальная скважина

Решение

Индекс анизотропии $I = \sqrt{1/0{,}2} = 2{,}236$ , $I h = 40{,}25$ м. Вертикальное слагаемое для 500 м: $\dfrac{40{,}25}{500}\ln\dfrac{40{,}25}{0{,}108\cdot3{,}236} = 0{,}0805\cdot4{,}7464 = 0{,}3821$ ; для 1000 м — $\dfrac{40{,}25}{1000}\cdot4{,}7464 = 0{,}1910$ .
Горизонтальные слагаемые: для 500 м полуось $a = 250\sqrt{0{,}5 + \sqrt{0{,}25 + (2000/500)^4}} = 1015{,}7$ м и $\ln\dfrac{1015{,}7 + \sqrt{1015{,}7^2 - 250^2}}{250} = 2{,}0795$ ; для 1000 м $a = 1064{,}3$ м и $\ln\dfrac{1064{,}3 + \sqrt{1064{,}3^2 - 500^2}}{500} = 1{,}3882$ .
Сопротивления: $R_1 = 2{,}0795 + 0{,}3821 = 2{,}4616$ , $R_2 = 1{,}3882 + 0{,}1910 = 1{,}5792$ ; у вертикальной скважины $\ln(1000/0{,}108) = 9{,}1334$ .
Продуктивность $J = 0{,}536\cdot60\cdot18/(1{,}8\cdot1{,}25\cdot R) = 578{,}88/(2{,}25\,R)$ : одно ответвление — 104,5, два — 162,9, вертикальная скважина — 28,2 м³/(сут·МПа).
Выигрыш второго ответвления: $162{,}9/104{,}5 = 1{,}56$ вместо 2; два одиночных ствола, каждый в своей такой же области, дали бы $2\cdot104{,}5 = 209{,}0$ .

Ответ: Два ответвления по 500 м дают 162,9 м³/(сут·МПа) — в 1,56 раза больше одного и в 5,8 раза больше вертикальной скважины.

Что это значит. Второе ответвление вдвое уменьшило ближнее, вертикальное сопротивление (с 0,3821 до 0,1910), но дальнее, горизонтальное, сократилось лишь с 2,0795 до 1,3882: оба ствола дренируют одну область радиусом 1000 м. Если бы второе ответвление дренировало свою, отдельную область, его продуктивность сложилась бы с первой полностью — но это уже вопрос о запасах, а не о дебите. Данные примера условные.

Ответвления под другим углом прямой формулой не посчитать: их воронки депрессии перекрываются сложнее. Расчёт по модели суперпозиции (дополнительный раздел) даёт выигрыш двух ответвлений в зависимости от угла между ними.

РасчётРасчётный выигрыш двух ответвлений по 500 м против одного в пласте из примера в зависимости от угла между ними при радиусе области 1000 и 2000 м. Точка — ответвления в противоположные стороны (180°). Штриховая линия — выигрыш без взаимовлияния.

Угол. Чем меньше угол, тем сильнее воронки перекрываются: при 30° второе ответвление добавляет лишь около четверти продуктивности одного, при 90° — около 45 %, в противоположные стороны — около 55 %.
Область. Чем больше область, отведённая скважине, тем меньше выигрыш: в большой области дальнее сопротивление весомее, а его второе ответвление почти не уменьшает.
Анизотропия и скин. Чем меньше $k_v/k_h$ и чем больше скин, тем большая доля сопротивления — ближняя, и тем больше выигрыш. Для двух противоположных ответвлений в пласте примера он растёт с 1,53 при $k_v = k_h$ до 1,66 при $k_v/k_h$ = 0,02.

Расчётный примерСколько добавляют третье и следующие ответвления

Исходные данные (условные)

Пласт и область: из предыдущего примера; одно ответвление 500 м — $J_1$ = 104,5 м³/(сут·МПа)
Варианты: 2, 3, 4 и 6 ответвлений по 500 м из одного узла под равными углами (180°, 120°, 90° и 60°)
Расчёт: модель суперпозиции (дополнительный раздел)

Решение

Выигрыш против одного ответвления: два — 1,55, три — 1,87, четыре — 2,09, шесть — 2,36. Для двух ответвлений модель даёт 1,554, а стандартная формула в предыдущем примере — $162{,}9/104{,}5 = 1{,}559$ : разница 0,3 %.
Прибавка в долях одного ответвления: второе — $1{,}55 - 1 = 0{,}55$ , третье — $1{,}87 - 1{,}55 = 0{,}32$ , четвёртое — $2{,}09 - 1{,}87 = 0{,}22$ , пятое и шестое вместе — $2{,}36 - 2{,}09 = 0{,}27$ .
Продуктивность шести ответвлений: $2{,}36\cdot104{,}5 = 247$ м³/(сут·МПа).

Ответ: Шесть ответвлений продуктивнее одного в 2,36 раза, а не в 6; каждое следующее добавляет меньше предыдущего.

Что это значит. Так выглядит убывающая отдача: стволы теснятся в одной области, и каждый новый отнимает приток у соседей. Если ответвления стоят дорого, оптимальное их число невелико — часто два-три. Иначе обстоит дело, когда ответвления уходят в разные пласты или блоки, и в плотном пласте в первые месяцы и годы, пока воронки депрессии не сомкнулись (пример ниже). Данные примера условные.

Ответвления в разных пластах. Если пласты разобщены непроницаемой пачкой, ответвления не делят объём, и их продуктивности складываются полностью. Зато они делят ствол: забойное давление у них общее, как у пластов при совместной эксплуатации (общий забой и переток).

Расчётный примерОтветвления в двух разобщённых пластах

Исходные данные (условные)

Нижний пласт: пласт предыдущих примеров: ответвление 500 м — $J_1$ = 104,5 м³/(сут·МПа); пластовое давление 18,0 МПа
Верхний пласт: $k_h$ = 30 мД, $h$ = 9 м, $k_v/k_h$ = 0,3, та же нефть, область $r_{eh}$ = 1000 м; частично истощён — 15,0 МПа
Скважина: ответвление 500 м в каждом пласте; продукция смешивается в основном стволе; давления приведены к глубине узла

Решение

Верхний пласт: $I = \sqrt{1/0{,}3} = 1{,}826$ , $I h = 16{,}43$ м; вертикальное слагаемое $\dfrac{16{,}43}{500}\ln\dfrac{16{,}43}{0{,}108\cdot2{,}826} = 0{,}1310$ ; горизонтальное — 2,0795, как в первом примере; $R = 2{,}2105$ .
Продуктивность ответвления в верхнем пласте $J_в = 0{,}536\cdot30\cdot9/(2{,}25\cdot2{,}2105) = 29{,}1$ м³/(сут·МПа); всей скважины $104{,}5 + 29{,}1 = 133{,}6$ — пласты не делят объём, и продуктивности складываются.
Вертикальная скважина через оба пласта: $J = 0{,}536\cdot(30\cdot9 + 60\cdot18)/(2{,}25\cdot9{,}1334) = 35{,}2$ м³/(сут·МПа).
Остановка: давление в стволе $p_{ws} = (104{,}5\cdot18{,}0 + 29{,}1\cdot15{,}0)/133{,}6 = 17{,}35$ МПа; переток из нижнего пласта в верхний $29{,}1\cdot(17{,}35 - 15{,}0) = 68{,}4$ м³/сут.
Верхний пласт начинает работать, только когда забойное давление опустится ниже 15,0 МПа; нижний при этом даёт уже $104{,}5\cdot3{,}0 = 313{,}5$ м³/сут.

Ответ: Скважина с двумя ответвлениями продуктивнее вертикальной в 3,8 раза; но при разнице давлений 3 МПа в остановленной скважине нижний пласт перетекает в верхний со скоростью около 68,4 м³/сут, а при отборе меньше 313,5 м³/сут верхний пласт не работает.

Что это значит. Разобщённые пласты не мешают друг другу в пласте, и продуктивность складывается полностью. Зато ответвления в пластах с разным давлением — та же совместная эксплуатация со всеми её последствиями: истощённый пласт простаивает при малом отборе и принимает чужой флюид при остановке. Избежать этого можно узлом уровня 5 или 6 с раздельными каналами или клапанами на входе каждого ответвления. Данные примера условные.

Взаимовлияние во времени. Всё сказанное о выигрыше относится к установившемуся притоку. Сразу после пуска каждое ответвление работает как одиночный ствол: его воронка депрессии ещё не дошла до соседа. Время, за которое воронки сомкнутся, растёт как квадрат расстояния между стволами и обратно пропорционально пьезопроводности (Решение для линейного источника и функция давления, Режимы фильтрации).

Расчётный примерКогда ответвления начнут мешать друг другу

Исходные данные (условные)

Ответвления: два параллельных ответвления в 300 м друг от друга
Пласт: $\phi$ = 0,15, $\mu$ = 1,0 мПа·с, $c_t = 1{,}5\cdot10^{-3}$ МПа⁻¹; проницаемость 50 мД или 0,05 мД

Решение

Пьезопроводность $\eta = 3{,}553\cdot10^{-3}\,k/(\phi\mu c_t)$ (м²/ч при $k$ в мД): 789,6 м²/ч при 50 мД и 0,790 м²/ч при 0,05 мД.
Воронки сомкнутся, когда радиус исследования $\sqrt{4\eta t}$ дойдёт до середины между стволами, 150 м: $t = 150^2/(4\eta)$ — 7,1 ч при 50 мД и 7120 ч, около 297 сут, при 0,05 мД.

Ответ: В пласте 50 мД ответвления начинают мешать друг другу через несколько часов, в пласте 0,05 мД — примерно через десять месяцев.

Что это значит. В высокопроницаемом пласте взаимовлияние наступает практически сразу, и считать надо установившийся выигрыш. В плотном пласте ответвления долго работают как отдельные скважины: многоствольная скважина прежде всего ускоряет отбор, а сколько ответвлений оправдано, решает экономика ускорения (стоимость ускорения). Оценка порядковая: давление у соседа начинает меняться и раньше, только слабо (Решение для линейного источника и функция давления). Данные примера условные.

Риски многоствольных скважин

Узел. Порода у открытого узла может обрушиться и перекрыть ответвление, цемент узла уровня 4 трескается при большом перепаде, уплотнения узлов уровней 5–6 изнашиваются. Отказ узла может лишить скважину ответвления, а то и всей добычи.
Очистка. После бурения ответвления очищаются от раствора неодинаково: поток идёт туда, где сопротивление меньше, и хуже очищенное ответвление может так и не заработать в полную силу (Повреждение пласта и скин повреждения).
Вода и газ. Прорыв воды или газа в одно ответвление поднимает забойное давление и отнимает приток у остальных, как обводнившийся пласт при совместной эксплуатации (обводнение одного пласта). Отключить ответвление можно, только если узел и заканчивание это позволяют. Гребень воды под каждым ответвлением растёт так же, как под горизонтальной скважиной (гребень воды и газа).
Доступ и наблюдение. Понять, какое ответвление даёт воду, можно лишь исследованием каждого, а для этого в него нужно войти. Обработки, изоляция, ловильные работы в ответвлениях сложнее и дороже, чем в одиночном стволе.
Бурение. Пока бурят второе ответвление, первое открыто: поглощение в одном стволе и проявление из другого, сложное глушение; прихват инструмента у окна и на крутом наборе.
Сосредоточенный риск. Одна скважина вместо двух-трёх: при её отказе выпадает больше добычи сразу.

Несколько открытых стволов — несколько вскрытых пластов

Пока в скважине открыты два ствола или больше, давление в стволе действует на все вскрытые интервалы сразу: поглощение в одном может снизить уровень и вызвать приток в другом (Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления). Программы бурения, контроля скважины и глушения составляют для конкретной скважины по проекту и действующим правилам; расчёты урока показывают геометрию и порядок величин, а работы ведёт обученный персонал.

В Казахстане многоствольные, наклонно направленные скважины и скважины с горизонтальным участком ствола бурят по индивидуальным техническим проектам, которые должны обеспечивать выполнение всего комплекса геофизических исследований (Единые правила по рациональному и комплексному использованию недр, действующая редакция 2026 года; о проектных документах — Государственное регулирование освоения месторождений).

Когда многоствольная скважина окупается

Многоствольная скважина может принести две разные выгоды. Ускорение — те же запасы добываются быстрее, и деньги приходят раньше. Прирост извлекаемых запасов — ответвление вскрывает объём, который за срок жизни скважины иначе не работал бы: отдельный пласт, блок за разломом, невыработанный участок, линзу. Если же ответвление ляжет в уже дренируемую часть пласта, выгода сведётся к ускорению. Стоимость ускорения ограничена: даже мгновенный отбор не вернёт больше того, что дисконтирование отнимает у запасов сейчас (ускорение экспоненциального падения).

Экономию дают общие для ответвлений части: устье и площадка (на море — слот платформы или подводного куста, Концепции обустройства месторождений), верхний ствол и его обсадные колонны. Расходы добавляют узел, время на окна, отклонители и вход в ответвления, а также риск. Первая проверка — стоимость единицы продуктивности, как для горизонтальной скважины (окупится ли горизонтальная скважина); окончательно сравнивают NPV вариантов (Чистая приведённая стоимость (NPV)).

Расчётный примерОкупится ли второе ответвление

Исходные данные (условные)

Одиночная горизонтальная скважина: стоимость — 100 условных единиц, из них верхняя часть до узла $u$ , ответвление $100 - u$ ; продуктивность 104,5 м³/(сут·МПа) (первый пример раздела о продуктивности)
Скважина с двумя ответвлениями в противоположные стороны: та же верхняя часть, два ответвления, узел — 15 единиц; продуктивность 162,9 м³/(сут·МПа)
Риск: с вероятностью 10 % узел откажет, и скважина останется с одним ответвлением

Решение

Стоимость скважины с двумя ответвлениями: $u + 2(100 - u) + 15 = 215 - u$ . При $u$ = 60 (суша, умеренная глубина) — 155 единиц, при $u$ = 80 (море) — 135.
Стоимость единицы продуктивности: одиночная — $100/104{,}5 = 0{,}957$ ; с двумя ответвлениями — $155/162{,}9 = 0{,}952$ при $u$ = 60 и $135/162{,}9 = 0{,}829$ при $u$ = 80.
Безубыточность по этому показателю — когда $(215 - u)/162{,}9 = 100/104{,}5$ , то есть при $u = 215 - 100\cdot162{,}9/104{,}5 = 59$ .
С риском узла ожидаемая продуктивность $0{,}9\cdot162{,}9 + 0{,}1\cdot104{,}5 = 157{,}1$ , и порог поднимается до $u = 215 - 100\cdot157{,}1/104{,}5 = 65$ .

Ответ: Второе ответвление окупает себя по продуктивности, когда верхняя часть скважины стоит больше 59 % цены одиночной скважины, а с учётом риска узла — больше 65 %.

Что это значит. На суше с недорогим верхним стволом скважина с двумя ответвлениями в этом пласте почти ничего не выигрывает: ответвления делят одну область. На море, где слот и верхний ствол — основная часть цены, выигрыш заметен. Если ответвление достаёт запасы, недоступные одному стволу, оценка становится выгоднее; если узел требует уровня 5 или 6, дороже становится и сам узел. Окончательно сравнивают NPV вариантов с добычей, ремонтами и рисками за весь срок. Стоимости, доли и вероятность отказа условные.

Окупается чаще: на морских платформах и подводных кустах с ограниченным числом слотов; на тесных кустовых площадках; в глубоких скважинах с дорогим верхним стволом; в разобщённых пластах и блоках, которые не окупили бы отдельных скважин; в тонких, плотных и трещиноватых пластах; при тяжёлой нефти, где важна площадь контакта.
Окупается реже: в высокопроницаемом однородном пласте, где ответвления быстро начинают мешать друг другу; в слабых породах при высоких депрессиях, где нужен дорогой герметичный узел; там, где придётся часто изолировать воду и газ по ответвлениям; там, где геология известна плохо и ответвление легко провести не туда.

Термины и обозначения

Многоствольная скважина: основной ствол и одно или несколько ответвлений с общим устьем, работающие одновременно; многозабойной часто называют скважину, разветвлённую в самом пласте.
Основной (материнский) ствол: ствол от устья, из которого забуривают ответвления.
Ответвление (lateral): боковой ствол, отходящий от основного; обычно горизонтальный или пологий в пласте.
Узел соединения: место, где ответвление отходит от основного ствола; обеспечивает опору, изоляцию и доступ — в зависимости от уровня.
Уровни TAML: классификация узлов от 1 (открытый) до 6 (герметичный за счёт обсадной колонны).
«Рыбья кость»: короткие открытые рёбра по обе стороны горизонтального основного ствола.
Выигрыш от ответвлений $G_N$: во сколько раз $N$ ответвлений продуктивнее одного; в одном пласте всегда меньше $N$ .
Клин-отклонитель: стальной клин, по которому фреза прорезает окно в колонне и уходит в новое ответвление.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Два ответвления — два дебита».

На самом деле

В одном пласте ответвления делят область дренирования: в примере урока два ствола по 500 м в противоположные стороны дали в 1,56 раза больше одного, а шесть ответвлений — в 2,36 раза.

Неверно

«Узел — просто место, где ствол раздваивается».

На самом деле

От узла зависит, выдержит ли порода депрессию, можно ли отключить ответвление и войти в него. Эти свойства закладывают при проектировании узла: вход в ответвление после строительства не добавить, а герметичность — только заканчиванием уровня 5 поверх готового узла.

Неверно

«Ответвления в разных пластах складываются без последствий».

На самом деле

В пласте — да, в стволе — нет: при разных давлениях пласт с бóльшим давлением перетекает в пласт с меньшим, а истощённый пласт простаивает при малом отборе. Нужны раздельные каналы или клапаны.

Неверно

«Многоствольная скважина всегда дешевле двух горизонтальных».

На самом деле

Экономия — только на общей верхней части, а узел и риск добавляют затраты. В примере урока на суше с недорогим верхним стволом выигрыш почти нулевой, на море — заметный.

Неверно

«В плотном пласте ответвления всё равно мешают друг другу, поэтому их ставить бессмысленно».

На самом деле

Наоборот: в плотном пласте воронки депрессии смыкаются через месяцы и годы, и всё это время ответвления работают почти как отдельные скважины. Это главный довод за многоствольные скважины в низкопроницаемых пластах.

Подробно: для продвинутых

Как рассчитано взаимовлияние ответвлений

Ответвления в одном пласте считают сложением их воронок депрессии в горизонтальной плоскости. Каждое ответвление делят на участки длиной $\Delta$ с равномерным притоком внутри участка. Понижение давления, которое участок создаёт в точке пласта, при установившемся течении пропорционально среднему вдоль участка $\ln(r_{eh}/\rho)$ , где $\rho$ — расстояние от точки участка до этой точки. К этому добавляют сопротивление схождения потока к стволу по вертикали — то же слагаемое стандартной модели горизонтальной скважины, отнесённое к длине участка.

Ответвления в одном пласте: установившийся приток (сложение участков)

\frac{2\pi k_h h\,(p_e - p_w)}{\mu B} = \sum_j q_j\,G_{ij} + q_i\,\frac{I h}{\Delta}\left[\ln\frac{I h}{r_w(I + 1)} + S\right],\qquad G_{ij} = \frac{1}{\Delta}\int_{\Delta_j}\ln\frac{r_{eh}}{\rho_{ij}(s)}\,\dd s

где:

$q_j$ дебит $j$ -го участка ответвления в стандартных условиях, м³/с
$G_{ij}$ вклад участка $j$ в понижение давления в середине участка $i$ , —
$\rho_{ij}(s)$ расстояние от середины участка $i$ до точки $s$ участка $j$ , м
$\Delta$ длина участка, м
$r_{eh}$ радиус области дренирования скважины, м
$p_e,\ p_w$ давление на границе области и в стволах, Па
$I,\ h,\ r_w,\ S$ индекс анизотропии, толщина, радиус ствола, скин — как в стандартной модели, —, м, м, —
$k_h,\ \mu,\ B$ горизонтальная проницаемость, вязкость и объёмный коэффициент нефти, м², Па·с, м³/м³

Единицы: СИ; $\ln$ — натуральный логарифм

Справедливо, если

уравнение пишут для середины каждого участка; все участки находятся под одним давлением $p_w$ — трения в стволах нет;
граница с постоянным давлением $p_e$ на расстоянии $r_{eh}$ учтена приближённо, как в стандартной модели; для ответвлений, расходящихся из центра области под равными углами, точное решение для круга (метод отражений) даёт те же выигрыши с точностью до 0,5 %, хотя ответвления доходят до половины радиуса;
схождение к стволу по вертикали у разных ответвлений не перекрывается: ответвления удалены друг от друга больше, чем на $I h$ , кроме окрестности узла, где модель немного завышает выигрыш; поэтому кривая выигрыша начинается с 15°.

Это система линейных уравнений — по одному на участок. Её решение даёт дебиты участков, а их сумма, делённая на $p_e - p_w$ , — продуктивность системы ответвлений. Интеграл в $G_{ij}$ берётся в элементарных функциях.

Проверки модели. Для одного прямого ствола без вертикального слагаемого расчёт стремится к $\ln(4r_{eh}/L)$ — пределу горизонтального слагаемого стандартной модели при $r_{eh} \gg L$ . С вертикальным слагаемым модель даёт сопротивление на 3 % больше стандартного (2,53 против 2,46 для ответвления 500 м в пласте примеров): ближнее сопротивление выравнивает приток вдоль ствола, а стандартная модель складывает горизонтальное слагаемое бесконечно проводящего ствола и вертикальное — для равномерного притока. Поэтому из модели берут только отношения — выигрыш, — а продуктивность одного ствола считают по стандартной формуле. Для двух ответвлений в противоположные стороны модель и стандартная формула совпадают с точностью до долей процента. Сорока участков на ответвление хватает, чтобы выигрыш не менялся в третьем знаке.

Связь с другими темами

Горизонтальные скважины — продуктивность одиночного ствола, скин, трение в стволе и гребень воды.
Отклоняющие инструменты и забойные двигатели — клин-отклонитель и окно в колонне для ответвления.
Наклонно-направленные скважины: применение и профиль — радиус кривизны и интенсивность набора угла.
Одновременно-раздельная эксплуатация пластов — общий забой, переток и раздельная эксплуатация пластов.
Принцип суперпозиции — сложение воронок депрессии нескольких стволов.
Заканчивание скважины: вскрытие пласта и лифтовая колонна — конструкции забоя, из которых выбирают заканчивание ответвлений.
Проекты ускорения добычи и приростной анализ — сколько стоит ускорение отбора тех же запасов.
Концепции обустройства месторождений — слоты платформ, подводные кусты и кустовые площадки.
Сроки и стоимость бурения — из чего складывается стоимость скважины и её частей.

Проверьте себя

1
Два ответвления по 500 м пробурены из одного узла под углом 30° друг к другу в однородном пласте. Чего ждать от второго ответвления?
1. А.Того же, что от ответвления в противоположную сторону
2. Б.Снижения продуктивности
3. В.Удвоения продуктивности
4. Г.Небольшой прибавки: ответвления близки и сильно мешают друг другу
Показать ответ
Правильный ответ: Г. Небольшой прибавки: ответвления близки и сильно мешают друг другу
При малом угле воронки депрессии стволов почти совпадают. По расчёту урока при 30° выигрыш около 1,24, при 90° — около 1,44, а в противоположные стороны — около 1,55 (радиус области 1000 м).
2
Ответвления в двух пластах с разным давлением должны работать по отдельным колоннам НКТ, и одно из них придётся отключать при прорыве воды. Узел какого уровня TAML нужен?
Показать ответ
Нужна гидравлическая изоляция узла — уровень 5, где её дают пакеры над узлом и в ответвлении с раздельными каналами, или уровень 6, где её даёт сама обсадная колонна: только такие узлы держат перепад давления между пластами у самого узла. Узел уровней 2–4 с двухлифтовой компоновкой выше него тоже позволяет вести потоки раздельно, но сам перепад не держит (на уровнях 2–3 его несёт порода, на уровне 4 — цемент), и при разнице давлений пластов это слабое место.
3
Почему второе ответвление даёт больший выигрыш в анизотропном пласте с малой вертикальной проницаемостью?
1. А.Выигрыш от анизотропии не зависит
2. Б.В анизотропном пласте ответвления не мешают друг другу
3. В.Большая часть сопротивления — схождение к стволу по вертикали, а его второе ответвление уменьшает почти вдвое
4. Г.Малая $k_v$ уменьшает горизонтальное слагаемое
Показать ответ
Правильный ответ: В. Большая часть сопротивления — схождение к стволу по вертикали, а его второе ответвление уменьшает почти вдвое
Второе ответвление делит поток пополам и потому вдвое уменьшает ближнее, вертикальное сопротивление, но мало меняет дальнее. Чем больше доля ближнего, тем больше выигрыш: для двух противоположных ответвлений в пласте примера он растёт с 1,53 при $k_v = k_h$ до 1,66 при $k_v/k_h$ = 0,02.
4
Узел на 40 м по вертикали выше кровли пласта, зенитный угол основного ствола у узла 60°. Какая интенсивность набора нужна, чтобы ответвление вышло на горизонталь у кровли? А если угол у узла 30°?
Показать ответ
$R = 40/(1 - \sin 60^\circ) = 40/(1 - 0{,}8660) = 298{,}5$ м, $i = 1718{,}9/298{,}5 \approx 5{,}8$ °/30 м — большой радиус. При 30° у узла $R = 40/(1 - 0{,}5) = 80$ м и $i \approx 21{,}5$ °/30 м — круче среднего радиуса: узел выгоднее ставить там, где основной ствол уже сильно наклонён, или выше над пластом.
5
На суше верхняя часть скважины стоит 40 % цены одиночной горизонтальной скважины, узел — 15 %, второе ответвление в этом пласте даёт выигрыш 1,5. Что показывает стоимость единицы продуктивности?
1. А.Сравнить нельзя
2. Б.Одиночная выгоднее: 175 единиц за полторы продуктивности дороже, чем 100 за одну
3. В.Скважина с двумя ответвлениями выгоднее
4. Г.Варианты равноценны
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Одиночная выгоднее: 175 единиц за полторы продуктивности дороже, чем 100 за одну
Скважина с двумя ответвлениями стоит $40 + 2\cdot60 + 15 = 175$ единиц и даёт 1,5 продуктивности одиночной: $175/1{,}5 \approx 117$ против 100 на ту же продуктивность. Окупить её могут прирост запасов, недоступных одному стволу, или более дорогая верхняя часть, как на море.
6
Два параллельных ответвления в 200 м друг от друга в пласте с пьезопроводностью 2 м²/ч. Когда они начнут заметно мешать друг другу?
Показать ответ
По порядку величины — когда радиус исследования $\sqrt{4\eta t}$ дойдёт до середины между стволами, 100 м: $t \approx 100^2/(4\cdot2) = 1250$ ч, около 52 суток. До этого ответвления работают почти как отдельные скважины, затем их суммарный дебит падает быстрее, чем у двух независимых стволов.

Обновлено: 18 октября 2026 г.