Направленное бурение скважин

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ №1

«СТРОИТЕЛЬСТВО  СКВАЖИН»

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ БЛОК  №1

«ПРОБЛЕМА ПРОФИЛЯ СКВАЖИН» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 2000  
 
 

НАПРАВЛЕННОЕ  БУРЕНИЕ СКВАЖИН 

1. Общие сведения об искривлении  скважин

 

     При бурении все скважины по различным причинам в той или иной мере отклоняются  от  первоначально заданного направления.  Этот процесс называется искривлением.  Непреднамеренное искривление называется  естественным, а  искривление скважин с помощью различных технологических и технических приемов - искусственным.

     Вообще  искривление  скважин сопровождается осложнениями,  к числу которых  относятся более интенсивный  износ бурильных  труб,  повышенный расход мощности,  затруднения при  производстве спуско-подъемных операций, обрушение стенок скважины и др. Однако в ряде случаев искривление скважин позволяет  значительно снизить затраты средств и времени при разработке месторождений нефти и газа. Таким образом, если искривление скважины нежелательно,  то его стремятся предупредить, а если оно необходимо, то его развивают. Этот процесс называется направленным бурением, которое может быть определено как бурение скважин с использованием закономерностей естественного искривления и с помощью технологических приемов и технических средств для вывода скважины в заданную точку. При этом искривление скважин обязательно подвергается контролю и управлению. 

1.1. Элементы, определяющие  пространственное

    

положение и искривление  скважин  

     В процессе бурения направленной скважины необходимо знать положение каждой ее точки в пространстве.  Для этого определяются координаты ее устья и параметры трассы, к которым относятся зенитный угол Q, азимут скважины a (рис. 1) и ее длина L.

     Зенитный  угол - это угол между осью скважины или касательной к ней и  вертикалью.  Азимут - это угол между направлением на север и горизонтальной проекцией касательной к оси скважины, измеренный по часовой стрелке.  Длина скважины - это расстояние между устьем и забоем по оси.

     Проекция  оси скважины на вертикальную плоскость называется профилем, а на горизонтальную - планом.

     Вертикальная  плоскость, проходящая через ось  скважины, или касательную к ней, называется апсидальной. 

     При выполаживании скважины происходит увеличение зенитного угла (бурение  с подъемом угла),  а при выкручивании  -  уменьшение  (бурение с падением угла). При искривлении скважины влево азимут ее уменьшается,  а вправо - увеличивается.

     Темп  отклонения скважины от ее начального направления характеризуется интенсивностью искривления i,  которая может быть определена как для зенитного i_Q, так и азимутального i_a искривления 

                                                          i_Q = (Q_к - Q_н)/L,     (1)

                                                          i_a = (a_к - a_н)/L,      (2) 

где Q_н и a_н - соответственно начальные зенитный и азимутальный углы на определенном интервале скважины,  град;  Q_к и a_к - то же для конечных углов интервала, град; L - длина интервала скважины, м.

     Если  скважина искривляется с постоянной интенсивностью и только в апсидальной плоскости, то ее ось представляет собой дугу окружности радиусом R, величина которого может быть определена по формуле 

                                                                 R = 57,3/i.      (3) 

     Следует отметить, что интенсивность азимутального  искривления существенно зависит  от зенитного угла скважины и при малых зенитных углах может достигать весьма значительных величин, а это не дает полного представления о положении скважины. Для оценки общего искривления служит угол пространственного искривления j,  показанный на рис. 2. В случае, если бы скважина, имеющая в точке А зенитный угол Q_н и азимут a_н, не искривлялась, то забой ее оказался бы в точке В, но за счет искривления фактически забой оказался в точке С,  зенитный угол стал равным Q_к, а азимут a_к. Угол ВАС и является углом пространственного искривления.  Величина его аналитически определяется по формуле 

                           j = arccos [cos Q_н ^. cos Q_к + sin Q_н^. sin Q_к ^. cos(a_к - a_н)].   (4) 

     С достаточной степенью точности этот угол может быть определен по формуле М.М. Александрова 

                                              j = [DQ² + (Da ^. sin Q_ср)²]^0,5,     (5) 

где DQ и Da - соответственно приращения зенитного и азимутального углов на интервале, град; Q_ср - средний зенитный угол интервала, град.

    

    

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Интенсивность пространственного искривления i_j определяется по формуле

                                                               

                                                                    i_j = j/L,        (6) 

где L - длина интервала, для которого определен  угол пространственного искривления, м.

     Величина i_j не может быть больше интенсивности искривления для тех или иных средств направленного бурения, определяемых их технической характеристикой.

     Кроме указанных величин направленные скважины характеризуются величиной отхода (смещения) S и глубиной по вертикали h. Отход - длина горизонтальной проекции прямой, соединяющей устье и забой скважины. Глубина по вертикали - длина вертикали,  соединяющей устье с горизонтальной плоскостью, проходящей через забой скважины (рис. 1). 

1.2. Причины и закономерности  естественного искривления скважин 

     Отклонение  скважин от проектного положения  может происходить вследствие неправильного  заложения оси скважины при забуривании  или искривления в процессе бурения.  В первом случае имеют место причины субъективного характера, которые могут быть легко устранены. Для этого необходимо обеспечить соосность фонаря  вышки, проходного отверстия ротора и оси скважины;  горизонтальность стола ротора, прямолинейности ведущей трубы, бурильных труб и УБТ согласно техническим условиям.

     Во  втором случае действуют объективные  причины,  связанные с неравномерным разрушением породы на забое скважины.  Каждая из этих причин проявляется  в виде сил и опрокидывающих моментов,  действующих на породоразрушающий инструмент. Все эти силы и моменты могут быть приведены к одной  равнодействующей и главному моменту.  При этом возможны четыре случая.

     1. Все силы приводятся к равнодействующей, совпадающей с осью скважины, момент отсутствует (рис. 3, а).  В этом случае обеспечивается бурение прямолинейной скважины.  Таким образом, если искривление нежелательно, то необходимо создать вышеприведенные условия, что, однако,  трудно достижимо.

     2. Все силы приводятся к равнодействующей, направленной под углом к оси скважины, момент отсутствует (рис. 3, б). Под действием боковой составляющей равнодействующей силы происходит фрезерование стенки  скважины, а следовательно, искривление. Интенсивность искривления зависит от физико-механических свойств пород, боковой фрезерующей способности долота, механической скорости бурения и других факторов. Следует отметить, что при искривлении только за счет фрезерования стенки скважины имеют место резкие     перегибы  ствола,  что приводит к посадкам инструмента при спуске и требует дополнительной проработки скважины.

         
 
 

 

  
 

     3. Все силы приводятся к равнодействующей, совпадающей с осью породоразрушающего  инструмента  и  к  опрокидывающему  моменту  относительно   его центра (рис. 3, в).  Вследствие этого между осью скважины и осью инструмента образуется некоторый угол d,  в результате чего и происходит искривление.  Интенсивность искривления в этом случае практически не зависит от физико- механических свойств горных пород и фрезерующей способности долота, ось скважины  представляет собой плавную линию близкую к дуге окружности, что облегчает все последующие работы.

     4. Все силы приводятся к равнодействующей, не совпадающей с осью скважины, и к опрокидывающему моменту  (рис. 3, г). В этом случае искривление скважины  происходит за счет совместного действия фрезерования стенки скважины и наклонного положения инструмента относительно оси скважины.

     Возникновение вышеуказанных сил и моментов, действующих на породоразрушающий инструмент, происходит из-за множества причин, не все из которых известны. Все они условно могут быть подразделены на три группы - геологические, технологические и технические.

                           

1.3. Общие закономерности  искривления скважин 

     Анализ  искривления скважин показывает,  что оно подчиняется определенным закономерностям,  но  для разных месторождений они различны и могут существенно отличаться.  Однако можно сформулировать следующие общие закономерности искривления.     

     1. В большинстве случаев скважины стремятся занять направление, перпендикулярное слоистости горных пород. По мере приближения к этому направлению интенсивность искривления снижается.

     2. Уменьшение зазора между стенками  скважины и инструментом приводит  к уменьшению искривления.

     3. Места установки центрирующих элементов и их диаметр весьма существенно влияют на направление и интенсивность зенитного искривления.

     4. Увеличение жесткости инструмента  уменьшает искривление скважины, поэтому скважины большего диаметра искривляются менее интенсивно, чем скважины малого диаметра.

     5. Увеличение осевой нагрузки приводит  к увеличению интенсивности искривления, а повышение частоты вращения колонны бурильных труб - к снижению искривления.

     6. Направление и интенсивность  азимутального искривления зависят от геологических факторов.

     7. Абсолютная  величина  интенсивности   азимутального искривления зависит  от зенитного угла скважины.  С его увеличением интенсивность  азимутального искривления снижается.

 

2.  Измерение искривления  скважин 

     В процессе бурения необходим постоянный контроль за положением оси скважины в пространстве. Только в этом случае можно построить геологический разрез и определить истинные глубины залегания продуктивных пластов, определить положение забоя скважины и обеспечить попадание его в заданную проектом точку.  Для этого необходимо знать зенитные и азимутальные углы скважины и глубины их измерений. Такие замеры производятся с помощью специальных приборов,  называемых инклинометрами.