 |
Список подрисуночных подписей к главе 9
|
|
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 9. Технология проведения скважин в заданном направлении
9.1. Основные понятия и области применения направленного
бурения скважин
9.2. Проектирование трасс направленных и многоствольных
9.3. Методика и технология бурения направленных и
многоствольных скважин
9.4. Бурение горизонтальных и восстающих скважин
СПИСОК ПОДРИСУНОЧНЫХ ПОДПИСЕЙ К ГЛАВЕ 9
| Рис. | Схема определения координат (и их приращений) простран-ственного положения скважины |
| Рис. | Структурная схема последовательности анализа для определения вида трассы направленной скважины |
| Рис. | Схема постановки пробки – забоя ПЗ и стационарного клина КОС для забуривания дополнительного ствола А – гидропривод, Б – пробка – забой, В – клин, Г – забуривание дополнительного ствола. 1 – переходник, 2 – поршень, 3 – шарик, 4 – шток, 5 – корпус гидропривода, 6 – втулка, 7 – ниппель, 8 – конус распорный, 9 – плашки, 10 – корпус пробки, 11 – направляющий шток, 12 – установочный патрубок, 13 – желоб, 14 – конуса, 15 – колонна, 16 – переходник, 17 - долото |
| Рис. | Жесткие и шарнирные компоновки конструкции ДО ИМР |
| Рис. | Снаряд плавного искривления типа СПИ конструкции «Востказгеологии» 1 – долото, 2,6,10 – алмазные коронки, 3,7,11 – колонковые трубы, 4,8 – нижний и верхний удлинители, 5,12 – шарниры, 9 – муфта, 13 - переходник |
| Рис. | Схемы центрирующих компоновок ССК конструкций разных организаций (по В.В.Нескоромных) А.ВИТР: 1 – коронка, 2 – алмазный расширитель, 3 – центратор алмазный, 4 – трубы колонковые, 5 – релитовый переходник Б.КазИМС: тоже, но 3 – центратор твердосплавный, 6 – шестигранная труба полного размера В. Кировгеология: тоже, но 7 – центратор со вставками славутича Г. Востказгеология: 6 – труба профильная с нечетным числом граней, 4 – труба полного размера Д. – тоже, 3 – удлиненный твердосплавный центратор Е. Ташкентгеология: 8 - труба винтовая (гидромеханический центратор – стабилизатор) Ж.З. Компоновка «Mini-Deve»: 2' – расширитель, 9 – втулка, 10 – стабилизатор со спиральными канавками |
| Рис. | Схемы центрирующих компоновок для бескернового бурения шарошечными долотами (по В.В.Нескоромных) 1 – бурильная труба, 2 – ниппель трубы, 3 – ниппель, 4 – трехгранный стабилизатор, 5 – расширитель, 6 – долото, 7 – шарнир, 8 – трех- или четырехгранный центратор, 9 – толстостенная труба, 10 – ниппель |
|
|
|
| Рис. | Действительная (1) и рациональная трасса пологовосстающей скважины (угол забуривания +9,70): а – участок восстания; б – горизонтальный участок; с – участок выкручивания |
| Рис. | Действительное выкручивание стволов (б, г) пологовосстающих скважин, заданных под углами 9,70 (а,б) и 6,50 (в,г) |
| Рис. | Компоновка для увеличивания зенитного угла горизонтальных скважин (см. КЖК, КПИИ в главе 4): 1 – бурильная труба, 2 – утяжеленная труба, 3 – колонковая труба, 4 – расширитель или армированный стабилизатор (центратор), 5 - коронка |
Глава 9. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ СКВАЖИН В ЗАДАННОМ
НАПРАВЛЕНИИ
9.1. Основные понятия и области применения направленного бурения скважин
Бурение скважин любого назначения (от структурных, поисково-разведочных до технических) имеет определенную цель, направленную на получение геологической, геофизической, технической или иной информации в строго установленном пункте пространства. С этой точки зрения все буримые скважины являются направленными, а их пространственное положение должно контролироваться инклинометрами. Успешность бурения скважины, таким образом, обеспечивается в том случае, когда отбор керна производится такой полноты и объема, которые достаточны для получения исчерпывающей и достоверной информации о геологии вмещающих пород, содержании и распределении полезного компонента, морфологии и структуре пород и тела полезного ископаемого, а керн отобран равномерно по изучаемой площади горных пород и ориентирован относительно их элементов залегания.
|
|
|
Следует иметь в виду, что скважина – это цилиндрическая горная выработка в земной коре, поперечные размеры которой незначительны в сравнении с длиной, поэтому при построении геологического разреза она, как правило, изображается как линия в пространстве. В связи с этим такая линия или ось скважины может быть охарактеризована двумя понятиями:
- действительная ось – это геометрическое место точек, образующихся при перемещении центра поверхности разрушающегося забоя скважины по мере его углубки породоразрушающим инструментом. Она представляет собой плоскую или пространственную кривую, отображающую фактическую форму скважины с локальными перегибами, бесконечно малыми по сравнению с длиной, и поэтому может быть изображена как непрерывная плавная линия, которую можно изображать как траекторию движения вектора скорости бурения породоразрушающим инструментом, принимаемым за материальную точку
[ ] и представляющую собой траекторию скважины;
- приближенная ось, фиксируемая инклинометрической аппаратурой, отображает общее пространственное искривление ствола в дискретных точках. По сравнению с действительной осью она представляет собой плоскую или пространственную линию, состоящую из отрезков прямых и(или) простых дуг, примыкающих друг к другу. При графических построениях стволов скважин по дискретным точкам, отстоящим друг от друга на некоторых расстояниях, принимаемых за прямую линию, такая ось является ломанной линией и изображается как трасса скважины.
Скважина, как математическое понятие траектории непрерывного поступательного движения бурового породоразрушающего инструмента в пространстве, и трасса, как ее дискретное графическое отображение в форме ломанной линии, характеризуются координатами положения и направления, показанными на рис.
|
|
|
Непрерывное определение координат траектории геологоразведочных скважин в настоящее время, как правило, не производится, а их координаты (или приращения) определяются по отдельным дискретным точкам инклинометрической съемки в географических прямоугольных декартовых координатах трехмерного пространства, где обычно выделяют: Х0, Y0, Z0 – начальные координаты заложения скважины; X i, Y i, Z i – ее текущие координаты в i точке, например, А i и Хк, Yк, Zк координаты подсечения рудного тела скважинной конечного забоя точки К i *).
На практике пространственное положение или направление скважины определяются по данным инклинометрической съемки в полярной координатной системе, т.к. большинство инклинометров осуществляют прямое измерение в вертикальной и горизонтальной плоскостях основных полярных параметров: в вертикальной плоскости зенитного угла q i, или угла наклона d, в горизонтальной плоскости азимутального угла или азимута a i; глубина измеряется также в каждой текущей i -той точке (например, А i).
Зенитным углом q скважины называется угол между вертикалью (линия OZ в любой текущей точке измерения) и осью скважины ОА i (вектором скорости бурения) или касательной к ней в данной точке. Угол между осью скважины или касательной к ней и горизонталью в той же точке называется углом наклона d. Сумма зенитного угла и угла наклона равна 900: 
. При увеличении зенитных углов происходит «выполаживание», а при уменьшении – «выкручивание» скважины.
Азимутальным углом или азимутом a i скважины называется угол, отсчитываемый по часовой стрелке (в северном полушарии) и лежащий в горизонтальной плоскости и образованный каким-либо ориентированным направлением, принятым за начальный отсчет, например, 0х и горизонтальной проекцией оси скважины (вектора скорости бурения) в любой ее точке А i. В зависимости от выбора начального направления отсчета азимут может быть истинным, магнитным или условным. В первом случае отсчет ведется от географического, во втором – от магнитного меридиана, а в третьем – от направления на произвольно взятый репер, географические координаты которого известны. При увеличении азимутального угла происходит правое «+», а при уменьшении левое «-» азимутальное искривление скважины.
|
|
|
Глубина L скважины представляет собой расстояние по ее стволу от устья 0 до забоя Ki или любой i точки замера углов. Измеряя глубины (длины) ствола производят по буровому снаряду в процессе его подъема из скважины и при контрольных замерах, которые производятся периодически по мере углубки скважины. Замеры следует также осуществлять перед постановкой искусственного отклонителя в скважине, а также после ликвидации аварий и осложнений.
Для изображения положения скважины в пространстве в координатной системе ее точки рассчитываются для осей Х, Y, Z, например, точка Аi проектируется на горизонтальную плоскость осей Х, Y (точка А1 с координатами С1, С3) на вертикальную плоскость осей Х, Z (точка А2 с координатами С1, С2) и вертикальную плоскость осей Y, Z (точка А3 с координатами С2, С3). При построении геологических разрезов ее ось проектируют на две плоскости: вертикальную и горизонтальную и называют вертикальной ОА2 (профиль) и горизонтальной ОА1 (план) проекцией скважины, а величины отрезков А1С1 и АА1 определяют собой отход или смещение забоя скважины от вертикальной и горизонтальной плоскостей.
Вертикальная плоскость, проходящая через ось скважины, и вертикаль в любой точке оси называется апсидальной (зенитной) плоскостью, а двугранный угол, отсчитываемый по ходу часовой стрелки между апсидальной плоскостью и плоскостью искривления, апсидальным углом.
В зависимости от изменения текущего направления скважины могут быть прямолинейными и искривленными. Прямолинейными называют скважины, которые сохраняют свое первоначальное положение, заданное при заложении, с незначительными изменениями по сравнению с запроектированным. Искривленными являются скважины, которые изменяют в процессе бурения свое текущее направление относительно заданного при заложении. При этом изменение только зенитных углов в процессе бурения скважины вызывает ее зенитное искривление, оно происходит только в одной – вертикальной плоскости и через ось такой скважины можно провести только одну апсидальную плоскость. Изменения только азимутальных углов вызывает азимутальное искривление скважин.
Практически при искривлении скважин происходит совместное изменение зенитных и азимутальных углов, что вызывает пространственное или общее искривление скважин. Все скважины, пробуренные по плоскостной или пространственной криволинейной оси, являются искривленными. Таким образом, под искривлением следует понимать изменение положения оси или траектории скважины в пространстве к ее начальному положению, заданному при заложении скважин на дневной поверхности, в то время как расхождение между действительным положением скважины и ее проектной прямолинейной или криволинейной осью в любой данной точке ствола следует называть отклонением скважины от ее проектной трассы.
|
|
|
В процессе бурения преобладающее большинство скважин искривляется. Искривления многих скважин имеют достаточно стабильный, постоянно повторяющийся с высокой степенью вероятности характер и интенсивность по всей скважине или по конкретной толще пород и могут считаться закономерными; другие имеют случайный, не постоянный характер, их повторяемость и величины интенсивностей недостаточно стабильны, то есть устанавливаются на данном этапе исследования лишь невысокой степенью вероятности и поэтому должны считаться незакономерными.
В общем случае, любое непреднамеренное искривление скважин, происходящее из-за непостоянства физико-механических, структурных и других свойств горных пород и их углов наклонов или углов встречи со скважиной (геологические факторы) и технологических режимов их бурения, состава колонковых наборов, породоразрушающего инструмента и т.п. (технологические факторы) и действующих раздельно или совместно, может быть названо естественным искривлением скважин.
Изменение положения оси скважины в пространстве при применении специальных отклонителей или в результате заранее заданного изменения комплекса технологических приемов (технологических режимов и видов бурения, состава и размеров компоновок колонковых наборов, центраторов, породоразрушающего инструмента и т.п.) называется искусственным искривлением скважины. Бурение скважин с использованием их естественного искривления называется направленным бурением. Таким образом, под направленным бурением следует понимать бурение любых направленных, многоствольных, многоствольно-кустовых, горизонтальных и восстающих скважин всех разновидностей, пробуренных любым видом породоразрушающего инструмента. При этом:
а) под направленными подразумеваются любые скважины с вертикальным, наклонным и горизонтальным заложением, при проектировании которых заранее были рассчитаны углы заложения и проектная трасса с учетом естественного и(или) искусственного искривления, предусмотрены и применены технические и технологические приемы и меры предупреждения или регулирования интенсивности искривления, в том числе специальные отклоняющие средства;
б) Под многоствольными подразумеваются такие направленные скважины, из основного ствола которых пройдены один или несколько дополнительных (в том числе ранее пробуренных) стволов того же или меньшего диаметра с любой трассой и с отклонениями их забоев, величина которых предусмотрена положением проектных пунктов разведочных сетей или геологическим заданием, а также для целей повторного опробования или других целей;
в) под многоствольно-кустовыми подразумеваются скважины, из основного ствола которых проходится один или несколько (серия или куст) укороченных стволов с небольшими нестандартными отклонениями их забоев того же или меньшего диаметра по полезному ископаемому, имеющие целью обеспечить повышение информации и достоверности по каждому пункту (пересечению) разведочной сети, плотность которой в этом случае должна быть соответствующим образом разрежена как по рудной, так и дневной поверхности [ ].
Количественное изменение значений зенитных и азимутальных углов, отнесенное к единице длины ствола скважины, характеризует степень происходящего при этом искривления скважины и называется интенсивностью искривления или кривизной К, которая представляет собой отношение приращения величины зенитного ±Dq или азимутального ±Da углов на определенном участке D l длины скважины, обоснование и выводы формул даны в учебном пособие В.П.Зиненко, С.С.Сулакшина и других [ ]:
, град/м ()
, град/м ()
где q0, qА и a0, aА – зенитные и азимутальные углы в точках О и А, а Dq и Da - углы смежности между этими точками по дуге Dl.
Интенсивность азимутального искривления является условной характеристикой искривления, так как она в существенной степени зависит от величин зенитных углов на рассматриваемом интервале ствола: при прочих равных условиях ее величина тем больше, чем меньше зенитный угол на данном интервале скважины.
При равномерной постоянной интенсивности искривления скважины в одной плоскости ее криволинейная ось будет представлять собой дугу окружности. Средняя кривизна «К» такой дуги радиуса R является величиной, обратной радиусу:
, радиан ()
, м ()
Практически колонковые скважины в основном имеют пространственные искривления, а оценка их интенсивности искривления должна осуществляться по суммарному или общему изменению зенитных и азимутальных углов. Такой угол называется общим или полным s пространственным углом и определяться из следующих выражений, приведенных ранее в главе 4.
а. По С.С.Сулакшину
, град ()
б. По А.Лубинскому
, град. ()
При зенитных углах менее 150 следует пользоваться упрощенной формулой:
, град ()
Области применения направленного бурения скважин весьма разнообразны и обоснованы в работах С.С.Сулакшина, Е.Л.Лиманова, Ю.С.Костина, Ю.Т.Морозова и др. [ ].
Наиболее значимыми для целей направленного бурения являются:
- месторождения с благоприятными условиями для проектирования трасс (типовых, комбинированных, индивидуальных) глубоких скважин и с возможностями применения методов оперативного управления процессом их направленного бурения; разрезы с неустойчивыми, обрушающимися, многолетнемерзлыми и другими породами, в которых рационально проектирование вертикальных и вертикально-наклонных скважин (в том числе с использованием высоких мачт, вышек) для снижения времени спуско-подъемных операций;
- районы с гористым, таежным, болотистым и другими сложным рельефом или местностью, районы с плотным расположением промышленных зданий и сооружений, а также действующих или выработанных горных выработок, для обхода которых нужно проектировать индивидуальные трассы скважин и специальные многоствольные скважины;
- проверка аномальных зон, установленных геофизическими методами, в т.ч. между ранее пробуренными скважинами или пройденными горными выработками;
- доразведка и сгущение разведочных сетей (в основном, когда ранее пробуренные скважины использовать затруднительно), а также доразведки в процессе эксплуатации месторождений;
- бурение вертикальных или наклонных скважин специального и технического назначения (под стволы горных выработок, вентиляционные, спасательные, гидрогеологические и др.);
- бурение горизонтальных, восстающих скважин и многие другие случаи.
Многоствольные скважины должны проходиться прежде всего для обеспечения проектной плотности разведочной сети (обычные скважины) и для повышения геологической информативности и достоверности оценки и содержания рудной зоны (многоствольно-кустовые) с одновременным сокращением объемов бурения и других сопутствующих работ; такая методика должна предусматриваться при проектировании с первых этапов работ;
- для проверки аномальных зон и проявлений, установленных скважинными геофизическими методами в межскважинных пространствах путем бурения дополнительных стволов из бурящихся или ранее пробуренных скважин;
- поиски слепых и оконтуривание рудных тел сложных структур и морфологии, особенно глубокозалегающих;
- исследование состава, структуры, трещиноватости и других факторов смещающих горных пород в районах заложения крупных глубоких эксплуатационных горных выработок (например, Северо-Уральский бокситоносный, Норильский районы и др.);
- прослеживание на глубину крутопадающих рудных тел, зон и аномалий, установленных в поверхностных областях с целью строительства более крупных и экономичных горных выработок;
- отбор технологических проб значительной массы на больших глубинах для замены проходки дорогостоящих горных выработок, обеспечивающих значительное снижение затрат времени и средств;
- обход интервалов аварий, осложнений, горных выработок, соединение горных выработок и т.п.
9.2. Проектирование трасс направленных и многоствольных скважин
При поисках и разведке месторождений, также как и при других инженерно-геологических работах, бурение любой скважины имеет целью выполнение определенной геологической задачи. Поэтому объективное проектирование трассы (траектории) такой скважины и затем бурение скважины в соответствии с проектной трассой обеспечивает выполнение ею поставленной задачи и является главным требованием методики разведки месторождений и других геолого-технических буровых работ.
|
|
|
