Приемы снижения и увеличения кривизны скважин

 

Эффективным средством снижения интенсивности искривления скважин является применение несбалансированных тяжелых труб, устанавливаемых над колонковым снарядом (см.табл.). Применение такого низа вынуждает бурильную колонну в основном вращаться по лежачей стенке скважины и при условии достаточности ее массы исключается ориентация низа колонкового снаряда в направлении действия геологических факторов. Это достигается изменением формы поперечного сечения трубы таким образом, чтобы ее жесткость на изгиб в направлении главных осей сечения была неодинакова, что будет вызывать дополнительные затраты энергии на изгиб трубы в плоскости наибольшего сопротивления изгибу (в плоскости ребра), в то время как для труб круглого сечения в любой плоскости затрачивается одинаковая работа. Поэтому, чем больше жесткость некруглой трубы на изгиб, тем больше будут затраты энергии для вращения колонны вокруг собственной изогнутой оси и тем более вероятным будет вращения такой трубы вокруг оси скважины со скоростью вращения бурильной колонны.

При бурении геологоразведочных скважин с использованием труб некруглого (трехгранного и других форм) сечения получено снижение интенсивности искривления скважин по сравнению со стандартной компоновкой.

Эффективными являются компоновки со смещенной массой КСМ, а также дебалансовые снаряды ТПИ, в которых между двумя колонковыми трубами установлен ниппель с эксцентрично закрепленным внутри грузом. Применение таких компоновок позволило снизить интенсивность естественного искривления в 2-3 раза, что обусловлено вращением изогнутого колонкового набора вокруг оси скважины. Для компоновки диаметром 76 мм длина должна должна быть 6,5-7,0 м; для диаметра 59 мм 5,5-6,0 м. Рекомендуется такой же принцип для колонковых наборов ССК-59 с фрезерованием для смещения центра тяжести одной из стенок наружной колонковой трубы. Последствия указанных мероприятий, однако, недостаточно изучены: в частности, возможно возникновение вибраций и повышение одностороннего износа алмазного инструмента.

Наиболее надежные результаты могут быть получены при применении специальных шарнирных и ступенчатых компоновок, снарядов плавного искривления типа СПИ, ТС, фрезерно-шарнирных КФШ (рис.) Как шарнирные, так и ступенчатые компоновки обеспечивают удовлетворительные результаты по увеличению интенсивности искривления скважин прежде всего при совпадении направления действия компоновки и естественного искривления. Ступенчатые компоновки в меньшей степени зависят от естественного искривления и с большей вероятностью обеспечивают в ряде случаев набор кривизны. Осевую нагрузку и скорость вращения колонны на первых метрах бурения (примерно в пределах длины компоновки) рекомендуется снижать по сравнению с обычным режимом и устанавливать над шарниром трубы тяжелого низа. Это ограничение связано с необходимостью предотвращения опрокидывания компоновки и удержания шарнира на лежачей стенке.

Перспективными являются методы управления процессом направленного бурения скважин технологическими приемами и компоновками гидроударного бурения [ ].

Зарубежные фирмы уделяют пристальное внимание проблеме снижения интенсивности естественного искривления скважин, буримых ССК; при этом основными направлениями разработки технических средств являются:

- обеспечение максимального центрирующего эффекта набора, что реализовано в компоновке типа "Мини-Дрилл", "Мини-Деве";

- повышение устойчивости наборов, что достигается уменьшением числа резьб и высокой точностью изготовления элементов набора; основное внимание уделяется соосности элементов компоновки;

- разработка коронок определенных конструкций, позволяющих бурить при пониженных осевых нагрузках.

Таким образом основные направления решения проблемы совпадают с решениями, выполняемыми в отечественной практике.

Наиболее широкая реализация выполнена в результате разработки компоновки для ССК типа Мини-Деве (рис.). Она выпускается в четырех типоразмерах AQ, BQ, NQ, HQ.

В состав компоновки (рис. - компоновка разобрана, рис. – собрана)

входят коронка 1, специальный расширитель 2^', имеющий удлиненный корпус, на который надевается втулка 9. Наружный диаметр этой втулки близок к диаметру расширителя 2^'. Между верхней частью корпуса расширителя 2^' и внутренней поверхностью втулки 9 образуется канал для прохода жидкости, которая выходит через отверстия во втулке 9. Выше втулки 9 ставятся два-три стабилизатора 10 со спиральными канавками. Длина расширителя 2 и втулки 9 равна 600 мм. Предусмотрена возможность установки дополнительных центрирующих узлов на расстоянии 2,1 и 3,6 м от коронки 1. Зазор между корпусом компоновки и стенками скважины составляет не более 0,15 мм.

Успешные результаты получены при создании компоновок для обычного алмазного бурения. Для снижения интенсивности сильного естественного искривления скважин наиболее эффективными оказались компоновки колонковых наборов с центраторами (рис.), которые представляют собой муфты с каналами для прохода промывочной жидкости, выполненными по винтовой линии. Центрирование обеспечивает за счет минимального зазора между центратором и стенкой скважины, а также возникновения при высокой частоте вращения колонны гидродинамического центрирующего эффекта.

Компоновка ТСБИС с центратором с невращающимся корпусом состоит из центратора и ниже гидродинамического центратора, соединенных колонковой трубой с наплавками релита или сормайта длиной 3-6 м и шириной 0,8-1,2 см, располагаемых на трубе через 90⁰ в шахматном порядке. Их применение эффективно для снижения интенсивности искривления скважин при совместном использовании с гидроударными машинами типа ГВ; такая компоновка позволяет снизить интенсивность искривления скважин в 2,0-2,5 раза.

Использование компоновки, состоящей из стандартного колонкового набора с одним или двумя четырехгранным центратором-стабилизатором, установленным над набором (рис. 9.6.), позволяет снизить изгиб колонкового набора и создает условия более стабильного обращения набора вокруг оси скважины, что снижает ее интенсивность искривления. Аналогично разработаны колонковые наборы со смещенным центром тяжести поперечного сечения (КСМ, КазИМС). Они изготовляются из стандартных колонковых труб с закреплением на ее внутренней поверхности металлической полосы*, которая в сечении имеет форму кольцевого сектора с углом охвата 30-40⁰. При их использовании происходит снижение интенсивности естественного искривления, уменьшался уровень вибрации и повышалась механическая скорость бурения.

Механизм работы КСМ основывается на регулировании центробежной силы при обращении компоновки вокруг оси скважины в направлении, заданном буровым станком, в связи с чем другие виды движения компоновки КСМ в скважине маловероятны. Для снижения интенсивности естественного искривления скважин при бескерновом бурении шарошечными долотами также разработан ряд специальных компоновок, схемы некоторых из них даны на рис. На схеме "а" представлена компоновка диаметром 76,59,46 мм с трехгранным стабилизатором конструкции "Кировгеологии" длиной 4-6 м, грани которого армированы твердым сплавом ВК-8, что обеспечивает: снижение интенсивности естественного искривления в 2-3 раза; увеличивается углубка за рейс на 10-20%, имеет значительный ресурс до 500 м (с реставрацией резьбовых соединений). На схеме "б" дана аналогичная компоновка диаметром 73 мм конструкции "Иркутского политехнического института", в которой стабилизатор изготовлен из коротких патрубков длиной 0,4 м, соединенных толстостенными трубами с удлиненными конусными резьбовыми соединениями и шарнирным переходником для устранения деформации компоновки при бурении. На схеме "в" компоновки КББ-59, 76 конструкции "Севзапгеологии" (Б.Е.Стеблова) с четырехгранными армированными центраторами и соединительными патрубками. Наработка на компоновку до первой

реставрации составлена 65 м, общая до 200-300 м.

 

9.4. Бурение горизонтальных и восстающих скважин

 

Бурение горизонтальных и восстающих скважин является одной из областей направленного бурения. Для многих случаев горно-геологических условий при поисках и разведке месторождений цветных, полиметаллических, благородных металлов и т.п., несмотря на увеличение сложности и трудоемкости буровых работ, этот метод, особенно при замене им проведения подземных горных выработок, обеспечивает наибольшую геолого-информационную эффективность и минимальные затраты времени и средств. Учитывая особенности этой области направленного бурения, при проведении горизонтальных и восстающих скважин должны использоваться специальные технические средства и технология, включая обязательное изучение закономерностей искривления таких скважин.

Наиболее рациональной техникой для бурения горизонтальных и восстающих скважин являются специальные снаряды со съемными керноприемниками, а также другие специальные бурильные колонны, например КГК и компоновки их колонковых наборов. В России такой техникой является ССК-59Г-59ГНБ; -76ГНБ и БС-КГК-59 конструкции ВИТРа, а также снаряды и их компоновки ряда других организаций. В зарубежной практике, по исследованиям ВИТР, лучшими являются специальные конструкции ССК фирм Лонгир (США), Даймонт Борт (Бельгия), Бойлес Бразерс (Каната), Атлас Копко (Швеция). Указанная зарубежная техника рекомендуется для бурения главным образом пород средних категорий по буримости (VIII-IX). Отечественные ССК более универсальны и используются в породах средних и твердых категорий в разнообразных геологических условиях. Основные технические характеристики ССК конструкции ВИТР, рисунки которых приведены в главе 7, даны в табл.

Опыт направленного бурения указанными комплексами ССК в различных геологических условиях показал увеличение выхода керна на 20-30 % (до 80-95 %) и снижение интенсивности искривления скважин в 3-5 раз по сравнению с колонной СБТ-50 со стандартными колонковыми наборами.

Так, по результатам экспериментальных работ ВИТРа в ГГП «Гидроспецгеологии», при бурении горизонтальных и пологонаклонных (от –6⁰ до –15⁰) протяженностью до 800-900 м и восстающих (от +10⁰ до +25⁰) протяженностью до 656 м интенсивность отклонения скважин на конечной глубине составила следующие значения (табл.).

Аналогичные результаты получены на объектах Восточно-Кураминской и Сарыджазской ГРЭ. Снижение интенсивности направления и обеспечение прямолинейности горизонтальных и восстающих скважин большой протяженности достигается увеличением жесткости и центрирования наборов ССК постановкой системы специальных центраторов и расширителей, что резко снижает изгиб компоновки в целом в процессе бурения.

Особо следует отметить, что применение новой техники обеспечивает, по сравнению с СБТ-50, увеличение в 2-3 раза глубин скважин, в 1,5-2,5 раза механической, рейсовой и технической скоростей бурения, снижение в 3 раза затрат времени на спуско-подъемные операции, повышение ресурса бурильных труб в 1,5 раза, колонковых наборов – в 6-7 раз.

Еще более положительные результаты были достигнуты при бурении скважин жесткой центрированной двойной бурильной колонной (буровым снарядом БС-КГК-59), предназначенной для бурения горизонтальных и восстающих скважин с гидротранспортом керна в монолитных, слабо- и средне трещиноватых породах VI-IX категорий по буримости. Благодаря наибольшей жесткости такой колонны при бурении пологовосстающих скважин (+10 … +15 град.) протяженностью до 450 м искривление практически оказалось меньшим даже по сравнению с использованием специальной компоновки ССК-59 ГНБ. Одновременно бурение снарядом БС-КГК-59 обеспечивает увеличение механической (технической) скорости и выхода керна.

Для сохранения прямолинейности и снижения интенсивности искривления горизонтальных и восстающих, также как и для наклонных скважин, наряду с применением специальных центрированных компоновок колонковых наборов, большое значение имеет технология бурения. В общем виде установлена закономерность, что увеличение осевой нагрузки приводит к деформированию компоновок и росту искривления, а увеличение частоты вращения, как правило, к стабилизации работы компоновок и к снижению интенсивности искривления.

Основными закономерностями искривления горизонтальных и восстающих скважин является следующее.

В относительно изотропных породах искривление скважин незначительно и происходит в азимутальном направлении по ходу вращения бурового снаряда вправо, а по зенитному углу – с его уменьшением.

В анизотропных породах (сланцах; перемежающихся по твердости породах и др.) интенсивность искривления определяется углами падения пород и углами встречи скважин с напластованиями. Искривление может происходить в любом направлении; однако чаще – это постепенное уменьшение зенитного угла при правом или левом азимутальном искривлении в зависимости от угла встречи с напластованиями пород. При этом наиболее сложным является характер искривлений скважин, близких к горизонтальным (±5 … 15 град.).

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что пологовосстающие скважины постепенно уменьшают угол наклона, пересекают горизонтальную плоскость и далее выкручиваются, причем уменьшение угла больше при использовании стандартных колонковых наборов чем ССК-ГНБ. Пересечение горизонтали зависит от начального угла наклона и свойств пород: при начальном угле +9...10 град. пересечение происходит на расстоянии около 550 м (рис.), при меньших углах – на более близком расстоянии. На основании анализа фактической трассы 1 сделаны следующие выводы: процесс бурения наиболее эффективен на восстающем участке (а), где возможен повышенный выход керна, увеличение скорости бурения, углубки за рейс и уменьшение расхода алмазов при использовании стандартных колонковых наборов. На горизонтальном участке (в) возможность эффективного применения стандартных наборов маловероятна. На наклонном участке (с) при использовании простого колонкового набора технико-экономические показатели бурения могут быть низкими. Поэтому необходимо проектировать иной характер трассы; если это невозможно, то для каждого интервала трассы следует определять рациональные компоновки технических средств и технологии бурения. Таким способом может быть проведена восстающая скважина (трасса 2).

Исследованиями ВИТР установлено, что выкручивание ствола такой скважины обусловлено массой призабойной части бурового снаряда и чем она значительней, тем выкручивание интенсивней. Под воздействием вертикальной составляющей снаряда и находящегося в нем керна происходит разрушение лежачей стенки призабойного участка ствола боковой поверхностью коронки и расширителя. Радиус кривизны R ствола характеризуется зависимостью:

(9.9)

где V_M – механическая скорость бурения, м/ч;

V_n – скорость подработки лежачей стенки скважины, м/ч;

l – длина колонкового набора, м;

K_n – коэффициент пропорциональности.

С целью снижения подработки лежачей стенки скважины следует применять компоновки ССК-ГНБ и другие центрированные компоновки, а для сохранения направления ствола или увеличения зенитного угла рекомендуется применять компоновки нижняя часть которых построена по принципу «промежуточной опоры» (рис.). Такая опора позволяет приподнимать коронку над лежачей стенкой скважины, а изменением расстояния постановки опоры от торца коронки можно регулировать интенсивность набора кривизны и в том числе стабилизировать ее. Аналогичную задачу выполняют также компоновки КЖК «Сосновгелогии», КПИИ-конусные ВИТР, показанные в главе 4, а также разработанные Ю.В.Кодзеевым, В.И.Власюком и др. [ ].

*) Примечание: ось Х представляет собой касательную к магнитному меридиану в направлении магнитного (географического) севера; ось Y, перпендикулярная к оси Х, направлена в сторону магнитного востока, ось Z направлена в сторону действия вектора силы тяжести.

* Возможно применение эксцентричных ниппелей, труб с эксцентричной массой, овальной, эллипсоидальной
формы и т.п.

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: