Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

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 бурят не одиночную скважину, а их закономерно организованную совокупность, так как 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.

Технологическую проблему, связанную с обеспечением необходи­мого пространственного положения трасс скважин, называют техно­логией направленного бурения.

В направленном бурении условно можно выделить два класса технологических задач: задачу стабилизации трассы скважины и за­дачу ее 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 оценивают параметрами интенсивности искривления. На практике, как правило, отдельно оценивают интенсивность зенитного искрив­ления (величина изменения значения зенитного угла 0 на единицу длины ствола скважины) и интенсивность азимутального искривле­ния — приращения азимута а на единицу длины ствола.

Интенсивность зенитного искривления /е (град/м) рассчитывают по формуле

• _ А0 им,

/е-д V ( }

где ДО — приращение зенитного угла, град; ДЬ — интервал оценки интенсивности искривления, м.

Интенсивность азимутального искривления /а (град/м) рассчиты­вают аналогично:

Да,,

1а~М’ ( *

где Да — приращение азимута.

Определение интенсивности полного искривления /р (град/м) имеет практическое значение с точки зрения оценки технологической безо­пасности кривизны скважины, поскольку опыт говорит о возможно­сти аварий, обусловленных чрезмерной кривизной ствола скважин:

М’

Ч ~ ТТ’ (П.4)

где Д(3 — приращение полного угла искривления в интервале оценки, град.

В качестве вспомогательной характеристики искривления скважи­ны используют радиус кривизны Я:

; (11.5)

(11.6)

*а

57 3

(11.7)

‘и

где Яв, Яа, Яр — соответственно радиусы кривизны кривых, отражаю­щих 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 делят на вертикальные (0 = 0 ±5°), горизонтальные (0 = 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 (0 возрастает — трас­са выполаживается) или более крутой (0 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 0, 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 фиксируют инклинометра­ми с магнитной стрелкой. В ферромагнитных средах, искажающих на­правление вектора магнитного поля (при разведке магнетитовых же­лезных руд), используют гигроскопические приборы.

В организационном отношении выделяют оперативный контроль пространственного положения скважины, выполняемый силами буро­вой бригады, и плановые инклинометрические исследования, осущест­вляемые 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 0К-40У, 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 оси 1,

Рис. 11.2. Упрощенная кинематическая схема чувствительного элемента МТ-1

жестко связанной с отвесом 4 , который установлен на апсидальной рамке 3.

При спуске инклинометра в скважину рамку устанавливают вдоль ее оси Ot — Ог. Под действием момента, равного Мр = (Рр + P0)ry sin 0 sin у (Рр — вес эксцентричного груза рамки; Ра — вес отвеса; гу — плечо ре­зультирующей двух сил Яр и Ру; у —угол поворота рамки), рамка при­нимает такое положение, при котором ее плоскость совпадает с ап­сидальной плоскостью скважины в точке замера.

Магнитная стрелка под действием момента Мс = тН sin ср (т — маг­нитный момент стрелки; Я— горизонтальная составляющая магнит­ного поля; ф — угол закручивания стрелки) совместится с направле­нием магнитного меридиана. Отвес устанавливают по направлению силы тяжести Земли. Отвес и магнитная стрелка снабжены отсчетны — ми 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 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 подраз­деляют на работающие в немагнитных или слабомагнитных (диамаг­нитных) и ферромагнитных средах. Инклинометры для диамагнитных

Рис. 11.3. Схема устройства электромеханических инклинометров типа МИ-30 (УМИ-25) и МИР-36: а — кинематическая схема чувствительного элемента; 6 — принципиальная электрическая схема

сред — это электромеханические компасы МИ-30 и МИР-36, имею­щие аналогичное устройство. Для оперативного контроля инклинометр МИ-30 можно опускать внутрь колонны бурильных труб с проходным отверстием не менее 34 мм и выполнять измерения в немагнитных трубах, которые входят в комплекты ССК и КССК. Кинематическая схема чувствительного элемента инклинометров данного типа пред­ставлена на рис. 11.3, в.

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.

Отвес магнитной стрелки компаса 5 располагает магнитную стрелку в горизонтальной плоскости. При подаче 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. 11.3,6.

В ферромагнитных средах применяют 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;

•/ оценку вероятности проведения трассы скважины по проект­ной траектории;

•/ выбор способов и средств стабилизации и коррекции трасс скважин.

В проектировании трасс скважин наиболее распространен 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:

АХп =(/п-/п-1)8Ш-+^"—*1 , (П-В)

где /п, /п_ | — глубина последующего и предыдущего замеров; 0П, 0п+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 а и откладывают на ней отрезок А—1, равный Дх,. Через точку 1 проводят прямую 1—F с азимутом а2 и откладывают на ней отрезок А%2. Далее построение таким же образом повторяют для всех других точек инклинометрических замеров. Соединение 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 О, I, II… т. Отрезки 0 — 1, О—II, О — т представляют собой смещения забоя хь х2, … х„ по линии профиля V—V. Затем из точки А (рис. 11.4,6) описывают дугу радиусом I в соответствующем масштабе.

На расстоянии х параллельно вертикали АВ проводят прямую а — а, получая на пересечении ее дугой радиусом /, точку 1. Из точки 1 проводят дугу радиусом /2 — /, и на расстоянии х2 проводят пря­мую b — b 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-технологи — ческих условий бурения. Для каждой группы рассчитывают средне­арифметические у и среднеквадратичные о значения величин зенит­ных и азимутальных углов или их приращений для определенных значений глубин бурения:

(П.9)

У і +Уг + — + Уп

У =———— я———-

(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 0О — зенитный угол забурки скважины; а и Ь — опытные коэф­фициенты; Ь — 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 рассчитывают по критерию Стьюдента

о

(11.12)

где (1 — погрешность среднего арифметического; у — искомая величи­на, лежащая внутри доверительного интервала.

Критерий / берут из таблиц, прилагаемым к инструкции по ин­клинометрам.

Тогда

(11.13)

й=у±Юу,

При числе скважин 25—30 ширину интервала определяют по пра­вилу «трех сигм», согласно которому 99,7 % всех случайных величин будут попадать внутрь интервала у + За, 95,4 % — внутрь интервала у+2о и 68,3% —внутрь интервала у + а.

Если отклонению скважины величиной с1 в плоскости геологиче­ского разреза и между соседними разрезами предъявляются одинако-

X

полей допусков отклонения сква­жины от наиболее вероятного по­ложения

вые 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.

Рис. 11.5. Схема формирования ют, как правило, уменьшение осевой на-

грузки и увеличение частоты вращения снаряда. Применение гидроударников

С целью снижения интенсивности искривления применяют 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 способству-

(I

!

м

<1

а

Рис. 11.6. Схема устройства шарнирных компоновок: а — компоновка с опорой на коронку; 6 — компоновка с промежуточной опорой; в — шарнирная компоновка; г — шарнир

с любым породоразрушающим инструментом является наиболее эф­фективным средством стабилизации трасс скважин.

Для повышения интенсивности искривления применяют ступен­чатые и шарнирные компоновки, увеличивающие перекос бурового инструмента в скважине (рис. 11.6). Ступенчатые компоновки с опо­рой на коронку (см. рис. 11.6, а) состоят из породоразрушающего ин­струмента и колонковой трубы меньшего на один размер диаметра. Алмазные коронки для таких компоновок имеют утолщенную мат­рицу.

Компоновка с промежуточной опорой (см. рис. 11.6,6) в меньшей степени зависит от закономерностей естественного искривления и с большей надежностью обеспечивает набор кривизны. Компоновки со­единяются с бурильными трубами посредством шарнирных устройств (см. рис. 11.6, а, б, в). Шарнир (см. рис. 11.6, г) состоит из шарнир­ного 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 ШБЗ-6 конструкции ЗабНИИ.

Комментарии запрещены.