Направленное бурение скважин

     

     

     В последнее время все большее  распространение получает бурение скважин с горизонтальным участком ствола, что позволяет существенно повысить дебит скважин и нефтеотдачу пластов. В практике буровых работ США такие скважины по типу профиля делятся на четыре категории в зависимости от величины  радиуса  кривизны  при переходе от вертикального участка к горизонтальному (большой, средний, малый и сверхмалый радиусы).

     Скважины  с большим радиусом кривизны имеют  интенсивность искривления от 0,6 до 2 град/10 м.  С указанными интенсивностями  искривления бурится подавляющее большинство наклонно направленных скважин в Западной Сибири. Длина горизонтальной части ствола в этом случае может быть весьма значительной и определяется, главным  образом,  только сопротивлением продольному перемещению бурильной колонны. Такой тип профиля скважин наиболее подходит для морских месторождений, когда требуется обеспечить добычу из пласта, находящегося на большом расстоянии от платформы.

     Интенсивность искривления при бурении со средним  радиусом кривизны составляет от 2 до 6 град/10 м.  Западными фирмами по такому типу профиля бурится подавляющее большинство скважин с горизонтальным участком ствола. Это обусловлено следующим:

     - многие зоны осложнений могут  быть разбурены вертикальным  стволом и обсажены;

     - длина интервалов применения отклонителей существенно меньше, чем для скважин с большим радиусом кривизны;

     - точка забуривания  искривленного   ствола  располагается ближе   к точке вскрытия продуктивного  горизонта,  что повышает точность  попадания в заданный круг  допуска.

     Однако  проходка таких скважин требует  специального инструмента, вписывающегося в принятый радиус кривизны.

     Стандартный тип профиля со средним радиусом кривизны (рис. 9, ж) содержит наклонный  прямолинейный участок 3,  длина  которого может меняться для обеспечения попадания ствола в заданную точку. Однако если накоплен значительный опыт бурения таких скважин, то этот участок может быть исключен    (рис. 9, з). Интервалы 5 (рис. 9, ж) и 3 (рис. 9, з) имеют интенсивность искривления порядка 1 град/10 м и возникают самопроизвольно вследствие невозможности резкого перехода от криволинейного интервала к прямолинейному даже при применении стабилизирующих компоновок. Длина этих интервалов около  30 м.

     При бурении с малым радиусом кривизны интенсивность искривления составляет от 4 до 10 град/м, при этом радиус кривизны находится в пределах от 6 до 15 м.  Для бурения таких скважин используется специальный инструмент - гибкие бурильные трубы и УБТ, ведутся работы по созданию гибких забойных двигателей.  Основное преимущество такого типа профиля - точный подход скважины к  выбранному объекту эксплуатации.  Однако при этом низка механическая скорость бурения, отсутствует серийная забойная аппаратура для контроля за положением ствола скважины, и сравнительно невелика длина горизонтального участка.  Очевидно, что для более широкого внедрения такого типа профиля требуются  дополнительные научные исследования и конструкторские разработки.

     Для получения сверхмалых радиусов кривизны (от нескольких  сантиметров до 0,6 м) используются высоконапорные струи воды, с помощью которых создаются стволы диаметром 40 - 70 мм. Этот метод пока применяют только в экспериментальных целях.

     Скважины  с горизонтальным участком ствола, сооружаемые в Западной Сибири, имеют  комбинированный профиль.  До кровли продуктивного пласта скважина буриться с интенсивностью искривления до 2 град/10 м (большой радиус кривизны по американской классификации). Зенитный угол скважины доводится при этом до 60-65^О.  В продуктивном пласте интенсивность искривления ствола  составляет  8-10 град/10 м, и зенитный угол доводится до 90^О,  а далее продолжается бурение горизонтального интервала длиной до 1000  м.  Имеется  опыт бурения таких скважин при радиусах кривизны 250-460 м. 

4.2.  Определение допустимой  интенсивности искривления скважин 

     Выбор необходимой интенсивности искривления  ствола производится с учетом нескольких факторов.  Очевидно, что при значительной интенсивности искривления,  ухудшаются условия эксплуатации всего оборудования и инструмента, при спуске бурильных и обсадных колонн возможны посадки и образование желобов.  Однако длина интервала искривления в этом случае сокращается,  что приводит к уменьшению дополнительных затрат времени на бурение с отклонителем.  При малой интенсивности искривления затраты за счет увеличения длины интервала бурения с отклонителем существенно выше.

     Допустимый  радиус кривизны определяется с различных  точек зрения. Во-первых, минимально допустимый радиус кривизны ствола рассчитывается исходя из условий проходимости всего инструмента и оборудования по скважине.  При этом учитывается возможен ли спуск инструмента под действием веса, например, колонны бурильных труб.  В этом случае допускается изгиб спускаемого инструмента, в частности турбобура, но, естественно, без остаточных деформаций.  Если принудительный спуск невозможен (спуск на кабеле, тросе),  то между инструментом и стенками скважины должен быть зазор,  величина которого согласно инструкции принимается равным 1,5 - 3 мм.  В общем случае достаточно точно минимальный радиус кривизны R_min с этой точки зрения определяется по формуле [1]

                                                   R_min = L²/ [8 ^. (D - d - k)],     (27) 

где L  - длина спускаемого инструмента, м;  d - его диаметр, м;  D - диаметр скважины или внутренний диаметр соответствующей обсадной колонны в зависимости от исходных условий расчета, м; k - необходимый зазор, м.

     Во-вторых, чтобы не происходило разрушение стенок скважины при спуско-подъемных  операциях, т.е. для исключения желобообразования, минимальный радиус искривления R должен удовлетворять следующему условию [1]

                                                              

                                                             R > P ^. l/ F_доп,     (28) 

где P - натяжение бурильной колонны  при подъеме инструмента, кН;  l -  расстояние между замками, м;  F_доп - допустимая сила прижатия замка к стенке скважины, кН.

     Для условий Западной Сибири при глубинах до 1000 м F_доп = 10  кН, а при больших глубинах F_доп = 20-30 кН.  В крепких породах F_доп = 40-50 кН. [1]

     В-третьих, для нормальной эксплуатации бурильных  и обсадных колонн, т.е.  для того,  чтобы напряжение в трубах за счет изгиба в искривленных интервалах не превышали допустимых, минимальный радиус кривизны R_min  должен быть следующим

                                                         R_min ³ E^. d/2 [s_изг],     (29)  

E - модуль  упругости, МПа/мм²;   d - наружный диаметр труб, мм; [s_изг] - допустимое напряжение изгиба, МПа/мм².

     Определив минимальные радиусы по формулам (27) - (29),  выбирают наибольший, по которому и ведут дальнейшее проектирование.

     Нередко минимальный радиус кривизны оговаривается  инструкциями. Так, например, до недавнего времени в Западной Сибири максимальная интенсивность искривления была ограничена величиной в 2 град/10 м, что соответствует радиусу кривизны  около 285 м,  затем эта величина была уменьшена до 1,5 град/10 м.

     Значительно ограничивается интенсивность искривления  ствола в интервале установки  насосного оборудования (900 - 1400 м  в зависимости от глубины залегания  продуктивного  горизонта). Согласно инструкции [4] она должна быть не более 3 град/100 м. Это ограничение связано с тем, что в искривленных участках существенно снижается межремонтный период (МРП) насосного оборудования, который является одним из основных показателей его работы. 

4.3.  Расчет профиля  скважины 

     Общий порядок расчета профиля скважины сводится к следующему.

     1. По ранее пробуренным на месторождении  скважинам определяются закономерности искривления и влияние на него различных факторов. Эти данные позволяют определить интенсивность естественного искривления на отдельных интервалах.

     2. По схеме кустования или структурной  карте и геологическим разрезам определяются проектный азимут скважины, глубина скважины по вертикали и проектное смещение (отход).

     3. Определяется  конечная глубина  верхнего вертикального участка.  Очевидно, что чем меньше глубина,  на которой производится искусственное искривление  скважины,  тем меньше общие затраты средств и времени на бурение.  С этой точки зрения длина верхнего вертикального участка должна быть минимальной.  С другой стороны,  искусственное искривление ствола в рыхлых породах затруднено,  хотя в Западной Сибири есть опыт искривления, начиная с глубины 20 м.

     В ряде районов страны длина рассматриваемого интервала принимается такой,  чтобы насосное оборудование в процессе эксплуатации скважин находилось в вертикальном участке.  Длина его в этом случае доходит до 1000 м.

     При бурении скважин с кустовых площадок на длину верхнего вертикального  участка накладывается еще ряд требований, связанных с необходимостью исключения пересечения стволов. Эти требования будут рассмотрены ниже в разделе 8.1.

     4. Выбирается КНБК,  обеспечивающая  необходимую интенсивность искусственного искривления, которая не должна превышать ранее рассчитанную максимальную интенсивность искривления.  В ряде случаев, наоборот, сначала может быть принята КНБК и по ней определяется интенсивность искусственного искривления.

     Интенсивность искривления на участках естественного  уменьшения зенитного угла устанавливается исходя из практического опыта.

     5. По величине интенсивности искусственного искривления определяются радиусы кривизны R соответствующих интервалов по формуле (3).

     Полученные  величины радиусов сравниваются с минимально допустимыми и при необходимости корректируются.

     6. Производится расчет профиля,  т. е. определяется необходимый  зенитный угол скважины в конце  интервала набора кривизны,  проекции  всех интервалов на горизонтальную и вертикальную плоскость, их длины, глубина скважины по вертикали, отход (смещение) и глубина скважины по стволу. Рассчитанные глубина  по  вертикали и смещение сравниваются с заданными, что является проверкой правильности всех расчетов.

     В приведенных ниже формулах приняты  следующие условные обозначения:

     h - глубина скважины по вертикали, м;

     S - общий отход скважины (смещение), м;

     H_n - вертикальная проекция n- го интервала, м;

     S_n - горизонтальная проекция n- го интервала, м;

     l_n - длина n- го интервала, м;

     R_n - радиус кривизны n- го интервала, м;

     L - глубина скважины по стволу, м;

     Q_n - зенитный угол скважины в конце n- го интервала, град.

            

    4.3.1 Трехинтервальный профиль 

     При третьем прямолинейном интервале  профиля (рис. 10, а) расчет ведется по следующей схеме

     

           
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Q₂ = arccos {[R₂ ^. (R₂ - S)] + H ^. [(H² +S² - 2R₂ ^. S)]^0,5}/ [(R₂ - S)² + H²],    (39)

где H = h - H₁.                                                      

                                                      l₂ = 0,01745 ^. R₂ ^. Q₂,      (40)

                                                      H₂ = R₂ ^. sin Q₂,       (41)

                                                      S₂ = R₂ ^. (1 - cos Q₂),      (42)

                                                      l₃ = (H - H₂)/cos Q₂ ,      (43)

    

                                                      H₃ = h - H₁ - H₂,       (44)

                                                       S₃ = (H - H₂) . tg Q₂,      (45)