 |
Глава 11. Направленное бурение скважин.
|
|
|
|
Глава 11. НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕ СКВАЖИН.
11. 1. Естественное искривление скважин
Искривление ствола скважины подразделяется на два вида: естественное и искусственное. Естественным называется самопроизвольное отклонение ствола от своего проектного направления, искусственным – принудительное искривление ствола в заранее заданном направлении с помощью специальных технических средств – отклоняющих компоновок низа бурильной колонны. Последнее может происходить также в произвольном направлении как, например, при зарезке нового ствола на больших глубинах.
На естественное и искусственное искривление ствола оказывает влияние большой комплекс факторов, характеризующих геологические условия, технику и технологию бурения скважин. Эти факторы в одних случаях могут увеличивать искривление скважины, в других – уменьшать, а в третьих - взаимно компенсировать друг друга и не оказывать влияния на него. Поэтому знание характера влияния этих факторов, механизма и основных закономерностей искривления ствола имеет важное значение при проектировании и бурении наклонно направленных скважин с высокими качественными и технико-экономическими показателями.
Ось любой скважины, будь она вертикально или наклонно заданной, в процессе бурения отклоняется от своего проектного направления, т. е. скважина искривляется. Поэтому встречающийся иногда в литературе термин «вертикальная скважина» является неточным.
Искривлением буровой скважины в данной точке называется отклонение ее от вертикали и направление этого отклонения относительно стран света.
Искривление скважин в данной точке О характеризуется двумя углами: углом искривления θ и азимутальным углом α (рис. 11. 1).
|
|
|
Угол искривления (зенитный угол) θ - угол между касательной к оси ствола скважины в точке замера и проекцией этой касательной на вертикальную плоскость. Угол, равный 90°- θ , называется углом наклона скважины и обозначается η . Угол наклона – это отклонение оси ствола скважины от горизонтали.
Азимутальный угол (азимут скважины) α – угол, измеряемый в горизонтальной плоскости между принятым направлением начала отсчета и проекцией на горизонтальную плоскость касательной к оси ствола в точке замера. В зависимости от принятого начала отсчета азимут может быть истинным, магнитным или условным.
Рис. 11. 1. Элементы, определяющие пространственное положение скважины
1 – горизонтальная плоскость; 2 – ось скважины; 3 – плоскость оси скважины; 4 – вертикаль; 5 – направление начала отсчета; 6 – направление проводки скважины;
θ – зенитный угол; α - азимутальный угол; η – угол наклона скважины (90°- θ )
Если азимутальное направление постоянно, то наблюдается плоскостное искривление ствола скважины. Если же постоянно изменяются как зенитный угол, так и азимут направления, то в этом случае наблюдается пространственное искривление ствола скважины.
Непроизвольно искривленными скважинами называются все вертикально или наклонно заданные с поверхности скважины, характеризующиеся искривлением.
К искусственно искривленным относятся скважины, которые бурятся по заданному профилю. Такие скважины могут быть наклонными, плоско искривленными и, реже, пространственно искривленными. В теории и практике бурения понятие искривление применимо при изучении причин и механизма искривления скважин.
Практически все скважины искривляются в пространстве, при этом меняются азимут и зенитный угол, т. е. происходит общее искривление под некоторым углом β .
|
|
|
Общее искривление выражается уравнением
сos β = сos θ 0сos θ 1+ sin θ 0 sin θ 1cos Δ α, (11. 1)
где θ 0 и θ 1 – зенитные углы соответственно в начале и в конце данного пройденного интервала; Δ α – разность между величинами азимутальных углов, замеренных в конце (α 1) и в начале (α 0) данного интервала (Δ α =α 1-α 0).
Следует также отметить, что в настоящее время в буровой технике и науке бытует много устаревших понятий, терминов и определений. Допускаются неточности и в терминологии по искривлению скважин.
Так, кривизной в бурении называют угол наклона скважины на данном интервале, в то время как в математике кривизной называется предел отношения угла поворота касательной по дуге к длине этой дуги, т. е. приращение угла на каком-то определенном криволинейном участке. В то же время следует отметить, что приращение угла в бурении характеризуется интенсивностью искривления. Безусловно, математическое определение кривизны более соответствует истине, так как действительно и в бурении искривление ствола за какой-то промежуток времени и в пространстве характеризуется приращением угла на определенных отрезках ствола скважины. Следовательно, кривизной скважины называется приращение угла искривления на определенном криволинейном участке.
Другие определения и термины, по мнению многих исследователей, нужно трактовать следующим образом:
- апсидальная плоскость – вертикальная плоскость, проходящая через касательную к оси скважины в точке проведения замера;
- зенитное искривление – изменение зенитного угла между двумя точками замеров;
- азимутальное искривление – изменение азимута скважины на участке между точками замеров, т. е. разность азимутов, измеренных в этих точках;
- общий или пространственный угол искривления – угол между двумя касательными, проведенными к оси ствола в точках замеров, лежащих в плоскости искривления скважины. В этом случае принято допущение, что ось ствола скважины на участке между замерами представляет собой плоскую кривую, а само искривление – бесконечно малое число плоских кривых, повернутых относительно друг друга на некоторый угол;
|
|
|
- интенсивность искривления – величина, характеризующая степень искривления ствола и равная отношению приращения угла искривления к расстоянию между точками замеров по оси скважины;
- выполаживание ствола скважины – отклонение его в сторону горизонтальной плоскости;
- выкручивание ствола скважины – отклонение его в сторону вертикальной оси.
Искривление буровых скважин обусловлено различными факторами, основными из которых являются геологические, технологические и технические.
Влияние геологических условий сводится в основном к тому, что при бурении в породах, различных по физико-механическим свойствам, определяющим их буримость, скорость разрушения пересекаемых пород в отдельных точках забоя различна.
К основным геологическим условиям, которые вызывают искривление скважины, относятся: слоистость, сланцеватость, трещиноватость, анизотропность горных пород, перемежаемость пород различной твердости и степень наклона пластов к горизонту, пористость, зоны и участки мягких несцементированных или сильно разрушенных пород, различного рода дизъюнктивные нарушения, пустоты, твердые включения в мягких несцементированных породах и т. д.
Технологические условия связаны со способами и режимами, применяемыми при бурении. Они в основном определяются осевыми нагрузками на забой и частотой вращения породоразрушающего инструмента, которые ведут к неравномерным разработке стенок скважины и разрушению забоя. В свою очередь неравномерная разработка элементов скважины вызывает увеличение сил, отклоняющих низ бурильного инструмента от её оси, и уменьшение механических скоростей бурения.
К основным технологическим условиям, ведущим к искривлению ствола скважины, относятся в основном неравномерность разбуриваемости ее стенок, силы, действующие на низ бурильного инструмента, и некоторые другие факторы.
Неравномерная разработка стенок скважин относится ко всем видам бурения и связана с тем, что породы, слагающие их, различны по своему минералогическому составу и, следовательно, в разной степени сопротивляются воздействию на них режущих частей породоразрушающего инструмента.
|
|
|
Бурение шарошечными долотами характеризуется большей степенью разработки стенок скважины. При этом, чем мягче порода и больше величина зубьев шарошек, тем больше диаметральная разбуриваемость стволов скважин. При бурении шарошечными штыревыми долотами в твердых породах разбуриваемость стенок, а, следовательно, и величина искривления скважин значительно понижаются.
Ниже перечислены основные технические условия, вызывающие образование увеличенных зазоров между стенками скважины и низом бурильного инструмента и приводящие к искривлению ее ствола.
1. Бурение скважин бурильной компоновкой с эксцентрично навинченными породоразрушающим инструментом или переводниками. При этом несоосность инструмента в скважине ведет к интенсивному разбуриванию стенок. Величина эксцентриситета в этом случае определяет степень разбуривания.
При бурении погнутыми ведущими трубами, особенно в мягких породах, наблюдается усиление разработки стенок скважины.
2. Использование бурильного инструмента несоответствующих конструкций, особенно при смене диаметра скважины.
При переходе с большого диаметра на меньший, если применить обычную компоновку низа бурильного инструмента, ствол меньшего диаметра может быть забурен эксцентрично.
3. Применение бурильного инструмента несоответствующих конструкций при расширении ствола скважины также может привести к отклонению её ствола от требуемого направления.
4. Неправильная установка бурового станка. При бурении вертикально заданных скважин небольшой перекос его во время монтажа может привести к неправильному забуриванию скважины.
Подобные начальные отклонения оси скважины часто встречаются при бурении как вертикально, так и наклонно заданных скважин. При этом отклонения могут быть различными, а направление носит случайный характер.
5. Неправильная установка направляющей трубы или кондуктора и плохо отцентрированные и закрепленные обсадные трубы (направление или кондуктор) также могут вызвать отклонение оси скважины в самом начале бурения.
6. К другим техническим условиям, способствующим возникновению искривления, относится бурение компоновками бурильного инструмента, не соответствующими данным условиям по длине, компоновками заниженных поперечных размеров, а также породоразрушающими затупившимися инструментами или не соответствующими по конструкции проходимым породам и некоторые другие.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
|
|
|
1. Основная причина, непосредственно вызывающая искривление вертикально заданных скважин - неравномерная разработка площади забоя в разных направлениях, что приводит в процессе бурения к смещению его в пространстве. В отношении наклонно заданных скважин такой причиной искривления является неравномерная разработка площади забоя по коружности и стенок скважин в призабойной зоне.
2. Неравномерное разрушение стенок наклонно проходимых скважин в призабойной зоне вызывается действием веса бурильного инструмента.
3. Необходимое условие, которое приводит к искривлению скважины – несовпадение оси низа бурильного инструмента с осью скважины под действием отклоняющего усилия. Последнее возникает в нижней части бурильного вала при взаимодействии в основном изгибающих ( от совместного действия центробежных сил и усилий веса) и скручивающих (от передачи вращательного момента породоразрушающему инструменту на забое) сил.
4. Геологические условия – основная причина, вызывающая искривление вертикально заданных скважин.
5. Технические условия, хотя и не приводят непосредственно к неравномерному разрушению забоя скважины, но весьма существенно влияют на величину и характер отклонения ее ствола от заданного направления.
Практика буровых работ показывает, что интенсивность искривления скважин зависит в основном от степени разбуривания ствола скважины. Чем оно больше, тем больше возможностей проявления тех или иных условий для неравномерного разрушения ее забоя.
В процессе проходки скважины низ бурильного инструмента благодаря своему сравнительно свободному положению в стволе будет стремиться стать перпендикулярно к плоскости забоя. Однако из-за несвопадения центра тяжести колонны бурильных труб с центром вращения колонна при вращении описывает окружность и ведет себя как конический маятник. Стенки скважины начинают разбуриваться, причем разбуриваемость будет тем значительнее, чем больше времени затрачивается на единицу проходки и чем мягче порода. По мере углубления скважина из прямолинейной становится криволинейной с определенным радиусом искривления, обусловленным в основном положением низа оси бурильного инструмента по отношению к оси скважины.
Величина отклонения этих осей друг от друга и определяет, главным образом, интенсивность искривления ствола, которая зависит от разбуриваемости стенок скважины.
Разработка стволов обусловлена углом встречи оси бурильного инструмента с плоскостью напластования пород. |Особенно велико это различие при разбуривании сильно анизатропных пород, например, различного рода сланцев.
Основная закономерность искривления скважин – приобретение ими при бурении определенных направления и положения в пространстве под влиянием тех или иных условий. Другой, не менее важной закономерностью, является изменение интенсивности искривления скважин в зависимости от действия ряда факторов.
Исходными данными для выявления закономерностей и интенсивности искривления скважин служат замеры зенитных и азимутальных углов. Чтобы этими данными можно было пользоваться и сравнивать их, замеры по всем скважинам следует проводить на одинаковых глубинах и через равные (одинаковые для всех скважин) интервалы.
В соответствии с законом больших чисел увеличение объема совокупности наблюдений или замеров приводит к получению более точных результатов. Учитывая, что данные по измерению искривления скважин изменяются в широких пределах, для выявления интересующих нас зависимостей необходимо иметь замеры не менее чем по 5-10 скважинам для каждой группы скважин, пройденных в сравнительно одинаковых геолого-технических условиях. При выявлении закономерностей для участков или месторождений в целом необходимо иметь замеры по большому числу скважин в зависимости от сложности и изменчивости условий их проходки. В простых, выдержанных по всему участку или месторождению условиях достаточно замеров по 10-15 скважинам, для более сложных меняющихся условий это число должно быть не менее 20-25.
Анализ зависимости между прямыми (интенсивность искривления скважин) и косвенными (глубина или угол наклона скважин) показателями позволяет получить обобщенные данные об искривлении скважин, что имеет большое значение для определения закономерностей этого процесса. При этом нужно учитывать следующее:
– искривления скважин характеризуются определенными закономерностями, которые для разных месторождений различны;
– интенсивность искривления в основном зависит от степени разбуривания стенок скважины в процессе бурения;
– степень разбуривания стенок скважин зависит от выбранного технологического режима. Оптимальному технологическому режиму, т. е. правильно выбранным осевой нагрузке, частоте вращения породоразрушающего инструмента, расходу промывочной жидкости соответствует меньшая степень разбуривания стенок скважины и, следовательно, меньшая интенсивность искривления;
– интенсивность искривления зависит также от жесткости низа бурильного инструмента: чем он жестче, тем меньше темп искривления скважин;
– при равных условиях скважины большого диаметра искривляются меньше, чем меньшего;
– интенсивность искривления зависит от частоты воздействия геологических факторов, а также от угла наклона скважины к горизонту на данном интервале бурения;
– в закономерном наборе зенитного угла большую роль играет угол падения пород: чем он больше, тем больше интенсивность искривления скважин заданных с поверхности под одним и тем же углом;
– угол встречи, под которым породоразрушающий инструмент (ось инструмента) встречает плоскость напластования пород, также закономерно влияет на характер искривления; для различных пород критический угол встречи будет также различным;
– интенсивность искривления зависит главным образом от частоты действия геологических факторов;
– при малых зенитных углах угол встречи оказывает большое влияние на направление искривления скважин: при углах встречи до 15 °скважины подвержены сильному азимутальному искривлению, при углах встречи 15-20° и больше скважины искривляются преимущественно по восстанию пересекаемых пород;
– при переходе из пород легкобуримых в твердые или наоборот иногда происходят незакономерные искривления скважин в горизонтальной плоскости;
– при зенитных углах 0-20° преобладает влияние геологических факторов, а свыше 20° - технологических условий, и скважины искривляются в горизонтальной плоскости вполне закономерно;
– азимутальные и зенитные углы характеризуют искривление скважины в пространстве, поэтому между ними наблюдается определенная зависимость, тоже связанная с геологическими и технологическими условиями;
– чем интенсивнее увеличение численных значений зенитного угла, тем выдержаннее направление искривления;
– кроме интенсивности искривления на направление искривления ствола скважины влияет величина зенитного угла в данном интервале. При зенитном угле до 20-25° происходит относительно большая стабилизация азимутального направления при той же интенсивности увеличения зенитного угла;
– направление искривления скважин, пробуренных на синклинальных и антиклинальных складках, различно. Так, в пределах синклинали стволы скважины отклоняются в основном вверх по восстанию крыльев складки, а в пределах антиклинали вверх по падению, если складка пологая. При крутых крыльях скважины отклоняются вниз по падению крыльев и реже параллельно осевой плоскости складок;
– скважины при всех видах вращательного бурения искривляются азимутально как вправо, так и влево;
– направление и интенсивность искривления скважин определяются их положением по отношению к падению и простиранию пород, физико-механическим свойствам отложений, величиной угла встречи оси низа бурильного инструмента с плоскостью напластования пород и направлением вращения породоразрушающего инструмента.
Таким образом, искривление скважин носит закономерный характер, зависящий прежде всего от геолого-структурных условий бурения и физико-механических свойств буримых пород.
Получение достоверных данных о закономерностях искривления скважин имеет большое практическое значение, так как позволяет решать при выполнении буровых работ следующие основные задачи:
- сооружать скважины с минимальными затратами средств;
- определять реальные нормы искривления проектируемых скважин и значений начальных углов их заложения;
- контролировать пространственное положение проходимых скважин;
- строить профили пробуренных скважин, геологические разрезы и карты.
|
|
|
