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.

· 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.

· 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 прора ботки скважины.

· 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.

· 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.

1.2.1. Геологические причины искривления скважин

К геологическим причинам искривления относятся анизотропия горных пород, слоистость, сланцеватость, перемежаемость слоев по твердости, трещиноватость пород, пористость, наличие твердых включений, пустот.

Анизотропия горных пород - это различие способности к разрушению или других их свойств (твердость, упругость, теплопроводность, электропроводность) в различных направлениях. Анизотропия обусловлена минералогическим составом и наиболее характерна для пород, сложенных из пластинчатых, чешуйчатых, игольчатых минералов. Количественно анизотропия по буримости оценивается коэффициентом анизотропии, равным отношению максимальной и минимальной механической скоростям бурения в различных направлениях (как правило, взаимно перпендикулярных). Эти направления образуют оси симметрии свойств анизотропных пород. Если скважина пересекает плоскость, в которой находятся эти оси, под некоторым углом, отличным от 90^О, то происходит неравномерное разрушение породы как на забое, так и в стенках скважины, что и приводит к искривлению ствола.

Слоистость горных пород оказывает существенное влияние на искривление скважин. Как известно, породы легче раскалываются по слоистости, а бурятся в перпендикулярном ей направлении. Это направление называется линией наименьшего сопротивления, а перпендикулярная ей плоскость – главной плоскостью скалывания. Эта плоскость чаще всего совпадает с плоскостью напластования, но иногда может с ней не согласовываться. Раскалывание по слоистости объясняется тем, что внутри слоев связи обычно ионные, а между слоями – молекулярные, которые меньше ионных. Если ось скважины не совпадает с линией наименьшего сопротивления, то происходит неравномерное разрушение породы на забое скважины, в результате чего и происходит ее искривление (рис. 4). Максимальное искривление имеет место в случае, когда указанный угол близок к 45^О. Этим объясняется то, что все скважины в процессе бурения стремятся выйти вкрест напластованию горных пород.

При пересечении скважиной под острым углом контактов между слоями мягких и твердых пород (рис. 5) более интенсивно разбуривается часть забоя с мягкими породами, что приводит к значительному отклонению скважины. При пересечении контактов твердых и мягких пород имеет место обратная картина, но искривление происходит в меньшей степени, так как неравномерность разрушения породы усиливается только к концу пересечения контакта. Вследствие этого искривление скважин так же как и в предыдущем случае происходит по направлению вкрест напластования пород. Однако в ряде случаев при пересечении контакта мягких и твердых пород с малым углом встречи (до 5-10^О) может произойти " скольжение" скважины по контакту.

При бурении по трещиноватым и пористым породам, если трещины и поры имеют закономерное распространение, что чаще всего и бывает, также происходит искривление скважины. Это можно объяснить как и в предыдущем случае, рассматривая поры и трещины как слои с нулевой твердостью.

1.2.2. Технологические причины искривления скважин

Технологические причины искривления скважин связаны с режимными параметрами процесса бурения. К их числу относятся осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, частота и направление вращения инструмента, количество и качество промывочной жидкости.

Повышение осевой нагрузки всегда приводит к увеличению интенсивности искривления скважины. Это объясняется увеличением прогиба КНБК, возрастанием отклоняющей силы, увеличением разработки стенок скважины, что приводит к увеличению угла перекоса инструмента.

Повышение частоты вращения колонны бурильных труб практически всегда сопровождается уменьшением интенсивности искривления. Это можно объяснить кинематикой движения КНБК в скважине. При малой частоте вращения колонна вращается в основном вокруг собственной оси, а при большой - вокруг оси скважины. При средних значениях частот вращения имеет место постепенный переходный процесс. Очевидно, что при вращении колонны вокруг оси скважины искривление ствола за счет перекоса инструмента отсутствует. Изменение направления вращения инструмента приводит, как правило, к изменению механизма разрушения горной породы на забое и изменению направления искривления, особенно по азимуту.

Расход и качество промывочной жидкости также оказывают влияние на искривление скважин. В мягких породах при повышенном расходе промывочной жидкости стенки скважины размываются более интенсивно, угол перекоса инструмента увеличивается, что приводит к увеличению интенсивности искривления. Введение в раствор смазывающих добавок уменьшает трение инструмента о стенки скважины, что изменяет кинематику движения колонны бурильных труб и приводит к изменению интенсивности искривления.

1.2.3. Технические причины искривления скважин

К техническим причинам естественного искривления скважин относятся тип и конструктивные особенности породоразрушающего инструмента и компоновка бурового снаряда.

Вид и конструкция породоразрушающего инструмента определяют механизм разрушения горной породы, что в конечном итоге оказывает влияние на направление и интенсивность искривления. При применении безопорных долот (алмазные, ИСМ) разрушение породы на забое происходит более равномерно, разработка стенок скважины невелика, следовательно следует ожидать меньшего искривления скважин по сравнению со скважинами, буримыми шарошечными долотами, при прочих равных условиях. При использовании долот с увеличенным выходом породоразрушающих элементов за боковую поверхность (усиленным боковым вооружением) интенсивность искривления увеличивается. Форма торца породоразрушающего инструмента также оказывает влияние на искривление скважин. Минимальное искривление наблюдается при плоском торце долота. При бурении анизотропных и слоистых пород долотами с разной формой торца можно изменить направление искривления скважин, как это видно из рис. 6. Вопросы искривления скважин в этом случае достаточно подробно были рассмотрены Ю.Л. Боярко.

Компоновка низа бурильной колонны оказывает весьма существенное влияние на искривление скважин. В первую очередь следует отметить важное значение мест установки и диаметров центраторов, калибраторов, стабилизаторов. Меняя эти параметры, можно менять как интенсивность, так и направление искривления. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены далее.

При большой разнице диаметров долота и забойного двигателя или УБТ (при роторном бурении) угол между осями скважины и инструмента достигает значительной величины, а следовательно, увеличивается интенсивность искривления. Радиус кривизны R скважины при этом с достаточной степенью точности может быть определен по формуле

R = l²/(D_c - d), (7)

где l - длина инструмента от долота до первой точки касания со стенкой скважины, м; D_c - диаметр скважины, м; d - диаметр бурового инструмента в точке касания, м.

Уменьшение жесткости инструмента приводит к тому, что продольный изгиб происходит при меньших осевых нагрузках. В результате первая точка касания инструмента со стенкой скважины приближается к забою, и интенсивность искривления увеличивается. Критическая осевая нагрузка, при которой происходит продольный изгиб стального инструмента длиной l (в мм), определяется по формуле

P_кр = [0, 96 ^. 10⁶ (D_н⁴ - D_в⁴)]/ l², (8)

где D_н и D_в - соответственно наружный и внутренний диаметры инструмента, мм.

При роторном бурении включение в КНБК эксцентричных соединений (переводников) приводит к тому, что колонна вращается вокруг оси скважины, и искривление уменьшается.

С увеличением зенитного угла скважины интенсивность искривления, как правило, снижается, а в мягких породах под действием веса колонны бурильных труб происходит интенсивное разбуривание лежачей стенки скважины и искривление ее в сторону уменьшения зенитного угла.