ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН

Тема 8. НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕ СКВАЖИН

Учебные вопросы:

1. Основные понятия и определения направленного бурения скважин.

2. Общие закономерности искривления скважин

3. Измерение искривления скважин

4. Типы профилей и рекомендации по их выбору

Основные понятия и определения направленного бурения скважин.

Более полное извлечение углеводородов из пластов является важной экономической составляющей. Одной из главных задач направленной скважины - совершенствования технологии разработки нефтя­ных месторождений.

Вскрытие продуктивной толщи направленными, в том чис­ле горизонтальными и разветвленно-горизонтальными сква­жинами, позволяет:

· повысить продуктивность скважины за счет увеличения площади фильтрации;

· продлить период безводной эксплуатации скважин;

· увеличить степень извлечения углеводородов на месторож­дениях, находящихся на поздней стадии разработки;

· повысить эффективность закачки агентов в пласты;

· вовлечь в разработку пласты с низкими коллекторскими свойствами и с высоковязкой нефтью;

· освоить труднодоступные нефтегазовые месторождения, в том числе морские;

· улучшить технологию подземных хранилищ газа.

Направленной называют такую скважину, ко­торую пробурили вдоль запроектированной пространствен­ной трассы и попали в заданную цель, а ее забой и фильтро­вая зона не только располагаются в заданной области горных пород, но и ориентированы в соответствии с проектом отно­сительно простирания пласта.

Кроме совершенствования технологии разработки нефтя­ных месторождений направленные скважины также эф­фективны при:

· бурении в обход осложненных зон горных пород;

· бурении под недоступные или занятые различными объектами участки земной поверхности;

· глушении открытых фонтанов;

· вскрытии крутопадающих пластов и т.д.

Выбор конфигурации (трассы) ствола направленной скважины определя­ется следующими главными причинами:

1) одиночная скважина или куст скважин сооружается в данном месте;

2) наличие препятствий для заложения устья над забоем скважины;

3) расположение фильтра (вертикально, наклонно или гори­зонтально).

Конфигурация ствола скважины должна обеспечить:

· высокое качество скважины как эксплуатационного объ­екта;

· минимальные нагрузки на буровое оборудование при СПО;

· свободное прохождение по стволу скважины приборов и устройств;

· надежную работу внутрискважинного оборудования;

· возможность применения методов одновременной эксплу­атации нескольких горизонтов в многопластовых залежах;

· минимальные затраты на сооружение скважины.

Искривление скважин – это контролируемый процесс отклонения от первоначально заданного направления при бурении. Все скважины по различным причинам в той или иной мере искривляются. Искривление скважин бывает:

· Естественным - непреднамеренное искривление;

· Искусственным - искривление с помощью различных технологических и технических приемов.

Искривление скважин сопровождается осложнениями, к ним относятся:

1) более интенсивный износ бурильных труб,

2) повышенный расход мощности,

3) затруднения при производстве спуско-подъемных операций (СПО),

4) 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.

Направленное бурение - процесс бурения 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.

В процессе бурения направленной скважины необходимо знать положение каждой ее точки в пространстве, для этого определяются:

1) координаты устья скважины;

2) параметры трассы (рис. 1), к которым относятся:

· зенитный угол θ- угол между осью скважины или касательной к ней и вертикалью,

· азимут скважины α - угол между направлением на север и горизонтальной проекцией касательной к оси скважины, измеренный по часовой стрелке,

· длина скважины L - расстояние между устьем и забоем по оси.

Проекция оси скважины на вертикальную плоскость называется профилем, а на горизонтальную - планом.

Рисунок 1 – Элементы пространственного расположения скважин

Вертикальная плоскость, проходящая через ось скважины, или касательную к ней, называется апсидальной.

При проходке 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.

Кроме указанных величин направленные скважины характеризуются:

1) величиной отхода (смещения) S - длина горизонтальной проекции прямой, соединяющей устье и забой скважины;

2) глубиной по вертикали h- длина вертикали, соединяющей устье с горизонтальной плоскостью, проходящей через забой скважины (рис. 1).

Отклонение скважин от проектного положения происходит вследствие:

1) неправильного заложения оси скважины при забуривании

2) 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.

Рисунок 3 – Механизм искривления скважин

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:

1) физико-механических свойств пород,

2) боковой фрезерующей способности долота (недостаток - имеют место резкие перегибы ствола, что приводит к посадкам инструмента при спуске и требует дополнительной проработки скважины),

3) механической скорости бурения

4) других факторов.

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 ε, 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.

ВЫВОД: Возникновение вышеуказанных сил и моментов, действующих на породоразрушающий инструмент, происходит из-за множества причин, не все из которых известны. Все причины условно могут быть подразделены на три группы:

· геологические,

· технологические

· технические.

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН

Анализ искривления скважин показывает, что оно подчиняется определенным закономерностям, но для разных месторождений они различны и могут существенно отличаться. Общие закономерности искривления:

1. Скважины стремятся занять направление, перпендикулярное слоистости горных пород. По мере приближения к этому направлению интенсивность искривления снижается (рис. 4).

Рисунок 4 – Изменение направления скважины в крест слоистости горных пород

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.