Закономерностей естественного искривления

Стволы скважин при бурении любым способом не остаются прямолинейными, а приобретают изогнутую в одной плоскости или в пространстве форму. Искривление скважин в большинстве случаев нежелательно и приводит к увеличению длины ствола, что повышает расход средств на ее сооружение.

Часто необходимо производить искривление скважин искусственно, производя так называемое направленное бурение. При этом следует учитывать естественное искривление скважины, зависящее от геологического строения участка (рис. 14). Наиболее рациональным является профиль скважины, близкий к профилю естественного искривления.

Проектирование профилей скважины включает решение ряда задач:

1) выбор типа профиля скважины;

2) расчет параметров профиля скважин;

3) изображение оси скважин на разрезе и плане.

Профиль скважины – проекция ее траектории на вертикальную плоскость.

Траектория скважины – линия, которую описывает породоразрушающий инструмент при проходке скважины.

План скважины – проекция ее траектории на горизонтальную плоскость.

Параметрами, определяющими профиль скважины, являются: i– интенсивность искривления, град/м; L, 1 – длина ствола, отдельных интервалов, имеющих разную кривизну, м; S,s, H,h – горизонтальная и вертикальная проекции оси скважины, м; a_н, a_к – начальный и конечный азимуты скважин, град; q_н, q_k – начальный и конечный зенитные углы скважины, град.

а б в г

Рис. 14. Типовые профили одноствольных скважин: а, б – прямолинейный, самоискривляющийся; в, г – криволинейный с постоянным радиусом искривления R или переменными R₁, R₂, R₃; д, е – комбинированный, состоящий из прямолинейных и криволинейных участков с постоянным или переменным радиусом искривления; ж, з – сложноискривленный с меняющимся направлением искривления

Проектирование профилей скважины включает решение ряда задач:

4) выбор типа профиля скважины;

5) расчет параметров профиля скважин;

6) изображение оси скважин на разрезе и плане.

В качестве примера произведем расчет параметров профиля и плана траектории искривляющейся скважины (рис. 15,16).

Пример решения задачи

1. Построить профиль и план траектории скважины, искривляющейся в одной плоскости и в пространстве расчетно-графическим и графоаналитическим способами.

Исходные данные: глубина подсечения залежи скважиной (Н) – 100 м, приращение зенитного угла (Dq) – 1,5 град/ 100 м; угол падения залежи (b) – 60°; угол встречи оси скважины с залежью (g) – 70°; азимут разведочной линии (начальный, a), –110°; приращение азимутального угла (Da) – 10 град/м.

Для расчета принимается семь интервалов искривления скважины.

Решение

1 . Рассчитываетсяконечный зенитный угол

q_К = g + b – 90° = 70⁰+60°–90⁰=40°

и зенитные углы q₁, q₂, q₃, q₄, q₅, q_6…. q_к-1, q_к в начале каждого интервала:

q_к-1 = q_к – Dq_i = 40°– 0°18' = 39°42'

q₆ = q _к-1 – Dq_i =39°42'– 0°18' = 39°24'

q₅ = 39^o24'– 0°18' = 39°06'

q₄ = 39°06'– 0^о18' = 38°48'

q₃ = 38^о48'-0°18' = 38°30'

q₂ = 38°30'-0°18' = 38°12'

q₁ = q_Н = 38°12'– 0°18' = 37°54'

q_Н = q_к – Dq_i

Dq_i = 0°18' (на каждые 20 м),

где k – количество точек взятия замеров на оси скважины через каждые 20 м, k = 7.

2. Рассчитываются величины горизонтальных проекций отрезков оси скважины – Ds₁, D s₂, Ds₃,... Ds_n (рис.15).

Ds = 1sinq_н (1 = 20 м)

Ds₁ = 1sinq₁ = 20sin 37°54' = 20–0,61429 = 12,2858 м

Ds₂ = 12,3682 м; Ds₃ = 12,4502 м; Ds₄ = 12,532 м;

Ds₅ = 12,6136 м; Ds₆ = 12,6946 м;

Ds_n =l_nsin 39°42' = 4,29892 м (при глубине подсечения залежи скважиной на глубине, равной 100 м, необходимо сделать 7 замеров зенитных и азимутальных углов через каждые 20 метров. При полной длине ствола скважины L = H/cos q_Н = 100/cos 37°54' = 126,73 м, последний участок L_n = 6,73 м).

Отсюда величина горизонтальной проекции осей скважины

S_n = S_i = 79,24372 м, i=l.

3. Отстраивается профиль скважины на вертикальном разрезе (рис. 15). Зная все необходимые параметры на заданной глубине подсечения залежи, из точки А_к откладывается отрезок А_к–А_к-1длиной l_nпод углом q_к-1. Из точки А_к-1откладывается следующий отрезок l₆ под углом q₆и т.д. до выхода скважины на поверхность. Контролем правильности построения при таком способе могут служить значения начального угла q_н = q₁, Н_п = 100 м и S_n = 79,24372 м.

Более точно изобразить профиль скважины можно по координатам (X,Z) точек, лежащих на оси скважины А₁, А₂, А₃,..., А_к-1, А_к. Для этого расчетным путем определяются:

а) величины вертикальных проекций отрезков оси скважины от устья до каждой точки:

Н₁, Н₂, Н₃,..., Н_n

Н = h_i = 79,24372 м, h_i = l_icosq_i (l_i= 20 м)

h ₁ = 20cos37°54'-15,7816

h₂ = 20cos38°12'=15,7172

h₃ = 20cos38°30'=15,6522

h₄ = 20cos38°48'=15,5868

h₅ = 20cos39°06'=15,521

h₆ = 20cos39°24'=15,4546

h_n = H_n-H₆ = 100–93,7134=6,2866 м

H₁ =h₁ = 15,7816, H₂ = h₁+h₂ = 15,7816 + 15,7172= 31,5

H₃ = H₂+h₃ = 31,5 + 15,6522 = 47,1522,…..., H_n = 100 м.

При построении профиля на разрезе снизу вверх координаты точки А_к-1 принимаем равными X=5, 219249, Z= 6,2866. Тогда h_n = 6,2866, l_n = h_n/cosq_к-1 = 6,2866/0,76940 = 8,170782;

Ds_n = l_n sinq_k-1= 8,1707824 • 0,63877 = 5,2192506

Ds₆ = l₆ sinq₆ = 20 • sin 39°24' = 20 • 0,63473 = 12,6946;

Ds₅ = l₅ sin 39°06' = 20 • 0,63068 = 12,6136;

Ds₄ = 20 • 0,62660 = 12,5320;

Ds₃= 20 • 0,62251 = 12,4502;

Ds₂= 20 • 0,61841 = 12,3682;

D s₁= 20 • 0,61429 = 12,2858; и S_n = 80,163651 м;

б) величины горизонтальных проекций отрезков скважины S₁, S₂, S₃,... S_n

S_n = S_i

S₁=D s₁= 12,2858;

S₂ = S₁ + Ds₂ = 12,2858+ 12,3682 = 24,6478;

S ₃ = S₂ + Ds₃ = 24,654 + 12,4502 = 37,1042;

S ₄ = S₃ + Ds₄ = 37,1042 + 12,5320 = 49,6362;

S ₅ = S₄ + Ds₅ = 62,7498; S₆ = S₅ + Ds₆ = 74,4444;

S_n = S₆ + Ds_n= 80,163651 м.

Зная координаты всех точек A_i(0,0), А₂(S₂,H₂), A₃(S₃,H₃)…..., А_к-1 (S₆, Н₆), А_к(S_n,H_n), строим профиль скважины, определяя положение точки пересечения скважиной залежи А_к, которая проектируется на горизонтальную поверхность (точка Б, рис.15). От точки Б откладывается отрезок, равный величине горизонтальной проекции скважины S_n, чем и определяется устье скважины в точке А₁. Затем от этой точки откладываются координаты точек А₂, А₃, А₄, А₅, А₆,…..., A_к-1, А_к. Соединив эти точки плавной кривой, получаем профиль скважины на вертикальном разрезе.

Рис. 15 Схема к расчету профиля скважины, искривляющейся в одной плоскости

Для построения плана и профиля траектории пространственно искривляющейся скважины по координатам (X, Y, Z)точек оси скважины делаются дополнительные расчеты:

а) азимутальные углы a₁, a₂, a₃, .….., a_к в начале каждого интервала (рис. 16)

a₁= a_о – a_i= 110° – 2° = 108°;

a₂= a₁ – Da_i = 108° – 2° = 106°, a₃ =104°, a₄ =102°, a₅ = 100°, a₆ = 98°, a₇ = 96°;

б) проекция отрезков профиля скважины на ось X

s_i'= s_i cosD a_i ,

s₁'= s_i cosD a_i = 12,2858 cos 2° = 12,2858 • 0,99939 = 12,278305,

s₂'= s_i cosD a₂ = 12,3682 cos 2° =12,360655,

s₃'= 12,442605, s₄' = 12,524355, s₅' = 12,605905, s₆' = 12,686956, s_n' = 5,2160668, тогда

S_n = s₁'= 80,1147478 м

и на ось Y

s_i''= s_i • sinD a_i ,

s₁'' = s_i sin2° = 12,2858 • 0,03490 = 0,4287744,

s₂" = s₂ sin 2° = 0,4316501; s₃"= 0,43452; s₄" = 0,437367; s₅" = 0,440215;

s₆" = 0,4430415; s_n" = 0,1821518; тогда

S_n = s_i = 2,79772 м;

в) проекция угла скважины на геологический разрез

tg q_i = tg q_н cosD a_i = tg 37°54' • cos2° = 0, 77848 • 0,99939 = 0,7780051, этому значению угла соответствует q_I' = 37°52'20"; q₂' = 38°10'50"; q₃' = 38°28'50"; q₄' = 38°46'50"; q₅' =39°4'50"; q₆' = 39°22'50"; q'_k-1=39°40'50";

г) строится профиль и план оси скважины на геологическом разрезе; находится положение точки А_n''' и A_i , откладывая соответственно на оси Y отрезок S_n'' и на оси Z отрезок Н_n. С помощью транспортира и линейки последовательно под расчетными углами q_I' откладываются отрезки оси скважины длиной l_i'. Далее

Рис. 16. Схема к расчету профиля, плана и траектории скважины

искривляющейся в пространстве

из точки А_n''' откладывается отрезок s_l, равный длине первого участка скважины, под углом D a_i и т.д.

Для построения плана скважины необходимо из точки А_n''' отложить отрезок s₁ (s_i = l_i'•sinq_I), равный длине первого участка скважины, под углом D a₁ , из точки А₂'' откладывается отрезок s₂ под углом D a₂ и т.д. (рис. 16).

Масштабы построения 1 : 200, 1 : 500, 1 : 1000 и т.д.

Условия для индивидуальных заданий приведены в табл. 42

Таблица 42

Условия для индивидуальных заданий

Заключение

Изложенный материал позволяет читателю с помощью справочных данных оценить физико-механические свойства горных пород различного происхождения. Эта информация дает возможность выбрать способ бурения, обосновать конструкцию скважин, выбор буровой установки и оборудования. Приведены сведения о конструктивных особенностях породоразрушающего инструмента и его основные технические характеристики.

В пособие детально рассмотрены вопросы проектирования параметров режима бурения различным породоразрушающим инструментом и приведены примеры специальных технических средств отбора керна, знание которых позволит применить на практике эти методы и получить представительные пробы для оценки различных видов полезных ископаемых.

Методика расчетов поможет студентам и специалистам самостоятельно решать аналогичные задачи при бурении скважин в различных геологических условиях.

Следует отметить, что техника разведки месторождений полезных ископаемых постоянно совершенствуется. Отечественными и зарубежными производителями разрабатываются и внедряются все новые типы буровых установок и специализированного оборудования, поэтому рассмотреть и предусмотреть особенности новейшего оборудования в настоящем пособии просто невозможно.