 |
11.2. Направленное и многозабойное (многоствольное) бурение скважин
|
|
|
|
В зависимости от назначения скважин и применяемого способа бурения пространственное положение и характер их трасс могут быть различными. Выделяют близкие к вертикальным, наклонные и горизонтальные скважины, одноствольные и многоствольные (с ответвлениями дополнительных стволов от основного или кустовым, веерным бурением нескольких стволов из одного устья).
Как правило, при разведке месторождений бурится не одиночная скважина, а их закономерно организованная совокупность – задачей технологии разведочного бурения является формирование пространственной сети разведочных пересечений со строго заданными параметрами. Обеспечение параметров разведочной сети – сложная технологическая задача, обусловленная тем обстоятельством, что в процессе бурения скважины меняют первоначально заданное направление, искривляются под действием различных геолого-технических или технико-технологических факторов.
Технологическая проблема, связанная с обеспечением необходимого пространственного положения трасс скважин, получила наименование технологии направленного бурения.
В направленном бурении условно можно выделить два класса технологических задач: задачу стабилизации трассы скважины и задачу её коррекции (изменения их направления, включая и отбурку дополнительных стволов). Стабилизация трассы заключается в поддержании либо заданного направления, либо прогнозной криволинейной траектории скважины. Коррекция трассы – изменение направления, уменьшение или увеличение интенсивности искривления для исправления уже допущенных сверхнормативных отклонений ее от проектного положения, местного (локального) сгущения разведочной сети, обхода места ликвидируемой аварии в других случаях.
|
|
|
Обе эти технологические задачи направленного бурения решаются двумя основными методами: использованием закономерностей естественного искривления и искусственным искривлением – принудительным изменением положения трассы скважины в одной точке или на некотором ограниченном отрезке ее длины.
Степень и характер искривления скважины в процессе бурения оцениваются параметрами интенсивности искривления. На практике, как правило, отдельно оценивают интенсивность зенитного искривления (величина изменения значения зенитного угла θ на единицу длины ствола скважины) и интенсивность азимутального искривления – приращения азимута α на единицу длины ствола.
Интенсивность зенитного искривления iθ (град/м) рассчитывается по формуле
(11. 2)
где Δ θ – приращение зенитного угла (град); Δ L – интервал оценки интенсивности искривления (м).
Интенсивность азимутального искривления iθ (град/м) рассчитывается аналогично
(11. 3)
где Δ α – приращение азимута.
Определение интенсивности полного искривления iβ (град/м) имеет практическое значение с точки зрения оценки технологической безопасности кривизны скважины, поскольку опыт говорит о возможности аварий, обусловленных чрезмерной кривизной ствола скважин
(11. 4)
где Δ β – приращение полного угла искривления в интервале оценки (град).
|
|
|
В качестве вспомогательной характеристики искривления скважины используется радиус кривизны R
(11. 5)
(11. 6)
(11. 7)
где Rθ , Rα , Rβ – соответственно представляют собой радиусы кривизны кривых, выражающих собой вертикальную и горизонтальную проекции трассы скважины и радиус искривления трассы скважины в пространстве.
В зависимости от величины и характера изменения зенитных и азимутальных углов скважины условно делятся на вертикальные (θ =0±5°), горизонтальные (θ =90±5°) и наклонные. занимающие промежуточное положение между скважинами первого и второго типов. Часто забуренная вертикальной с некоторой глубины скважина занимает наклонное положение, а в отдельных случаях (при бурении вдоль нефтегазоносного пласта) переходит и в горизонтальное.
По мере проходки скважины ее траектория (положение трассы в пространстве) может становиться более пологой (θ возрастает - трасса выполаживается) или более крутой (θ уменьшается - выкручивается скважина).
Положение скважины в пространстве определяется посредством инклинометрических измерений. Инклинометрия – один из методов геофизических исследований скважин, реализуемый с помощью специальных приборов – инклинометров, фиксирующих направление векторов напряженности магнитного или гравитационного поля Земли, имеющих стабильное положение в пространстве.
Чувствительными элементами инклинометров, фиксирующих направление силы тяжести относительно оси скважины и регистрирующих зенитный угол θ могут служить механический отвес, шарик, свободно перемещающийся по кольцевому желобу или сферической поверхности, уровень жидкости или пузырек воздуха в сферическом или кольцевом жидкостном уровне.
Направление вектора магнитного поля фиксируется инклинометрами с магнитной стрелкой. В ферромагнитных средах, искажающих направление вектора магнитного поля (при разведке магнетитовых железных руд) используется гигроскопические приборы.
|
|
|
В организационном отношении выделяют оперативный контроль пространственного положения скважины, выполняемый силами буровой бригады, и плановые инклинометрические исследования, выполняемые геофизической службой. Приборы для оперативного контроля положения скважины в пространстве отличаются простой конструкцией и несложной методикой применения. Как правило, это одноточечные приборы, позволяющие произвести одно измерение за один спуск прибора в скважину.
Положение чувствительного элемента в момент замера в таких приборах фиксируется механическим путем – чаще всего арретиром часового механизма. Типичным прибором такого класса является инклинометр ОК-4ОУ, предназначенный для измерения параметров положения оси скважины в пространстве на глубинах до 2000 м и при диаметре не менее 46 мм.
Институтом ВИТР создан прибор для многоточечного контроля МТ-1, предназначенный специально для использования в направленном бурении. В нем использован фотографический способ регистрации показаний и электронная схема управления, позволяющая использовать прибор в автономном автоматическом режиме управления с поверхности без электрической связи забоя с поверхностью. Упрощенная кинематическая схема чувствительного элемента прибора МТ-1 представлена на рис. 11. 2.
Для измерения азимутов и зенитных углов скважины инклинометр снабжен магнитной стрелкой и отвесом, закрепленными на эксцентричной апсидальной рамке. Магнитная стрелка 2 вращается на сои 1, жестко связанной с отвесом 4, который установлен на апсидальной рамке 3.
Рис. 11. 2. Упрощенная кинематическая схема чувствительного элемента МТ-1
При спуске инклинометра в скважину рамка устанавливается вдоль ее оси О1-О2, а под действием момента, равного Мр=(Рр+Ро) · rу· sinθ · sinγ ( Рр – вес эксцентричного груза рамки; Ро – вес отвеса; rу – плечо результирующей двух сил Рр и Ру; γ – угол поворота рамки), принимает такое положение, при котором ее плоскость совпадает с апсидальной плоскостью скважины в точке замера.
|
|
|
Магнитная стрелка под действием момента Мс=m· H· sin φ ( m – магнитный момент стрелуи; Н – горизонтальная составляющая магнитного поля; φ – угол закручивания стрелки) совместится с направлением магнитного меридиана. Отвес устанавливается по направлению силы тяжести Земли. Отвес и магнитная стрелка снабжены отсчетными шкалами.
В автоматическом режиме фотографирование шкал магнитной стрелки и отвеса производится через 2, 5 мин., в режиме управления – при остановке спуска инклинометра в скважину продолжительностью не менее 1 мин. Режим движения (остановки продолжительностью менее 1 мин. ) является «запрещающим» для срабатывания фоторегистратора. Все измерительные узлы прибора МТ-1 размещены в цилиндрическом корпусе, заполненном кремнеорганической жидкостью ФПМС-5 демпфирующей механические помехи и обладающей способностью световода.
Приборы для полного измерения искривлений скважины подразделяются на работающие в немагнитных или слабомагнитных (диамагнитных) и ферромагнитных средах.
Инклинометры для диамагнитных сред – это электромеханические компасы МИ-30 и МИР-36, имеющий аналогичное устройство.
Для оперативного контроля инклинометр МИ-30 может опускаться внутрь колонны бурильных труб с проходным отверстием не менее 34 мм и измерения в немагнитных трубах, которые входят в комплекты ССК и КССК.
Кинематическая схема чувствительного элемента клинометров данного типа представлена на рис. 11. 3 а.
Датчик инклинометра размещен в свободно вращающейся рамке, ось которой совмещена с осью прибора. Центр тяжести рамки не совпадает с осью ее вращения вследствие наличия дебаланса 7, благодаря которому рамка и датчик всегда занимают в наклонной скважине устойчивое положение, фиксирующее апсидальную плоскость.
Рис. 11. 3. Схема устройства электромеханических инклинометров
типа МИ-30(УМИ-25) и МИР-36
а – кинематическая схема чувствительного элемента;
б – принципиальная электрическая схема
Отвес магнитной стрелки компаса 5 располагает магнитную стрелку в горизонтальной плоскости. При подачи сигнала через коллектор 2, арретиры 1 и 4 фиксируют положение магнитной стрелки и отвеса 6. Чувствительный элемент 3 показывает значение угла лежащего в плоскости перпендикулярной оси прибора между плоскостью искривления и плоскостью симметрии отклонителя.
Электрическая схема инклинометра данного типа представлена на рис. 11. 3, б.
В ферромагнитных средах применяются гироскопические инклинометры ИГ-36, чувствительным элементом которых является гирокомпас, принцип действия которого основан на регистрации направления вектора кореолисова ускорения, возникающего вследствие ориентированного в пространстве вращения Земли. Быстровращающийся маховик, помещенный в рамку с двумя степенями свободы, всегда устанавливает плоскость своего вращения в плоскости географического меридиана, т. е. работает по тому же принципу, что и известный в физике маятник Фуко. Других принципиальных особенностей устройство гироскопических инклинометров не содержит.
|
|
|
Направленное бурение на основе закономерностей естественного искривления включает в себя последовательное решение следующих задач:
– проектирование трасс скважин;
– оценка вероятности проведения трассы скважины по проектной траектории;
– выбор способов и средств стабилизации и коррекции трасс скважин.
В проектировании трасс скважин наибольшее распространение получил метод типовых профилей, предварительно рассчитываемых по статистически усредненным значениям интенсивности искривления, характерных для данного месторождения и данной технологии проходки скважин.
С этой целью данные инклинометрии заносят в таблицы и рассчитывают для каждого интервала инклинометрических исследований (каждой последующей точки замеров) приращение горизонтального смещения забоя
(11. 8)
где lП, lП-1 - глубина последующего и предыдущего замеров; θ П, θ П+1 – значения зенитного угла в точках замера.
Для построения горизонтальной проекции трассы скважины (рис. 11. 4, а) через точку А, обозначающую ее устье, проводят прямую с азимутом α и откладывают на ней отрезок А-1, равный Δ χ 1. Через точку 1 проводят прямую 1-F с азимутом α 2 и откладывают на ней отрезок Δ χ 2. Далее построения таким же образом повторяются для всех других точек инклинометрических замеров. Соединение всех точек А, 1, 2 и других ломаной прямой дает упрощенное изображение горизонтальной проекции трассы скважины.
Для построения вертикальной проекции (профиля) трассы скважины через точки А, 1, 2 и другие отсекают перпендикуляры на линию (линию разведочного профиля), отмечая на ней точки 0, I, II…m. Отрезки 0-I, 0-II, 0-m представляют собой смещения забоя х1, х2, …хII по линии профиля V-V. Затем из точки А (рис. 11. 4, б описывают дугу радиусом l в соответствующем масштабе.
 |  | ||
На расстоянии х, параллельно вертикали АВ проводят прямую а-а, получая на пересечении ее дугой радиусом l1 точку 1. Из точки 1 проводят дугу радиусом l2-l1 и на расстоянии х2 проводят прямую в-в параллельно вертикали АВ. Пересечение дуги и прямой дает точку 2. Подобным образом строят остальные точки, соединение которых дает вертикальный профиль скважины.
Для выявления закономерностей искривления скважин их разбивают на группы по родству геотехнологических и технико-технологических условий бурения. Для каждой группы рассчитывают среднеарифметические у и среднеквадратичные σ значения величин зенитных и азимутальных углов или их приращений для определенных значений глубин бурения
(11. 9)
(11. 10)
При нормальном законе распределения среднее арифметическое характеризует наиболее вероятное значение случайной величины. Разброс значений случайной величины около среднеарифметического значения характеризуется среднеквадратичным отклонением.
Практический расчет проектной траектории скважины сводится к реализации ее магматической модели, отображающей статистическую зависимость зенитного угла длины ствола скважины
(11. 11)
где θ 0 – зенитный угол забурки скважины; а и b - опытные коэффициенты; L – глубина бурения или текущее значение длины ствола скважины.
Оценка вероятности проведения скважины по проектной траектории основывается на выделении ширины доверительного интервала, в пределы которого будут попадать вновь буримые скважины с заданной доверительной вероятностью (0, 9; 0, 95; 0, 99). При малом числе скважин доверительный интервал рассчитывается по критерию Стьюдента
(11. 12)
где - погрешность среднего арифметического; d – искомая величина, ле-
жащая внутри доверительного интервала.
Критерий t берется из таблиц.
Тогда
d = у ± t ·σ у (11. 13)
При числе скважин 25-30 ширина интервала определяется по правилу «трех сигм», согласно которому 99, 7% всех случайных величин будут попадать внутрь интервала у+3σ, 95, 4% - внутрь интервала у+2σ и 68, 3% - внутрь интервала у+σ.
Если отклонению скважины величиной d в плоскости геологического разреза и между соседними разрезами предъявляются одинаковые требования, то границы поля допусков будут представлять собой квадрат или окружность (рис. 11. 5)
Способы и средства направленного бурения с использованием закономерностей естественного искривления основываются, главным образом, на подавлении или активации действующих факторов искривлений путем увеличения или уменьшения жесткости скважинных компоновок.
С целью снижения интенсивности искривления применяются жесткие компоновки, составленные из толстостенных или двойных колонковых труб, а также центрированные колонковые наборы, оснащенные алмазными расширителями и центрирующими муфтами и переходниками, армированными твердым сплавом. При алмазном бурении снижению интенсивности искривления способствуют, как правило, уменьшение осевой нагрузки и увеличение частоты вращения снаряда. Применение гидроударников с любым породоразрушающим инструментом является наиболее эффективным средством стабилизации трасс скважин.
Рис. 11. 6. Схема устройства шарнирных компоновок
а – компоновка с опорой на коронку;
б – компоновка с промежуточной опорой;
в – шарнирная компоновка; г - шарнир
Для повышения интенсивности искривления применяют ступенчатые и шарнирные компоновки, увеличивающие перекос бурового инструмента в скважине (рис. 11. 6). Ступенчатые компоновки с опорой на коронку (рис. 11. 6) состоят из породоразрушающего инструмента и колонковой трубы меньшего на один размер диаметра. Алмазные коронки для таких компоновок имеют утолщенную матрицу.
Компоновка с промежуточной опорой (рис. 11. 6) в меньшей степени зависит от закономерностей естественного искривления и с большей надежностью обеспечивает набор кривизны. Компоновки соединяются с бурильными трубами посредством шарнирных устройств (рис. 11. 6, а, б, в). Шарнир (рис. 11. 6, г) состоит из шарнироного пальца 1 с полусферическим торцом и четырьмя фигурными штифтами 2, корпуса 3, кожуха 4, пяты 5, подпружиненной пружиной 7 и переходника 6. Угол перекоса шарнирного пальца 1 составляет 60° при нормальном режиме бурения. На рис. 11. 6, г представлен шарнир ШБ3-6 конструкции ЗабНИИ.
|
|
|
