Бурение наклонно-направленных скважин

Наклонно-направленной скважиной называется скважина, спе­циально направленная в какую-либо точку, удаленную от верти­кальной проекции ее устья. Наклонное бурение в настоящее время широко применяется при бурении скважин на нефть, газ и твер­дые полезные ископаемые (рис. 8.4). Существует два способа буре­ния наклонных скважин:

роторный, представляющий собой прерывистый процесс ис­кривления ствола скважины последовательными зарезками (ухо­дами в сторону);

забойными двигателями, обеспечивающий непрерывный про­цесс искривления ствола скважины.

В Российской Федерации подавляющее большинство наклон­но-направленных скважин бурят с применением забойных двига­телей, тогда как за рубежом преобладает бурение таких скважин роторным способом, а забойные двигатели в основном использу­ют только на участке набора кривизны в заданном направлении. Отечественные и зарубежные специалисты считают наиболее пер­спективными для набора кривизны в заданном направлении вин­товые забойные двигатели. Эти двигатели имеют гораздо большую Мощность, чем турбобуры, более низкую частоту вращения вала, благоприятно сказывается при наборе кривизны.

Рис. 8.4. Примеры наклонного бурения скважин:

/ — проходка с морского основания; 2 — разбуривание морского нефтяного мес­торождения с берега; 3 — отклонение ствола скважины от сбросовой зоны (зоны разрыва) по направлению и нефтеносному участку; 4— проходка наклонной сква­жины, когда забой будет расположен под участком, недоступном для монтажа буровой установки; 5— бурение на нефтяные пласты моноклинального типа; 6 — бурение вспомогательной наклонной скважины для ликвидации пожара или от­крытого фонтана; 7 — уход в сторону при аварии; 8 — проходка наклонных сква­жин в районе замывания соляного купола; Н — нефть; В — вода; Г — газ; С — соль

Профили наклонных скважин.Профиль наклонной скважины дол­жен быть таким, чтобы при минимальной затрате средств и време­ни на ее проходку было обеспечено выполнение задачи, постав­ленной при бурении данной скважины.

При бурении наклонно-направленных скважин наибольшее распространение получили четыре типа профилей (рис. 8.5).

Профиль I (см. рис. 8.5, а) — наиболее распространенный. Состоит из трех участков: верхнего участка 1 — вертикального, второго участка 2, выполненного по плавной кривой, и треть­его участка 3 — по наклонной прямой. Этот профиль рекоменду­ется в основном для бурения наклонных скважин на одноплас-товые месторождения с большими отклонениями при средней глубине скважины.

Профиль II (см. рис. 8.5, б) состоит из четырех участков: верхнего участка 1 -- вертикального, второго участка 2, выпол­ненного по кривой с нарастающей кривизной, третьего участка 3 -по наклонной прямой и четвертого участка 4 — по кривой с убы­вающей кривизной. Часто этот профиль применяется в несколько видоизмененном виде — отсутствует участок 3, т.е. сразу за участ­ком 2 с нарастающей кривизной следует участок 4 с убывающей кривизной. Профиль этого типа обычно применяют при бурении наклонных скважин глубиной до 2500 м.

Профиль III (см. рис. 8.5, в) — менее распространен, чем первые два. Состоит из двух участков: верхнего участка 1 — верти­кального и второго участка 2, выполненного по кривой, посте­пенно увеличивающей угол наклона ствола. Бурение скважин по такому профилю осуществляется в тех случаях, когда необходимо выдержать заданные углы входа ствола скважины в пласт.

Профиль IV (см. рис. 8.5, г) -- применяется при бурении глубоких наклонных скважин. Этот профиль отличается от преды­дущих тем, что к вертикальному участку 7, участку 2, выполнен­ному по кривой, и участку 3, представляющему наклонную пря­мую, добавляется криволинейный участок 4, характеризующийся снижением полученной кривизны, т.е. выхолаживанием ствола, доходящим до вертикали, и прямой вертикальный участок 5. Про­филь такого типа следует применять в тех случаях, когда нижний участок скважины имеет несколько продуктивных горизонтов.

Рассмотренные выше профили представляют собой кривую линию, расположенную в одной вертикальной плоскости. Такие профили называются профилями обычного типа. В бурении иногда приходится прибегать к профилям, которые представляют собой пространственную кривую линию, напоминающую винтовую или спиральные линии — профили пространственного типа. Скважи­ны по профилю этого типа бурят в тех районах, где велико вли-

Рис. 8.5. Профили наклонных скважин:

а — профиль I; б — профиль II; в — профиль III; г — профиль IV; 7 — вертикальный участок; 2 — участок с нарастающей кривизной; 3— наклон­ная прямая; 4 — участок с убывающей кривиз­ной; 5 — вертикальный участок

яние геологических условий на самопроизвольное искривление ствола скважины. При построении профиля таких скважин стре­мятся максимально использовать закономерности самопроизволь­ного искривления скважин и тем самым свести к минимуму ин­тервалы бурения с отклонителем. В Российской Федерации буре­ние наклонно-направленных скважин с профилем пространствен­ного типа распространено в Грозненском нефтяном районе.

Отклоняющие устройства.Назначение отклоняющих устройств -создание на долоте отклоняющего усилия или наклона оси до­лота к оси скважины в целях искусственного ис­кривления ствола скважины в заданном или про­извольном направлении. Их включают в состав компоновок низа бурильных колонн. Они отли­чаются своими особенностями и конструктив­ным выполнением.

В турбинном бурении в качестве отклоняющих устройств применяют кривой переводник, турбин­ные отклонители типа ТО и ШО, отклонитель Р-1, отклонитель с накладкой, эксцентричный ниппель и др.; в электробурении --в основном механизм искривления (МИ); в роторном бурении — откло­няющие клинья, шарнирные отклонители и др. Рассмотрим некоторые отклонители. Кривой переводник (рис. 8.6) — это наиболее рас­пространенный и простой в изготовлении и при­менении отклонитель при бурении наклонно-направ­ленных скважин. Он представляет собой толстостен­ный патрубок с пересекающимися осями присо­единительных резьб. Резьбу с перекосом 1...4⁰ на­резают в основном на ниппеле, в отдельных случа­ях — на муфте. Кривой переводник в сочетании с УБТ длиной 8... 24 м крепят непосредственно к за­бойному двигателю.

Отклонитель Р-1 (рис. 8.7) выполняется в виде отрезка УБТ, оси присоединительных резьб кото­рой перекошены в одной плоскости и в одном на­правлении относительно ее оси. Отклонитель Р-1 предназначен для набора зенитного угла до 90° и выше, изменения азимута скважины, зарезки но­вого ствола с цементного моста и из открытого ствола.

Отклонитель с накладкой — это сочетание кри­вого переводника и турбобура, имеющего на кор­пусе накладку. Высота накладки выбирается такой, чтобы она не выдавалась за габаритные размеры долота. Отклонитель с накладкой при применении

односекционных турбобуров обеспечивает получение больших уг­лов наклона скважины. Его рекомендуется применять в тех случа­ях, когда непосредственно над кривым переводником необходимо установить трубы малой жесткости (немагнитные или обычные бу­рильные трубы).

Отклоняющее устройство для секционных турбобуров представ­ляет переводник, соединяющий валы и корпуса верхней и нижней секции турбобура под углом 1,5...2,0°, причем валы соединяются с помощью муфты.

Турбинные отклонители (ТО) конструктивно выполняются по­средством соединения нижнего узла с верхним узлом через кри­вой переводник, а валов — через специальный шарнир. Серийно выпускаются турбинные отклонители (рис. 8.8) и шпиндели-от-клонители (ШО).

Турбинные отклонители имеют следующие преимущества:

кривой переводник максимально приближен к долоту, что уве­личивает эффективность работы отклонителя;

значительно уменьшено влияние колебания осевой нагрузки на величину отклоняющей силы на долоте, что позволяет получить фактический радиус искривления, близкий к расчетному.

Недостаток турбинных отклонителей -- малая стойкость узла искривленного соединения валов нижнего и верхнего участков отклонителя.

Эксцентричный ниппель представляет собой отклонитель, выпол­ненный в виде накладки, приваренной к ниппелю турбобура. Приме­няется этот отклонитель при бурении в устойчивых породах, где от­сутствует опасность заклинивания или прихвата бурильной колонны.

Упругий отклонитель состоит из специальной накладки с рези­новой рессорой. Накладка приваривается к ниппелю турбобура. Этот отклонитель применяют при бурении в породах, где эксцентрич­ный ниппель не применим из-за опасности прихватов.

Механизм искривления — это отклонитель для бурения наклон­но-направленных скважин электробуром. В таких механизмах валы двигателя и шпинделя сопрягаются под некоторым углом, что до­стигается применением зубчатой муфты сцепления.

Отклоняющие приспособления в роторном бурении.Отклонение ствола скважин от вертикали осуществляется с помощью клино­видных или шарнирных отклонителей (рис. 8.9). Отклонители при­меняют только в начальный момент для придания стволу скважи­ны необходимого искривления. После того как ствол скважины отклонен в необходимом направлении, дальнейшие работы по искусственному искривлению ствола производят различными ком­поновками низа бурильной колонны при соответствующих режи­мах бурения. Применяют несъемные отклонители, остающиеся в скважине, и съемные, которые удаляют после того как пробурят в установленном направлении около 15 м нового ствола. Несъем­ные отклонители применяются в обсаженных скважинах.

Ориентированный спуск бурильной колонны в скважину.Бурение наклонной скважины по заданному профилю возможно в том слу-

чае, когда, начиная с момента забуривания, отклонитель точно ориентируется в проектном азимуте.

До набора кривизны в 5° ориентирование отклонителя произ­водят путем непрерывного прослеживания с поверхности его по­ложения в скважине во время спуска бурильной колонны. Извест­но много способов ориентированного спуска (визирование на один намеченный ориентир каждой бурильной свечи, спускаемой в сква­жину при помощи визирной трубы; непрерывное измерение тео­долитом углов поворота свечей при спуске; по меткам на буриль­ных трубах и т.д.).

В практике наклонного бурения наибольшее распространение получили методы прямого визуального ориентирования отклони­теля путем прослеживания его действия при спуске инструмента по меткам. Для осуществления этого способа ориентирования пер­воначально бурильный инструмент подготавливают: наносят мет­ки на замках бурильных труб по одной образующей. Для этого при­меняют специальные шаблоны: шаблон с уровнем или шаблон типарБШН (рис. 8.10).

а б

Рис. 8.9. Отклоняющие приспособления для бурения наклонных скважин

роторным способом:

а — работа с отклоняющим клином: 1 — установка клина; 2 — забуривание ствола; 3 — извлечение клина; 4 — расширение ствола; б — работа с шарнирным откло-нителем: 1 — установка отклонителя; 2, 3 — забуривание наклонного ствола; 4 —расширение ствола Рис. 8.10. Шаблон:а — с уровнем: 1 — уровень; — шаблон; 3 — бурильная тру­ба; б — ОБШН: 7 — шаблон; 2 — уровень

Бурильную трубу выкатывают на мостки и на один из замков устанавливают шаблон типа ОБШН. Перемещая шаблон вокруг оси бурильной трубы, совмещают пузырек уровня с центральными де­лениями на пробирке. В этот момент вдоль скоса, размер которого соответствует размеру данной трубы, прочеркивают линию. Затем шаблон переносят на другой замок трубы, следя за тем, чтобы положение трубы было неизменным. Шаблон снова устанавлива­ют с той же стороны от оси трубы и повторяют ту же операцию. Операции с шаблоном Григоряна производят аналогично рассмот­ренному выше, только линия прочерчивается по среднему острию шаблона. По этим линиям секачем или путем наварки наносят метки (+). Все другие метки на трубе должны быть ликвидированы.

На буровой установке нужно иметь столько труб с метками, сколько требуется их для спуска до глубины искривления и допол­нительно семь-восемь труб для наращивания в процессе работы.

После проведения подготовительных работ приступают к сбор­ке отклоняющей компоновки. Компоновка собирается согласно про­грамме работ на проводку скважины, включает в себя долото, за­бойный двигатель, отклоняющее устройство (чаще всего кривой переводник) УБТ и спускается в скважину для забуривания на­клонного ствола. Для того чтобы знать положение отклонителя, при спуске инструмента фиксируют взаимное положение меток на трубах каждого соединения. Расстояние между метками определя-

Рис. 8.11. Ориентированный спуск бурильной колонны:

/ — бурильная труба; 2 — УБТ; 3 — бумажная лента; 4 — кривой переводник; 5 — забойный двигатель; 6 — ведущая бурильная

ют металлической рулеткой или другим Магнитный!
наиболее распространенным способом - полюс 1

с помощью бумажной ленты, которая представляет собой полоску плотной бу­маги шириной 8... 10 см и длиной, рав­ной или несколько большей длины ок­ружности замка бурильных труб. Полоску бумаги перегибают пополам и на середи­не ее длины делают отметку (черточку) О (отклонитель). Отметка О совмещается с меткой на кривом переводнике, а про­тив метки на ниппеле (УБТ) на бумаж­ной ленте наносят отметку и надписыва­ют У (рис. 8.11). Компоновку спускают в скважину и навинчивают бурильную тру­бу. После закрепления соединения метка У на бумажной ленте со­вмещается с меткой на муфте УБТ. Против метки на ниппеле бу­рильной трубы на бумажной ленте наносят отметку 1 и компоновку спускает в скважину на длину бурильной трубы. Навинчивают вто­рую трубу и закрепляют, отметку 1 на ленте совмещают с меткой на муфте первой трубы и против метки на ниппеле второй трубы на ленте наносят отметку 2, а предыдущую отметку 1 зачеркивают. Таким образом, на бумажной ленте фиксируют расстояние между метками всех спускаемых бурильных труб. После спуска всех бу­рильных труб навинчивают ведущую бурильную трубу (квадрат). Отметку 3 последней бурильной трубы на ленте совмещают с меткой на муфте трубы, и отметку О, указывающую направление действия отклонителя, переносят на переводник ведущей бурильной трубы. В ГТН указан азимут направления приемных мостков ср_м и проект­ный азимут отклонения забоя скважины ф_пр. Для установки откло­нителя в требуемом направлении определяют разность К = ф_пр - <р_м. Полученный угол X откладывают на окружности стола ротора от направления мостков по ходу или против хода часовой стрелки в зависимости от знака, и ставят метку П, которая указывает на­правление на проектную точку. От метки П по ходу часовой стрел­ки откладывают угол закручивания бурильной колонны со и ставят на роторе метку О (рис. 8.12). Поворотом бурильной колонны с по­мощью ротора совмещают отметку О на переводнике ведущей бу­рильной трубы с отметкой О на неподвижной части стола ротора и в этом положении с помощью шаблона переносят мелом на ро­тор положение одного из ребер квадрата, чаще всего ребро, наи­более удобно расположенное для наблюдения. Инструмент при­поднимают, убирают элеватор и с промывкой спускают до забоя. После достижения забоя отклонитель ориентируют в заданном направлении, причем метка О на переводнике ведущей буриль­ной трубы должна совпадать с такой же меткой на роторе.

Во время подъема бурильные свечи устанавливают за палец в той же последовательности, в какой они были в скважине. При наращивании колонны в процессе бурения на вновь опускаемых трубах набивают метки и отклонитель ориентируют так же, как указывалось выше. Угол закручивания бурильной колонны со зави­сит от реактивного момента забойного двигателя и длины буриль­ной колонны. Обычно при практических работах принимают вели­чину угла закручивания со равной 3 и 5° на каждые 100 м длины 168 и 140 мм бурильных труб (считают, что скручивание происхо­дит при длине бурильных труб не более 1000... 1500 м).

Забойное ориентирование отклонителя.В наклонную скважи­ну, имеющую наклон у забоя больше 3°, бурильную колонну можно спускать так же, как в обычную вертикальную скважину. В этом случае отклонитель на забое ориентируют в нужном на­правлении при помощи инклинометра с электромагнитной буссо­лью и магнитного переводника (рис. 8.13). Скважинное ориентиро­вание отклонителя инклинометрами с магнитной буссолью и магнитным переводником основано на использовании многоточечных инклинометров, в которых азимут измеряется с помощью электромаг­нитных буссолей. Инструмент включает в себя ко­лонну бурильных труб 5, заканчивающуюся в ниж­ней части диамагнитной трубой 6 (из стали марки 1Х18Н9Т или алюминиевого сплава Д16Т). На ниж­нюю часть диамагнитной трубы навинчивают пере­водник 7, в котором закрепляют источник магнит­ного поля. Магнитный переводник /связан с огра­ничительным переводником 9 и кривым перевод­ником 10, между которыми закреплена крестовина. Далее следует забойный двигатель.

После спуска инструмента до забоя в муфту верх­ней трубы ввинчивают переводник 4с вращающейся втулкой 3, на которой укрепляют каротажный ро­лик 2. Внутрь бурильных труб на кабеле 7 спускают инклинометр 8с электромагнитной буссолью. Ази­мут ствола скважины предварительно замеряют в диамагнитной трубе над магнитным переводником. Положение отклонителя фиксируют отбитием точ-

Рис. 8.13. Инструмент для ориентирования отклонителя с помощью инклинометра с электромагнитной буссо­лью и магнитного переводника:

7 — кабель; 2 — каротажный ролик; 3 — вращающаяся втулка; 4, 7 — переводники; 5— колонна бурильных труб; 6 — диамаг­нитная труба; 8 — инклинометр; 9 — ограничительный пере­водник; 10 — кривой переводник

ки в магнитном переводнике. Руководствуясь данными замеров, ротором поворачивают трубы до желаемого положения отклони­теля, а затем повторным отбитием точки замера проверяют пра­вильность установки отклонителя. После этого инклинометр из­влекают из бурильной колонны, отмечают положение инструмен­та, навинчивают ведущую бурильную трубу (квадрат), фиксируют одно из ребер и после стопорения ротора начинают бурение. Азимут плоскости действия отклонителя

(3 - 360 - Д + ф,

где А — показание инклинометра при замере в магнитном пере­воднике, °; ф — азимут ствола скважины при замере в диамагнит­ной трубе, °.

Рассмотренный выше способ забойного ориентирования от­клонителя в настоящее время наиболее широко применяется в практике отечественного бурения. Известны и иногда применя­ются другие способы забойного ориентирования отклонителя. К ним следует отнести ориентирование отклонителя при помо­щи самоориентирующихся приборов (приборы Шаньгина-Ку-лигина, Амбарцумова и т.п.), спускаемых в бурильные трубы. Принцип действия этих приборов основан на использовании эф­фекта отвеса, возникающего при наклонном положении прибо­ра в скважине.

Можно осуществлять забойное ориентирование отклонителя при помощи инклинометра диамагнитных труб без магнитного пере­водника. В этом случае над отклонителем навинчивают диамагнит­ные трубы. В отклонитель вваривают так называемые ножи — про­долговатые пластинки, с одной стороны имеющие зубья пилооб­разной формы. Два ножа устанавливают строго параллельно плос­кости действия отклонителя, причем наклонная часть зубьев дол­жна быть обращена в сторону отклонителя. Инклинометр с удли­нителем со свинцовой печатью спускают в скважину и ставят на ножи. На ножах инклинометр выдерживают 3...5 мин, осторожно снимают с них и поднимают на поверхность. Далее производят необходимые измерения.

Телеметрические системы для ориентирования отклоняющих ком­поновок.Эти системы (рис. 8.14) позволяют проводить следующие операции в процессе бурения скважины:

ориентирование отклоняющей компоновки по заданному ази­муту как в вертикальной, так и в наклонной скважине;

определение угла закручивания бурильной колонны под дей­ствием реактивного вращающего момента забойного двигателя;

проведение инклинометрических измерений.

Глубинное измерительное устройство 9 размещают непосред­ственно над отклонителем или отрезком УБТ, устанавливаемым для регулирования интенсивности изменения пространственного

положения скважины. Внутри измерительного устройства в герме­тичном контейнере размещены датчики для измерения азимута, зенитного угла и угла установки отклонителя, а также электрон­ные преобразователи для частотного модулирования полученных сигналов и передачи их на поверхность. Информация передается на поверхность по кабельному каналу связи, сбрасываемому через герметизирующее устройство вертлюга. Ни одна наклонно-направ­ленная скважина не бурится без такой системы. Известно много конструкций телеметрических систем, отличающихся прежде все­го способами передачи сигналов на поверхность.

Компоновка низа бурильной колонны для безориентированного бурения.При каждом спуске любого из рассмотренных выше от-клонителей требуется производить их ориентирование, т.е. уста­навливать плоскость действия отклонителя в заданном азимуте. Эти работы занимают много времени и требуют большой тщатель­ности, так как неправильная установка плоскости действия от­клонителя может свести на нет все предыдущие работы по на­бору угла наклона.

Способ безориентированного бурения наклонных скважин за­ключается в том, что после ис­кривления ствола в нужном на­правлении на некоторый угол (не менее 5...6°) в процессе од­ного или двух рейсов с рассмот­ренными выше отклонителями последующее бурение осущест­вляют при помощи специальных компоновок низа бурильной ко­лонны, не требующих ориенти­рования. Путем подбора компо­новок можно увеличивать или уменьшать угол наклона скважи­ны с различной интенсивностью при незначительном изменении азимута.

Особенности технологии буре­ния наклонно-направленных сква­жин.При бурении наклонно-на­правленной скважины верхнюю часть скважины бурят обычным методом. При этом режим бу­рения, как правило, ничем не отличается от режима бурения для вертикальных скважин.

Вертикальный и искривленный участки скважины бурят доло­тами одного и того же типоразмера, если окончание бурения вер­тикального участка ствола не было сопряжено со спуском колон­ны или кондуктора. Если при бурении мягких пород вертикальной части скважины допускается применение долот лопастного типа, то при бурении интервалов, характеризующихся набором кривиз­ны, независимо от проходимых пород, рекомендуется применять трехшарошечные долота. Это обусловлено тем, что трехшарошеч-ные долота при одних и тех же осевых нагрузках требуют меньших вращающих моментов, работают более плавно, и угол закручива­ния колонны бурильных труб от реактивного момента на турбине меняется в значительно меньших пределах, чем при бурении до­лотами лопастного типа. Продолжительность первого рейса в твер­дых и крепких породах ограничивается стойкостью долота, а в мяг­ких породах — необходимостью контрольного замера кривизны и азимута ствола скважины.

Обычно стремятся при первом, максимум при втором рейсе, набрать 5° с тем, чтобы в дальнейшем пользоваться забойным ори­ентированием бурильной колонны. Если замеры показывают, что интенсивность искривления недостаточна, то при следующем рейсе забойный двигатель спускают с отклонителем, обеспечивающим более интенсивное искривление, и наоборот, если интенсивность искривления была чрезмерной, с забойным двигателем спускают отклонитель, обеспечивающий меньший набор искривления. В слу­чае незначительного отклонения азимута искривления от проект­ного его можно корректировать в процессе последующих долбле­ний. Если же в силу каких-либо причин полученный азимут резко отличается от проектного, то следует поставить цементный мост и забурить ствол в нужном азимуте.

Особое внимание при наклонно-направленном бурении долж­но быть обращено на качество бурового раствора.

При больших искривлениях индикатор массы (веса) часто не отражает фактической нагрузки на забой скважины, что объясня­ется передачей части массы бурильной колонны на стенки сква­жины. В этих случаях необходимо периодически приподнимать и иногда проворачивать бурильную колонну.

Для ускорения процесса бурения наклонно-направленных сква­жин и соблюдения заданного профиля по всему стволу должны быть выполнены следующие основные требования:

первый замер кривизны и азимута ствола скважины не должен иметь погрешностей;

первый ориентированный спуск бурильной колонны в сква­жину должен происходить с соблюдением всех соответствующих правил;

работа должна производиться только с исправными аппарата­ми для забойного ориентирования отклонителя;

кривизну и азимут ствола скважины следует систематически проверять инклинометром не реже чем через 50...75 м проходки;

все резьбовые соединения при спуске и наращивании инстру­мента должны крепиться машинными ключами.

Работы по креплению ствола скважин при наклонно-направ­ленном бурении, испытание скважин на герметичность, на при­ток нефти, а также каротажные работы ничем не отличаются от аналогичных работ при бурении вертикальных скважин.