Искривление вертикальных скважин при бурении

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего профессионального образования

 «Уфимский государственный  нефтяной технический университет»

Кафедра "Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений"

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине "Основы нефтегазового дела"

на тему: Искривление вертикальных скважин при бурении.

Выполнил: студент гр. БГГ-13-01                                                    А.И. Гильмуллин

Проверил:

  старший преподаватель кафедры  РГКМ                                             С.Б. Харина

 

 

 

 

Уфа, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                                  3

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ ИСКРИВЛЕНИИ В БУРЕНИИ                              5                5

2 ОСНОВЫ ЕСТЕСТВЕННОГО ИСКРИВЛЕНИЯ  СКВАЖИН                           7

2.1 Основные факторы и причины, вызывающие искривление

буровых скважин                                                                                                         7

2.1.1 Влияние геологических условий на искривление скважин                         8

2.1.2 Влияние технологических условий на искривление

скважин                                                                                                                        11

2.1.3 Влияние технических условий на искривление скважин                          13

2.1.4 Влияние  режима бурения на интенсивность  искривления 

cкважин                                                                                                                      16

2.2 Закономерности  искривления скважин                                                             19                                                                                                               

2.2.1 Основные  закономерности искривления                                                       19

2.3 О механизме образования ствола скважины                                                    22

2.4 Механизм  искривления                                                                                       24

3 БОРЬБА С ИСКРИВЛЕНИЕМ СКВАЖИН                                                        27

4 ИСКУСТВЕННОЕ ИСКРИВЛЕНИЕ СКВАЖИН                                              29 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Таблица 1                                                                                  30                      

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ                                                31

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Скважина, запроектированная как вертикальная, в процессе бурения может самопроизвольно искривляться по геологическим причинам (из-за крутого залегания пластов с частым чередованием породы разной твердости; естественных нарушений – трещины, каверны, сбросы; слоистости и сланцеватости пород; твердых включений в мягких несцементированных породах), а также вследствие нарушения правил бурения (изменение диаметра ствола скважины на отдельных участках; неправильный выбор соотношения между диаметрами долота, УБТ и бурильных труб; несовпадение оси вышки с центром ротора и осью шахтного направления; не горизонтальность стола ротора; искривление ведущей, утяжелённой или бурильной труб; перекос в резьбовом соединении между турбобуром и трубой; эксцентричность долота и т.д.).

Бурное развитие экономики нашей страны ставит перед работниками нефтяной промышленности задачу повышения эффективности и улучшения качества бурения.

Эта проблема включает в себя вопросы как количественного роста, т.е. увеличения скоростных показателей бурения, так и повышения качества самих буровых работ. Одним из важнейших факторов повышения качества является проведение бурения вертикальных и наклонно-направленных скважин строго по проекту, т.е. без отклонения в процессе проводки от заданного направления.

С вопросами искривления скважин, как самопроизвольного, так и искусственного, повседневно сталкиваются многочисленные организации, ведущие разведочные и эксплуатационные буровые работы.

В настоящее время в связи с увеличением глубин при бурении скважин по тем или иным причинам возникают отклонения от проектного направления, в результате чего серьезно нарушается сетка разведки и разработки месторождений. Забои вертикально забуренных скважин оказываются смещенными относительно своих проектных положений на десятки и сотни метров. Интенсивность зенитного и азимутального искривления в некоторых случаях совершенно не соответствует проектным заданиям. Стволы таких скважин в большинстве случаев имеют уступы и резкие перегибы, что отрицательно сказывается на результатах их дальнейшей проводки, крепления и эксплуатации. В ряде случаев из-за искривления стволов скважин возникают крупные аварии, и настолько усложняется процесс бурения, что его приходится прекращать, не достигнув проектных глубин.

Для того чтобы не обесценить результаты бурения и избежать всех неприятных последствий искривления скважин, нужно знать причины и закономерности искривления, а также уметь провести мероприятия по проведению скважин в заданном направлении. Знание закономерностей искривления важно и для осуществления искусственного отклонения скважин. Оно даёт возможность избежать заложения скважин с наклонными стволами, позволяет подсекать полезное ископаемое в нескольких точках из одного основного ствола, т.е. осуществлять разветвленно-направленное (многозабойное), а также кустовое бурение скважин.

Проблема искривления скважин охватывает широкий круг вопросов из различных областей знаний. В настоящей работе основное внимание уделено таким малоизученным, но представляющим значительный интерес для промышленности вопросам, как: 1) уточнение понятия искривления буровых скважин; 2) влияние анизотропности пород на характер искривления скважин; 3) методика изучения закономерностей искривления скважин; 4) влияние конфигурации поперечного сечения ствола скважины на ее искривление; 5) механизм искривления скважин.

 

 

 

 

 

 

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ ИСКРИВЛЕНИИ  В БУРЕНИИ [1]

 

Ось любой скважины, будь она вертикально- или наклонно-заданной, в процессе бурения отклоняется от своего проектного направления, т.е. скважина искривляется.

Искривлением буровой скважины в данной точке называется отклонение ее оси от вертикали и направление этого отклонения относительно стран света.

Искривление скважины в данной точке O характеризуется двумя элементами (рис. 1): а) углом искривления (зенитный угол) ; это угол между касательной к оси ствола скважины в точке замера и вертикалью; угол, равный 90 - , называется углом наклона скважины и обозначается η; угол наклона – это отклонение оси ствола скважины от горизонтали; б) азимутальным угол (азимутом скважины) ; это 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.

Рис. 1 Элементы, определяющие пространственное положение скважины.

Если азимутальное направление постоянно, то наблюдается плоскостное искривление ствола скважины. Если же постоянно изменяется как зенитный угол, так и азимут направления, то в этом случае наблюдается пространственное искривление ствола скважины.

Непроизвольно искривленными скважинами называются все вертикально или наклонно-заданные с поверхности скважины, характеризующиеся искривлением.

К произвольно-искривленным скважинам относятся скважины, которые бурятся по заданному профилю. Такие скважины могут быть наклонными, плоско-искривленными и реже – пространственно-искривленными. Такое понятие «искривления» в теории и практике бурения и следует иметь в виду при изучении причин и механизма искривления скважин.

Практически скважины искривляются в пространстве. При этом меняются и азимут, и зенитный угол, т.е. происходит общее искривление по некоторым углом .

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 двумя 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 двумя замерами представляет собой плоскую кривую, а само искривление – бесконечно малое количество 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

2 ОСНОВЫ  ЕСТЕСТВЕННОГО ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН [1, 2]

 

При бурении необходимо довольно точно знать положение ствола скважины в пространстве. Но его определение затрудняется тем, что скважина в процессе бурения отклоняется от первоначально заданного направления. Выяснением причины искривления скважин, а также закономерностей, наблюдаемых при искривлении, занимался ряд авторов, при этом высказанные ими взгляды по этим вопросам разнообразны. Одни из них видят основную причину искривления в неустойчивом равновесии длинного скручиваемого стержня (колонны бурильных труб). Другие считают причиной влияние геологии месторождения, а также неустойчивость равновесия прямолинейной формы низа бурильных труб. Третьи полагают, что сама искривленная форма бурильных труб совершенно не влияет на искривление скважины; последнее происходит главным образом за счет влияния геологических условий. В зарубежной практике бурения, в частности американской, по этому вопросу также нет единого мнения.

Отсутствие единой точки зрения не позволяет дать исчерпывающее объяснение истинных причин и механизма искривления и мешает разработке практических наиболее эффективных способов, средств и методов борьбы с искривлением скважин или использования их для направленного отклонения. Поэтому выявление причин и закономерностей искривлений имеет большое практическое значение.

 

2.1 Основные факторы и причины, вызывающие искривление буровых 

скважин

Искривление буровых скважин обусловлено различными факторами, основными из которых являются геологические, технологические и технические. Все они связаны между собой причинно-следственной связью, как специфической формой обусловленности явлений в природе, выражающейся в том, что любое отдельное явление или совокупность взаимодействующих явлений порождает другое явление и, наоборот, всякое явление вызвано другим явление или их группой.

При этом надо четко помнить, что каждое явление, непосредственно обусловливающее возникновение данного отдельного явления и выступающее как его источник, называется причиной, а явление, которое порождается действием определенной причины, называется следствием.

2.1.1 Влияние геологических условий  на искривление скважин [3]

Влияние геологических условий в основном сводится 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 порождают причину искривления скважины, относятся 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.

Остановимся подробнее на анизотропности пород, так как это основное геологическое условие, способствующее искривлению.

Горные породы, слагающие литосферу земли и пересекаемые буровыми скважинами, имеют самые разнообразные минералогический состав, текстуру и структуру.

Если порода состоит из однородных минералов, физико-механические свойства которых одинаковы во всех направлениях, и в ней нет никаких плоскостей напластования, то она называется изотропной.

Однако большинство пород в процессе своего образования подверглось тем или иным изменениям. Породы в этих случаях стали неоднородными и приобрели разные физико-механические свойства в различных направлениях. Различие свойств в породах при этом имеет вполне определенную ориентацию (слоистость, сланцеватость, трахитоидность, трещиноватость и т.д.). Такие породы становятся анизотропными.

Степень анизотропности у различных, а довольно часто и у одних и тех же пород, может изменяться в широких пределах. Наиболее высокой анизотропностью обладают слоистые горные породы, такие, как песчано-глинистые, кварцито-углисто-глинистые, ороговикованные и другие сланцы, имеющие различный литологический состав прослоев и резко колеблющуюся твердость. Высокую анизотропность имеют также метаморфизованные и трещиноватые породы.

Породы магматического происхождения (изверженные) обладают средней, а осадочные – слабой анизотропией, и некоторые из последних можно отнести даже к изотропным (например, мел, мергель, некоторые типы глин, известняков и т.д.). Вопросами анизотропности горных пород много занимались Г. В. Тохнуев и А. А. Титлянов, которые экспериментально подтвердили, что твердость минералов по различным кристаллографическим направлениям неодинакова. Они установили, что твердость минералов криворожских руд и вмещающих пород в направлении, перпендикулярной длинной оси, на 30-50% меньше, чем вдоль нее.

Анизотропность является постоянным условием, способствующим отклонению ствола скважины в процессе бурения от своего заданного направления.

Относительная разница между буримостью (или твердостью) в направлении, параллельном плоскости напластования, и в направлении, перпендикулярном ему, можно назвать показателем степени анизотропности горных пород. Американские исследователи Г. Вудс и А. Лубинский подобный показатель назвали буровым индексов анизотропии.

Вследствие одностороннего разрушения забоя искривление происходит в каждый момент времени ступенчато. Механизм искривления ствола можно представить следующим образом. В пространстве, выбуренном по контуру эпюры разрушения, торец породоразрушающего инструмента стремится занять такое положение, при котором его центральная ось совпала бы с серединой овала. Инструмент будет передвигаться в сторону наиболее интенсивно разбуриваемой стенки скважины по мере возникновения свободного пространства, образовывающегося после каждого оборота породоразрушающего инструмента по линии наименьшего сопротивления в породе.

Описываемый процесс должен продолжаться до тех пор, пока под торцом долота или коронки не прекратится асимметричное разрушение породы забоя и стенок скважины. По-видимому, это может наблюдаться лишь в том случае, если ось скважины займет положение, перпендикулярное к плоскости слоистости.

С явлением анизотропности горных пород связываются основные условия искривления скважин.

Таким образом, в настоящее время существует мнения о влиянии угла наклона пластов и анизотропности пород на степень искривления скважин. В первом случае однородные породы значительных мощностей могут залегать под большими углами друг к другу, однако при этом сильных искривлений стволов скважин не наблюдается.

Во втором случае породы однородны, залегают под небольшими углами, но сильно анизотропны, так как имеют значительную микрослоистость. В этих породах скважины сильно отклоняются от первоначально заданного направления.

Значительное влияние на искривление скважин оказывают слоистость, перемежаемость пород различной твердости и степень наклона пластов к горизонту.

По мере углубления скважина все больше искривляется по восстанию пластов до тех пор, пока в конце концов ствол ее не станет перпендикулярным к плоскости напластования, а угол наклона не станет равным углу падения пластов.

При высоких осевых нагрузках трещины в породе проникают на большую глубину, и клинья породы будут иметь большие размеры. Боковая реакция со стороны этих своеобразных отклонителей увеличится, и скважина будет искривляться более интенсивно.

При переходе из мягких пород в более твердые и наоборот скважина может также отклоняться от заданного азимутального направления.

 

2.1.2 Влияние технологических условий  на искривление скважин

Технологические условия связаны со способами и режимами, применяемыми при бурении. Они в основном определяются осевыми нагрузками на забой и числами оборотов породоразрушающего инструмента, которые ведут к неравномерной разработке стенок скважины и к неравномерному разрушению забоя. В свою очередь неравномерная разработка элементов скважины вызывает увеличение сил, отклоняющих низ бурильного инструмента от оси скважины, и уменьшение механических скоростей бурения.

К основным технологическим условиям, ведущим, в конечном счете, к искривлению ствола скважины, относится в основном неравномерность разбуриваемости стенок скважины, величина сил, действующих на низ бурильного инструмента, и некоторые другие факторы.

Неравномерная разбуриваемость стенок скважин относится ко всем видам бурения и связана с тем, что породы, слагающие стенки скважины, различны по своему минералогическому составу и, следовательно, в разной степени сопротивляются воздействию на низ режущих частей породоразрушающего инструмента.

Например, при бурении алмазным инструментом разрушение стенок скважины происходит наиболее равномерно. Кроме того, резцы алмазных коронок выступают за боковые стороны незначительно, поэтому зазоры между алмазным инструментом и стенками скважин в процессе бурения невелики. При колонковом бурении они достигают 1-1,5 мм, а при мелкоалмазном – 0,2-0,5 мм. Поэтому скважины при алмазном бурении искривляются довольно умеренно.

Бурение шарошечными долотами характеризуется больше степенью разработки стенок скважины. При этом чем мягче порода и больше величина зубьев шарошек, тем больше диаметральная разбуриваемость стволов скважин. При бурении шарошечными штырьевыми долотами в крепких породах разбуриваемость стенок, а, следовательно, и величина искривления скважин значительно понижаются.

Бурение коронками, армированными твердыми сплавами, осуществляется в породах мягких и средней крепости. В этих условиях неоднородность механических свойств пород проявляется не так резко, как при бурении алмазными коронками и долотами. Но в этом случае на величину зазора между боковой поверхностью бурильного инструмента и стенками скважин оказывают большое влияние расположение резцов и величина их выхода на сторону.

При неоднородной твердости разбуриваемых пород и симметричном раположении резцов на диаметрально противоположных сторонах коронки или долота последние будут отклоняться в сторону, противоположную твердой породе. В процессе бурения бурильная колонна до некоторой степени вибрирует и возникающее толчки и удары усиливают разбуриваемость стенок скважины. Увеличенный выход на сторону резцов при бурении коронками, армированными твердыми сплавами, приводит к более интенсивному искривлению скважин при твердосплавном бурении, чем при алмазном.

Другим фактором технологического порядка, влияющим на искривление скважин, является величина сил, действующих на низ бурильного инструмента. Она связана с такими основными режимными параметрами, как осевая нагрузка и числа оборотов породоразрушающего инструмента.

Для уяснения механизма действия этих факторов на искривление скважин рассмотрим работу колонны бурильных труб при вращательном бурении.

Известно, что бурильный инструмент приводится во вращение двигателем при помощи гибкой системы бурильных труб, поэтому в первую очередь необходимо уяснить, как располагается бурильная колонна в скважине во время вращения и какие силы действуют на её низ. От действия этих сил зависит расположение низа бурильного инструмента в скважине во время бурения, от чего, в свою очередь, зависит степень искривления скважины.

На низ бурильной колонны действуют в основном такие силы, как: а) сжимающие – от осевой нагрузки; б) изгибающие – от совместного действия центробежных усилий веса труб; в) скручивающие – от передачи вращательного момента породоразрушающему инструменту на забое.

На низ бурильной колонны, вероятно, оказывает влияние и гидростатическое давление, а также внутреннее избыточной давление промывочной жидкости, хотя этот вопрос в настоящее время является спорным.

Возможен также изгиб колонны бурильных труб в результате совместного действия центробежных и продольных сил. Колонна труб в процессе бурения подвергается воздействию центробежных и продольных сил.

Следует отметить, что потеря устойчивости влечет за собой отклонение колонны от оси скважины, и это является одной из причин перекоса породоразрушающего инструмента, приводящих к искривлению скважин.

 

2.1.3 Влияние технических  условий на искривление скважин

На отклонение скважин от своего заданного направления значительно влияют также технические условия. В результате применения бурильных компоновок неправильных конструкций, нерациональных размеров, плохого качества и т.д. в процессе бурения происходит интенсивная разработка стенок скважины, в результате чего увеличивается зазор между стенками скважин и низом бурильных компоновок, а, следовательно, и возможность перекоса последних в стволе. Это в свою очередь ведет к отклонению оси скважины во время ее проходки, т.е. возникает искривление ствола. К техническим условиям можно до некоторой степени отнести неправильную установку ротора бурового станка или направляющей трубы и кондуктора. Однако эти условия ведут собственно не к искривлению скважины, а к неправильному заложению ее по отношению к заданному проектом направлению.

Технические условия, вызывающие искривление скважины в процессе бурения, в основном связаны с конструктивными особенностями компоновок низа бурильного инструмента, а также с неправильными приемами работы.

Ниже перечислены технические условия, вызывающие образование увеличенных зазоров между стенками скважины и низом бурильного инструмента и приводящие, в конечном счете, к искривлению ствола скважины.

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 также усиленная разработка 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 ствола скважины от требуемого направления. Причем, такое положение может возникнуть, если в компоновке отсутствует направляющий шпиндель.
4. К другим техническим условиям, способствующим возникновению искривления, относится, например, бурение не соответствующими для данных условий по длине компоновками бурильного инструмента (короткими турбобурами или колонковыми трубами, особенно в часто перемежающихся породах различной твердости и т.д.), компоновками несоответствующих поперечных размеров, а также породоразрушающими затупившимися инструментами или не соответствующими по конструкции проходимым породам.

К техническим условиям, вызывающим неправильное начальное направление скважины, относятся следующие.

1. Неправильная установка ротора или бурового станка. При бурении вертикальных скважин небольшой перекос ротора во время монтажа может привести к неправильной забурке скважины. На забуривание в строго заданном направлении ствола скважины особенно большое влияние оказывает качество установки бурового геологоразведочного вала может вызвать сильное изменение азимутального направления, особенно при малых зенитных углах, а также изменение зенитного угла. Если станок установлен на непрочном фундаменте, то в процессе забуривания скважины возможна его осадка и, следовательно, отклонение вращателя от заданного направления.

Подобные начальные отклонения оси скважины часто встречаются при бурении как вертикальных, так и наклонно-заданных скважин.

При этом величина отклонений может быть различной, а направление носить случайный характер.

2. Бурение скважины с неисправленным ротором или вращателем. Подработка различных втулок, образование люфтов и т.д. Довольно значительное отклонение шпинделя во вращателе наблюдается, если при большой подработке втулки шпинделя над ним выступает длинный конец бурильной трубы с сальником и нагнетательным шлангом.
3. Неправильная установка направляющей трубы или кондуктора. Плохо отцентрированные и закрепленные обсадные трубы (направление или кондуктор) также могут вызвать отклонение оси скважины в самом начале бурения.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1. Основной причиной, непосредственно вызывающей искривление вертикальных скважин, является неравномерная разработка площади забоя в разных направлениях, что приводит в процессе бурения к смещению забоя в пространстве. В отношении наклонно-заданных скважин такой причиной искривления является неравномерная разработка площади забоя по окружности и стенок скважин в призабойной зоне.
2. Неравномерное разрушение забоя происходит при определенных геологических и технологических условиях.
3. Неравномерное разрушение стенок наклонно-проходимых скважин в призабойной зоне вызывается действием силы тяжести бурильного инструмента.
4. Необходимым условием, которое приводит к искривлению скважины, является несовпадение оси низа бурильного инструмента с осью скважины по 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.
5. Первопричиной, вызывающей искривление вертикально заданных скважин, являются главным образом геологические условия.
6. Технические условия, хотя и не приводят непосредственно к неравномерному разрушению забоя, играют большую роль в выполнении задач, поставленных перед скважиной.