Бурение скважин

Общие сведения об искривлении  скважин 
При бурении все скважины по различным причинам в той или иной мере отклоняются  от  первоначально заданного направления.  Этот процесс называется искривлением.  Непреднамеренное искривление называется  естественным, а  искривление скважин с помощью различных технологических и технических приемов - искусственным. 
 
Вообще искривление  скважин сопровождается осложнениями,  к числу которых относятся более интенсивный износ бурильных  труб,  повышенный расход мощности,  затруднения при производстве спуско-подъемных операций, обрушение стенок скважины и др. Однако в ряде случаев искривление скважин позволяет  значительно снизить затраты средств и времени при разработке месторождений нефти и газа. Таким образом, если искривление скважины нежелательно,  то его стремятся предупредить, а если оно необходимо, то его развивают. Этот процесс называется направленным бурением, которое может быть определено как бурение скважин с использованием закономерностей естественного искривления и с помощью технологических приемов и технических средств для вывода скважины в заданную точку. При этом искривление скважин обязательно подвергается контролю и управлению. 
1.1. Элементы, определяющие пространственное

 
положение и искривление  скважин  
В процессе бурения направленной скважины необходимо знать положение каждой ее точки в пространстве.  Для этого определяются координаты ее устья и параметры трассы, к которым относятся зенитный угол Q, азимут скважины a (рис. 1) и ее длина L. 
 
Зенитный угол - это угол между осью скважины или касательной к ней и вертикалью.  Азимут - это угол между направлением на север и горизонтальной проекцией касательной к оси скважины, измеренный по часовой стрелке.  Длина скважины - это расстояние между устьем и забоем по оси. 
 
Проекция оси скважины на вертикальную плоскость называется профилем, а на горизонтальную - планом. 
 
Вертикальная плоскость, проходящая через ось скважины, или касательную к ней, называется апсидальной. 
При выполаживании скважины происходит увеличение зенитного угла (бурение с подъемом угла),  а при выкручивании  -  уменьшение  (бурение с падением угла). При искривлении скважины влево азимут ее уменьшается,  а вправо - увеличивается. 
 
Темп отклонения скважины от ее начального направления характеризуется интенсивностью искривления i,  которая может быть определена как для зенитного i_Q, так и азимутального i_a искривления 
                                                          i_Q = (Q_к - Q_н)/L,                                                 (1) 
 
                                                          i_a = (a_к - a_н)/L,                                                             (2) 
где Q_н и a_н - соответственно начальные зенитный и азимутальный углы на определенном интервале скважины,  град;  Q_к и a_к - то же для конечных углов интервала, град; L - длина интервала скважины, м. 
 
Если скважина искривляется с постоянной интенсивностью и только в апсидальной плоскости, то ее ось представляет собой дугу окружности радиусом R, величина которого может быть определена по формуле 
                                                                 R = 57,3/i.                                                               (3) 
Следует отметить, что интенсивность азимутального искривления существенно зависит  от зенитного угла скважины и при малых зенитных углах может достигать весьма значительных величин, а это не дает полного представления о положении скважины. Для оценки общего искривления служит угол пространственного искривления j,  показанный на рис. 2. В случае, если бы скважина, имеющая в точке А зенитный угол Q_н и азимут a_н, не искривлялась, то забой ее оказался бы в точке В, но за счет искривления фактически забой оказался в точке С,  зенитный угол стал равным Q_к, а азимут a_к. Угол ВАС и является углом пространственного искривления.  Величина его аналитически определяется по формуле 
                           j = arccos [cos Q_н ^. cos Q_к + sin Q_н^. sin Q_к ^. cos(a_к - a_н)].                          (4) 
С достаточной степенью точности этот угол может быть определен по формуле М.М. Александрова 
                                              j = [DQ² + (Da ^. sin Q_ср)²]^0,5,                                                    (5) 
где DQ и Da - соответственно приращения зенитного и азимутального углов на интервале, град; Q_ср - средний зенитный угол интервала, град.

 
 
Интенсивность пространственного искривления  i_j определяется по формуле 
 
                                                                 
 
                                                                    i_j = j/L,                                                               (6) 
где L - длина интервала, для которого определен угол пространственного искривления, м. 
 
Величина i_j не может быть больше интенсивности искривления для тех или  иных средств направленного бурения, определяемых их технической характеристикой. 
 
Кроме указанных величин направленные скважины характеризуются величиной отхода (смещения) S и глубиной по вертикали h. Отход - длина горизонтальной проекции прямой, соединяющей устье и забой скважины. Глубина по вертикали - длина вертикали,  соединяющей устье с горизонтальной плоскостью, проходящей через забой скважины (рис. 1). 
1.2. Причины и закономерности естественного 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. 
 
1. 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. 
 
2. 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 проработки скважины.

3. 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. 
 
4. 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. 

       Причинами искривления  скважин являются геологические, технические  и технологические факторы. К  геологическим - относятся наличие в разрезе скважин крутопадающих пластов; частая смена пород различной твердости; наличие в породах, через которые проходит скважина, трещин и каверн. Техническими факторами, способствующими искривлению скважин, являются несовпадение оси буровой вышки с центром ротора и осью скважины; наклонное положение стола ротора; применение искривленных бурильных труб и т.д. К технологическим факторам, обуславливающим искривление скважин, относятся создание чрезмерно высоких осевых нагрузок на долото; несоответствие типа долота, количества и качества промывочной жидкости характеру проходимых пород.

ПРИЧИНЫ ИСКРИВЛЕНИЯ  СТВОЛА СКВАЖИНЫ

В роторном бурении  основными элементами бурильной  колонны являются долото, стабилизаторы, УБТ и бурильная колонна до устья скважины

Разрушение породы осуществляется под действием осевой нагрузки на зубцы долота за счёт веса труб и вращения ротора Действующая  нагрузка на долото превышает предел прочности на сжатие и разрушает  поверхность породы, а вращение обеспечивает срезающее и разрывающее действие В результате действия этих двух факторов образуются частицы породы различных размеров, которые вымываются на поверхность потоком бурового раствора или воздуха После этого зубцы долота внедряются в новую поверхность породы, позволяя таким образом углублять скважину.

Направление оси  скважины зависит от состава нижней части бурильной колонны и  характеристики пласта. На рис. 8.1 показано, как под действием приложенных  усилий бурильная колонна изгибается и в некоторой точке (точка  касания) контактирует со стенками скважины.

Направление скважины обусловлено силами W, F. Силы W и F могут  быть количественно определены в  любом месте ствола скважины. Сила реакции забоя значительно изменяется в пределах одного типа пород, что  затрудняет ее количественное определение  и прогнозирование. Сила реакции  забоя зависит от типа долота и  осевой нагрузки.

Рис 8 1 Схема  действия механических факторов на искривление  ствола скважины / — ось скважины 2 — ось УБТ La — активная длина УБТ, А — точка касания / — угол искривления № — осевая нагрузка на долото F — отклоняющая (маятниковая) сила.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Технологические факторы, способствующие отклонению скважины от вертикали, включают осевую нагрузку W и отклоняющую силу F (см. рис. 8.1). Осевая сила представляет общую нагрузку на долото и по характеру является сжимающим усилием. Бурильная колонна изгибается под действием нагрузки W и в результате ось УБТ отклоняется от оси скважины.

Силу W, действующую  на долото, можно разложить на две  составляющие: W, направленную вдоль  оси скважины, и Wi, перпендикулярную к оси скважины. Составляющая W2 обусловливает отклонение скважины от вертикали и ее значение возрастает с увеличением зазора между УБТ и скважиной и нагрузки на долото. Сила W2 вызывает отклонение скважины влево (см. рис. 8.1).

Маятниковый эффект возникает от действия силы тяжести  и наклона ствола скважины; его  величина зависит от активной длины  УБТ между долотом и первой точкой их касания (см. также раздел «Компоновка низа бурильной колонны»). Усилие F можно разложить на две силы: FcosI — вдоль осевой линии скважины; Fsinl — перпендикулярную к оси скважины (более точно эти усилия раскладываются вдоль и перпендикулярно к оси УБТ, однако это допущение дает небольшие погрешности). Из рис. 8 1 видно, что под действием силы Fsinl происходит отклонение вправо.

Величина и  направление результирующего отклонения скважины вследствие действия технологических  факторов зависит от разницы между W2 и Fsinl.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Рис. 8.2. Влияние  твердости пород на искривление  скважины

Рис. 8.3. Влияние  углов падения пластов на отклонение ствола скважины:

/ — легкоразбуриваемые участки, не имеющие опоры; 2 — небольшой уступотклонитель, образуемый неразрушенным клином.

Основным фактором, обусловливающим естественное отклонение скважины от вертикали, является характеристика пласта. Все углеводородные залежи (нефтяные и газовые) существуют в  пластах, сложенных осадочными породами в виде слоев или пропластков. Осадочные породы могут состоять из чередующихся мягких и твердых слоев. Мягкие прослойки легко разбуривают и вымывают промывочными жидкостями, образуя ось скважины с увеличенным диаметром (рис. 8.2). УБТ будут отклонять долото от вертикали в пределах этого интервала, пока при бурении не будет достигнут твердый слой. Непрерывное разбуривание мягких и твердых пластов породы и отклонение долота в пределах размытого диаметра в итоге приведет к отклонению ствола скважины (см. рис. 8.2). Таким образом, происходит нежелательное искривление и резкие изменения направления оси ствола скважины.

Слоистость осадочных  пород — фактор, способствующий естественному искривлению скважины.

В однородных с  горизонтальной слоистостью пластах  долото разрушает породу равномерно, и, следовательно, скважина будет вертикальной.

В наклонно залегающих пластах долото разрушает породу неравномерно, что приводит к смещению долота в боковом направлении  и, следовательно, к искривлению  скважины. Из практики известно, что  направление долота зависит от угла падения пласта. Если угол падения  пласта меньше 45°, то скважину, как правило, бурят вверх по восстанию пласта (рис. 8.3). Если угол падения больше 45°, то скважину, обычно бурят вниз по падению  пласта. Опыт показывает, что угол отклонения оси скважины меньше угла падения  пластов.

Кроме наклона  пластов, другими важными геологическими факторами, способствующими искривлению  скважин, являются сбросообразование, наличие трещин и разрывов и степень бу-римости.

Эти факторы  в совокупности определяют влияние  геологических условий на отклонение скважин от вертикали.

Степени искривления  оси скважины подразделяют на незначительную, среднюю и высокую. При незначительном искривлении происходит небольшое отклонение скважины от вертикали или наблюдается полное его отсутствие (бурение в твердых и изотропных породах). Средняя и высокая степени искривления скважины связаны соответственно с бурением в мягких и средней твердости породах. В таких породах особенно значительно влияние угла падения пластов, образования трещин и изменения прочности пород.

Приведенная классификация  пород по степени их влияния на отклонение скважин может быть использована для выбора оптимальной компоновки нижней части бурильной колонны  с целью сохранения или изменения  отклоненного ствола скважины.

В соответствии с перечисленными факторами принимаются  меры по предотвращению искривления  скважин. В сложных геологических  условиях применяется особая компоновка низа бурильной колонны, включающая калибраторы и центраторы. Кроме того, необходимо:

• монтаж оборудования проводить в соответствии с техническими условиями;
• тип долота выбирать соответственно типу пород;
• снижать нагрузку на долото и т.д.

                      
 
1.3. Общие закономерности искривления скважин 
Анализ искривления скважин показывает,  что оно подчиняется определенным закономерностям,  но  для разных месторождений они различны и могут существенно отличаться.  Однако можно сформулировать следующие общие закономерности искривления.       
 
1. В большинстве случаев скважины стремятся занять направление, перпендикулярное слоистости горных пород. По мере приближения к этому направлению интенсивность искривления снижается. 
 
2. Уменьшение зазора между стенками скважины и инструментом приводит к уменьшению искривления. 
 
3. Места установки центрирующих элементов и их диаметр весьма существенно влияют на направление и интенсивность зенитного искривления. 
 
4. Увеличение жесткости инструмента уменьшает искривление скважины, поэтому скважины большего диаметра искривляются менее интенсивно, чем скважины малого диаметра. 
 
5. Увеличение осевой нагрузки приводит к увеличению интенсивности искривления, а повышение частоты вращения колонны бурильных труб - к снижению искривления. 
 
6. Направление и интенсивность азимутального искривления зависят от геологических факторов. 
 
7. Абсолютная  величина  интенсивности  азимутального искривления зависит от зенитного угла скважины.  С его увеличением интенсивность азимутального искривления снижается. 
 
  
 
2.  Измерение искривления скважин 
В процессе бурения необходим постоянный контроль за положением оси скважины в пространстве. Только в этом случае можно построить геологический разрез и определить истинные глубины залегания продуктивных пластов, определить положение забоя скважины и обеспечить попадание его в заданную проектом точку.  Для этого необходимо знать зенитные и азимутальные углы скважины и глубины их измерений. Такие замеры производятся с помощью специальных приборов,  называемых инклинометрами.   
 
По способу измерения и передачи информации на поверхность инклинометры подразделяются на забойные,  производящие измерения и передачу информации в процессе бурения,  автономные приборы,  опускаемые внутрь колонны бурильных труб и выдающие информацию только после подъема инструмента, и инклинометры, опускаемые в скважину на кабеле или тросе. 
 
В первом случае информация от забойных датчиков по каналу связи передается на поверхность,  где и расшифровывается.  В настоящее время используются как проводные, так и беспроводные каналы связи. Проводной канал связи широко используется с электробурами, так как в этом случае возможна передача сигнала с забоя по силовому кабелю. На этом принципе работает телесистема  СТЭ.  Существуют  системы с встроенными в каждую бурильную трубу кабелями,  соединяемые разъемами, линии с индукционной связью и линии из цельного сбросового кабеля.  Такие линии связи обеспечивают высокую передающую способность, но они достаточно дороги, осложняют спуско-подъемные операции, имеют низкую стойкость из-за износа кабеля, создают помехи при ликвидации обрывов бурильных труб. 
 
К беспроводным каналам связи относятся гидравлический, электрический, акустический и некоторые другие. В гидравлическом канале информация передается по промывочной жидкости в виде импульсов давления, частота, фаза или амплитуда которых соответствует величине передаваемого параметра.  Беспроводный электрический  канал связи основан на передаче электрического сигнала по породе и колонне бурильных труб. Однако в этом  случае с увеличением глубины скважины происходит значительное затухание и искажение сигнала.  На этом принципе работает система ЗИС-4 и ее модификации. 
 
Другие каналы связи пока не находят широкого применения.

Инклинометр состоит  из защитного кожуха, тросовой головки, чувствительного элемента (ЧЭ), арретирующего механизма, таймера, блока питания.

Защитный  кожух предохраняет инклинометр от механических воздействий и служит для защиты прибора от внешнего гидростатического давления столба жидкости в скважине. Кожух представляет собой трубу диаметром 42 мм из сплава Д16Т. Для увеличения скорости спуска инклинометра в скважине с вязкой промывочной жидкостью к нему присоединяется утяжелитель.

Тросовая  головка является универсальным узлом, обеспечивающим крепление прибора к тросу лебедки или к колонне бурильных труб. Головка состоит из верхнего наконечника и тросовой муфты.

Магнитно-гравитационный чувствительный элемент инклинометра является датчиком зенитного угла и  азимута и представляет собой  две полусферы, подвешенные в  подвижной рамке (рис. 5).

Нижняя полусфера (отвес) со смещенным вниз центром  тяжести вращается на агатовых подпятниках  в керновых опорах рамки и обеспечивает индикацию зенитного угла. В отвесе, перпендикулярно плоскости среза  полусферы, установлен подпружиненный керн, на котором свободно вращается  на агатовом подпятнике верхняя полусфера (картушка), являющаяся датчиком азимута, так как вклеенные внутри ее два  постоянных магнита ориентируют  картушку в направлении магнитного меридиана Земли. Рамка с полусферами  вращается вокруг оси инклинометра на бронзовых подшипниках и, благодаря  эксцентрично расположенному центру тяжести, всегда самоустанавливается в апсидальной плоскости скважины [5].

Рис. 5. Сферический чувствительный элемент автономного одноточечного  инклинометра ИОК-42 ВИТРа.

1 – магниты; 2 – картушка компосная (азимутов); 3, 4 – керн, подпятник; 5 – отвес со шкалой зенитных углов; 6 – пружина; 7 – втулка; 8 – керн картушки; 9 – рамка апсидальная; 10 – стакан из оргстекла; 11 – основание (дно) картушки; 12 – подпятник

По взаимному  расположению сферы отвеса и указателя, закрепленного на рамке, определяют зенитный угол, по расположению осей магнитов относительно апсидальной плоскости, нанесенной на нижней полусфере (отвесе) – азимут.

Арретирующий механизм фиксирует установившееся в точке замера состояние чувствительного элемента и обеспечивает неизменность взаиморасположения полусфер и рамки при подъеме инклинометра из скважины и при отсчете показаний. 

 
Забойные инклинометрические системы позволяют постоянно контролировать положение скважины в пространстве,  что является их бесспорным преимуществом. Кроме замеров зенитного угла и азимута с помощью таких систем одновременно измеряются непосредственно на забое скважины и другие параметры процесса бурения,  а также характеристики проходимых пород. Однако применение телеметрических систем существенно увеличивает себестоимость работ. 
 
Автономные инклинометры опускаются (бросаются) внутрь колонны бурильных труб и производят измерение зенитного угла и азимута в процессе бурения,  но информация на поверхность не передается,  а хранится в памяти прибора и считывается  из нее после подъема колонны бурильных труб. Разрешающим сигналом для замера является, как правило, остановка процесса бурения, а при бурении инклинометр отключается. За один спуск инструмента может быть произведено до 50 замеров в зависимости от типа инклинометра.  
 
Наибольшее распространение в  настоящее время у нас в стране получили инклинометры, опускаемые в скважину на кабеле. При их применении на замеры  параметров искривления требуется дополнительное время, но такие инклинометры просты по конструкции и имеют низкую стоимость. По способу измерения азимута их можно подразделить на приборы для измерения в немагнитной среде,  в которых азимут измеряется с помощью магнитной стрелки, и приборы для измерения в магнитной среде. 
 
Из первых наиболее известен инклинометр типа КИТ.  В его комплект входят глубинный прибор и панель управления. Глубинный прибор включает в себя измерительную часть и переключающее устройство,  помещенные в немагнитный корпус, заполненный демпфирующей жидкостью. К головке корпуса крепится одножильный кабель,  на котором глубинный прибор опускается в скважину.

 
Измерительная часть,  показанная на рис. 6, состоит из рамки, ось вращения которой совпадает с осью прибора.  Рамка может вращаться вокруг оси в подшипниках 11 и 12. В наклонной скважине рамка под действием эксцентричного  груза 1 устанавливается так,  что плоскость качания маятника 2 совпадает с апсидальной плоскостью скважины.  Связанная с маятником 2 стрелка 3 занимает относительно реохорда 4 положение,  зависящее от зенитного угла скважины Q. Магнитная стрелка 5 датчика азимута опирается на острие иглы 7,  занимающей всегда вертикальное положение. Это обеспечивается грузом 8,  расположенным ниже опоры.  Начало кругового реохорда 6 датчика азимута за счет эксцентричного груза 1 всегда располагается в апсидальной плоскости скважины. 
 
В верхней части рамки расположен коллектор с тремя контактными кольцами 9 и двумя парами щеток 10. 
 
Арретирование магнитной стрелки и отвеса и переключение датчиков на измерение зенитного угла или азимута производится переключающим механизмом, который приводится в действие электромагнитом, находящимся в глубинном приборе и управляемым с поверхности. В процессе спуска и подъема глубинного  прибора стрелка отвеса и магнитная стрелка дугами 13 и 14 прижаты к реохордам.  При остановке для замера параметров искривления они освобождаются, выдерживаются некоторое время для успокоения, затем вновь прижимаются к реохордам  и  производится  поочередное измерение зенитного  угла и азимута путем измерения величины сопротивления реохордов от начала до соответствующей стрелки. 
 
Для сокращения  затрат  времени  при измерении в процессе искусственного искривления скважины глубинный прибор инклинометра опускается внутрь колонны бурильных труб. При этом в КНБК включается 24-36 м ЛБТ. Для исключения влияния стальных труб глубинный  прибор  при  измерении должен находится не ближе 5 м от УБТ и 3 м от стальных замков ЛБТ. 
 
Шаг измерений инклинометром в различных условиях показан на рис.6. 
 
Контроль за измерениями производится путем повторных замеров, перекрытием предыдущих замеров и в особо ответственных случаях двумя инклинометрами.