Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Искривление ствола скважины подразделяется на два вида: есте­ственное и искусственное. Естественным называют 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.

Рис. 11.1. Элементы, определяю­щие пространственное положение скважины:

На естественное и искусственное искривления 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.

/ — горизонтальная плоскость; 2— ось скважины; 3— плоскость оси скважи­ны; 4—вертикаль; 5 — направление начала отсчета; 6 — направление про­водки скважины; 0 —зенитный угол; а — азимутальный угол; г) — угол на­клона скважины (90° -0)

л

Искривлением буровой скважины в данной точке называют отклонение ее от вертикали и направление этого откло­нения относительно стран света. Искрив­ление скважин в данной точке О характе­ризуется двумя углами: углом искривле­ния 0 и азимутальным углом а (рис. 11.1).

Угол искривления (зенитный угол) 0 — угол между касательной к оси ствола скважины в точке замера и проекцией этой касательной на вертикальную плоскость. Угол, равный 90°-0, называют углом наклона скважины и обозначают г|. Угол наклона — это отклонение оси ствола скважины от горизонтали.

Азимутальный угол (азимут скважины) а — 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.

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 называют все верти­кально или наклонно заданные с поверхности скважины, характери­зующиеся искривлением.

К искусственно искривленным относят скважины, которые бурят 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 р.

Общее искривление выражается уравнением

cos р = cos 0О cos 0, + sin 0О sin 0, cos Aa, (11.1)

где 0O и 0, — зенитные углы соответственно в начале и в конце дан­ного пройденного интервала; Да —разность между величинами ази­мутальных углов, замеренных в конце (а,) и в начале (0„) данного интервала (Aa = a,-a0).

В настоящее время в буровой технике и науке бытует много ус­таревших понятий, терминов и определений. Допустимы 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 называют 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 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 на­зывают 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, относят: 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 неравномерной разработке стенок скважины и разрушению забоя. В свою очередь, неравномерная разработка элемен­тов скважины вызывает увеличение сил, отклоняющих низ бурильного инструмента от ее оси, и уменьшение механических скоростей бурения.

К основным технологическим условиям, ведущим к искривлению ствола скважины, относят в основном неравномерность разбуриваемо — сти ее стенок, силы, действующие на них 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 раз — буриваемость 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 на­винченным 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 ее 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, вытекают следующие выводы:

— 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.

— Неравномерное разрушение стенок наклонно проходимых сква­жин в призабойной зоне вызывается действием веса бурильного ин­струмента.

— 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.

— Геологические условия — основная причина, вызывающая ис­кривление вертикально заданных скважин.

— 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 плоскости забоя. Однако из-за несов­падения 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 и 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 разных пород кри­тический угол встречи будет 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;

V контролировать пространственное положение проходимых скважин; •/ строить профили пробуренных скважин, геологические разрезы и карты.

Комментарии запрещены.