Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Как правило, искривление скважин в процес­се бурения подчиняется некоторым, присущим данному раз­резу или месторождению, закономерностям. Эти закономер­ности не являются абсолютными и жесткими и часто ослож­нены случайными аномальными отклонениями, обусловлен­ными многими разнообразными причинами.

Благодаря усилиям многих исследователей, среди которых большую роль сыграли Вудс и Лубинский (США), С. С. Су­лакшин, А. Г. Калинин, Ю. Т. Морозов, Ю. С. Костин, В. П. Зи — ненко (Россия), в целом понятен механизм закономерного искривления скважин, но его чрезвычайная сложность обу­словливает неоднозначность способов и методических прие­мов направленного бурения на основе естественного искрив­ления скважин. В настоящее время выделены основные (главные) и побочные (второстепенные) факторы, приводя­щие к искривлению скважин.

Основные факторы — это, как правило, комплексные сис­темные характеристики протекания процесса бурения, осу­ществляемого тем или иным способом. К числу таких факто­ров относятся, например, наличие ориентированного переко­са забойной компоновки бурового инструмента при враща­тельном бурении или неравномерное разрушение породы на забое при ударном, ударно-вращательном и вращательном бурении, эксцентричная фиксация вращающегося снаряда в желобе, образовавшемся в наклонной скважине при спуско­подъемных операциях.

Проявление основных факторов обусловлено комплексом причин — в каждом случае проявляет себя определенный на­бор первичных или второстепенных факторов, к которым от­носятся особенности геолого-технических и технико-техноло­гических условий бурения.

К геолого-техническим факторам относятся: анизотропность прочностных свойств горных пород, обу­словленная их структурно-текстурными особенностями, нали­чием ориентированной трещиноватости, перемежаемость слоев и пропластков горных пород по прочности;

чрезмерная крепость пород, требующая для своего преодо­ления осевых нагрузок на забой, многократно превышающих жесткость скважинных компоновок бурового снаряда;

механическая непрочность горных пород, приводящая к чрезмерному разбуриванию ствола скважины и потере ус­тойчивости в нем скважинных компоновок или к образова­нию пространственно ориентированных желобов при спуско — подъемныЗс операциях.

К технико-технологическим факторам относятся: использование нежестких, а также эксцентричных или ис­кривленных скважинных компоновок;

чрезмерная осевая нагрузка в крепких породах; вращение снаряда с частотой, обусловливающей особое цикличное вращение снаряда вокруг своей оси и оси скважи­ны с преобладающей односторонней подработкой стенок скважин.

Принципиально важно то, что первичные факторы ис­кривления скважины проявляются в комплексе. Причем со­став комбинации факторов определяет главную причину и характер искривления скважины, а многообразие возможных комбинаций обусловливает чрезвычайную сложность их рас­познавания и однозначного управления трассами скважин на основе закономерностей естественного искривления. Законо­мерности естественного искривления не являются абсолют­ными — наличие или отсутствие хотя бы одного первичного фактора меняет их характер. Вследствие того, что первичные геолого-технические факторы труднопредсказуемы, прогноз направления трасс скважин носит вероятностный характер.

Поскольку технико-технологическими параметрами может управлять технолог, постольку процесс направленного буре­ния на основе закономерностей естественного искривления поддается управлению.

Характер закономерного искривления при различных спо­собах различен. При алмазном бурении наибольшее значение имеет исходная ориентация оси скважины к плоскости на­пластования анизотропных либо перемежающихся по проч­ности пород. На рис. 21.4 представлена схема возможных зе­нитных искривлений скважин алмазного бурения в зависимо­сти от величины угла встречи оси скважины с плоскостью напластования.

1. При укр > у > 0° (рис. 21.4, а) скважины приобретают тенденцию к выполаживанию. Здесь укр — некоторое критиче­ское значение угла встречи, при котором определенная тен­денция (в данном случае выполаживание) проявляется одно­значно. Положение трасс скважин весьма нестабильно.

2. При ув > У >уКр (рис. 21.4, б) скважины, заданные по па­дению пластов сначала выкручиваются, а после перехода че­рез вертикаль набирают зенитный угол, отклоняясь вкрест простиранию пластов. Здесь ув — угол встречи вертикальной скважины с плоскостью напластования. Положение трасс скважин относительно стабильно.

3. При 90° > у > ув (рис. 21.4, в) и заложении скважины по восстанию пород они незначительно выполаживаются в пер­воначально заданном направлении. Положение трасс скважин относительно стабильно.

4. При 90° < у < 180° — укр (рис. 21.4, г) все скважины, за­данные наклонно, закручиваются, а положение их трасс весьма трудно стабилизировать.

Ряс. 21.4. Схемы возможных зенитных искривлений скважин алмазного бу­рения

Азимутальные искривления, в общем случае, подчиняются тем же закономерностям.

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, характерным 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

Рис. 21.5. Схема построения плана и профиля трассы скважины

(21.8)

где 1п, 1п-1 ~ глубина последующего и предыдущего замеров; 9Л, 0П_, — значения зенитного угла в точках замера.

Для построения горизонтальной проекции трассы скважи­ны (рис. 21.5, а) через точку А, обозначающую устье скважи­ны, проводят прямую с азимутом а] и откладывают на ней отрезок А-1, равный ДХ]. Через точку 1 проводят прямую 1-2 с азимутом а2 и откладывают на ней отрезок Дх2. Далее по­строения таким же образом повторяются для всех других то­чек инклинометрических замеров. Соединение всех точек А,

1, 2, …, п ломаной прямой дает упрощенное изображение го­ризонтальной проекции трасс скважин.

Для построения вертикальной проекции (профиля) трассы скважины через точки А, 1, 2, …, п опускают перпендикуляры на линию (линию разведочного профиля), отмечая на ней точки О, I, II, … т. Отрезки 0-1, 0-11, 0-т представляют собой

смещения забоя х2…………. хп по линии профиля У-У. Затем из

точки А (рис. 21.5, б) описывают дугу радиусом Л в соответст­вующем масштабе. На расстоянии ^ параллельно вертикали АВ проводят прямую а-а, получая на пересечение ее дугой радиусом 1 точку 1. Из точки 1 проводят дугу радиусом 12-1 и на расстоянии х2 проводят прямую Ь-Ь параллельно вертика­ли АВ. Пересечение дуги и прямой дает точку 2. Подобным образом строят остальные точки, соединение которых дает вертикальный профиль скважины.

Для выделения тренда (тенденции) искривления скважин

их разбивают на группы по родству геологических и технико­технологических условий бурения. Для каждой группы рас­считывают среднеарифметические у и среднеквадратичные ст значения зенитных и азимутальных углов или их приращений для определенных значений глубин бурения:

у — У) +У2+-+Уп ■ Л

(21.9)

(21.10)

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 математической модели, отобра­жающей статистическую зависимость зенитного угла от дли­ны ствола скважины:

(21.11)

где 0О — зенитный угол забурки скважины; а и Ь — опытные коэффициенты; I — глубина бурения или текущее значение длины ствола скважины.

Оценка вероятности проведения скважин 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:

(21.12)

где с? — искомая величина, лежащая внутри доверительного

интервала; = ст/л/л — погрешность среднего арифметиче­ского.

Критерий I берется из таблиц.

Тогда

А

Л V // // ч

Рис. 21.6. Схема формирования по­лей допусков отклонения скважи­ны от наиболее вероятного поло­жения

При числе скважин 25-30 ширина интервала определяется по правилу «трех сита», согласно которому 99,7 % всех случай­ных величин будут попадать внутрь интервала у + Зо, 95,4 % — внутрь интервала у + 2ст и 68,3 % — внутрь интервала у + ст.

Если отклонению скважины величиной й в плоскости гео­логического разреза и между соседними разрезами предъяв­ляются одинаковые требования, то границы поля допусков будут представлять собой квадрат или окружность (рис. 21.6).

Если определена типовая траектория (составлен типовой профиль) скважины и величина среднего квадратичного от­клонения для заданной проектной глубины, то вероятность попадания ее забоя в пределы поля допустимых отклонений оценивается как вероятность рассеивания по плоскости слу­чайной величины, распределение которой по этой плоскости подчинено нормальному закону.

Формула для определения этой вероятности в случае пря­моугольного поля допусков имеет вид

Для поля допусков в виде круга радиусом г Р(х, у) = 1 — е-г2/2°2.

На основе определения вероятности сверхнормативных отклонений трасс скважин выбираются методы, способы и средства стабилизации и коррекции трасс скважин.

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, которые арми­рованы твердым сплавом. Снижению интенсивности искрив-

Рис. 21.7. Схемы устройства шарнирных компоновок

ления, как правило, способствуют при алмазном бурении уменьшение осевой нагрузки и увеличение частоты вращения снаряда. Применение гидроударников 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. 21.7). Ступен­чатые компоновки с опорой на коронку (рис. 21.7, 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 (рис. 21.7, б) в меньшей степени зависит от закономерностей естественного искривления и с большей надежностью обеспечивает набор кривизны.

Компоновки соединяются с бурильными трубами посред­ством шарнирных устройств (рис. 21.7), шарнир (рис. 21.7, г) которых состоит из шарнирного пальца 1, с полусферическим торцом и четырьмя фигурными штифтами 2, корпуса 3, ко­жуха 4, подпружиненной пяты 5 и переходника 6. Угол пере­коса шарнирного пальца составляет 6° при нормальном ре­жиме бурения. На рис. 21.7, г представлен шарнир ШБЗ-6 конструкции ЗабНИИ.

Комментарии запрещены.