Выбор и обоснование трассы скважины.

Для качественного решения геологических задач необходима точная привязка геологической информации, получаемой с помощью буровой скважины, к определенным точкам на глубине геологического массива. Для этого необходимо проведение скважины в нужных местах геологического массива с целью пересечения толщи пород в заданных проектом координатах, при возможно меньшем объеме буровых работ и их минимальной стоимости.

Положение оси скважины в пространстве называется трассой скважины. В практике разведочного бурения проходятся скважины различного направления и формы трассы, и задача проектирования - выбрать оптимальный вариант трассы скважины, отвечающий геологическому заданию и учитывающий влияние геологических, географических и технико-экономических факторов.

Подробный анализ и расчеты трассы скважины изучается в курсе "Искривление скважин и направленное бурение". В данном пособии приводятся только общие сведения и подходы к выбору трассы скважины.

Трассы разведочных скважин различаются по кривизне на прямолинейные, криволинейные и комбинированные и по направлению относительно вертикали; кроме того, скважина может быть однозабойной или многозабойной.

Прямолинейные скважины проектируются в наиболее простых геологических разрезах, как правило, в однородных породах с перпендикулярным пересечением осью скважины границ пластов. Направление прямолинейных скважин может быть любым, и соответственно скважины называются: вертикальные (вниз), наклонные, горизонтальные и восстающие (в том числе вертикальные вверх). Рис. 2.

Рис. 2

Выбор направления скважины обуславливается наиболее полным решением геологических задач. Самая точная информация о породах пласта (структура, мощность пласта) получается при пересечении скважиной пласта в крест простирания, т.е. под углом 90º .

При бурении скважины в сложных геологических разрезах на поведение её оси существенное влияние оказывают ряд факторов, прежде всего геологические (при переходе из пород одной твердости в породы с другой твердостью, анизотропные свойства пород и другие), а также технико-технологические. В результате, ствол скважины в процессе бурения искривляется, и провести в таких условиях прямолинейную скважину оказывается весьма трудно или даже невозможно. В этих случаях целесообразно уже заранее, с учетом факторов, вызывающих искривление, проектировать, криволинейную трассу скважины. При этом криволинейные трассы часто являются не только легче осуществимыми, но и более рациональными, чем прямолинейные.

Криволинейные трассы, как и прямолинейные, могут иметь любое направление и различаются 'на искривленные с постоянной кривизной, с переменной кривизной, с искривлением в двух направлениях, и комбинированные сочетающие прямолинейные и криволинейные участки. (Рис. 3).

Рис. 3

Скважины, прибурении которых из одного основного ствола проходятся еще один или несколько дополнительных стволов, называются многозабойными. Трассы основного и дополнительных стволов многозабойных скважин могут быть весьма многообразны, располагаться в одной или нескольких плоскостях, количество дополнительных стволов достигает 20. (Рис. 4).

Применение многозабойных скважин дает значительный эффект при бурении глубоких скважин.

Рис. 4

Наряду с многозабойными скважинами в практике разведочного бурения применяется многоствольное бурение (неправильно многоствольная скважина), когда с одной площадки (за- счет поворота вращателя станка) одним буровым станком последовательно проходятся несколько скважин под разными углами (рис. 5)

Рис. 5

Применение многоствольного бурения дает существенный экономический эффект при бурении не очень глубоких скважин в труднодоступной местности, позволяя экономить на прокладке транспортных путей и оборудовании площадок, а также уменьшить экологический ущерб.

При выборе и проектировании трассы скважины необходимо оперировать основными координатами и терминами, определяющими положение оси скважины в пространстве. (Рис. 6).

Рис. 6

Положение участков трассы скважины (в упрощенном виде) определяется расстоянием участка от устья скважины - ł и двумя углами. Угол между касательной к оси скважины в данной точке и вертикалью называется зенитным углом (θ); угол между касательной к горизонтальной проекции оси скважины и выбранным направлением (обычно направлением Север-Юг) называется азимутальнымуглом или просто азимутом скважины в данной точке –(α).

Проекция оси скважины на вертикальную плоскость называется профиль скважины, а проекция оси на горизонтальную поверхность называется планом или инклинограммой скважины.

Если трасса скважины лежит в одной вертикальной плоскости, то она называется плоскоискривленной, в противном случае скважина – пространственно-искривленная. К плоскоискривленным относятся все прямолинейные скважины.

Проектирование трассы скважины осуществляется в следующей последовательности:

1. Выбор между однозабойной и многозабойной скважиной. При этом, прежде всего, играет роль экономическая целесообразность и необходимость решения геологических задач. Необходимо сравнить получаемый выигрыш (эффект) за счет сокращения метража бурения, снижения перевозок буровой установки и объема монтажных работ при многозабойной скважине по сравнению с бурением соответствующего числа однозабойных скважин для решения той же геологической задачи, с дополнительными затратами и трудностями технологии при бурении многозабойной скважины. Особо важную роль в настоящее время начинают играть вопросы охраны природы - при каждой перевозке и монтаже буровой наносится серьезный ущерб природе - это обязательно надо учитывать.

2. Если выбрана однозабойная скважина, определяется ее направление: вертикальная, наклонная, горизонтальная, восстающая. С точки зрения трудозатрат, они возрастают в том порядке, как названы направления. Естественно, что наиболее легко проходятся вертикальные скважины, наклонные скважины уже требуют дополнительных технических условий (не могут применяться буровые вышки, роторные самоходные установки, нужна дополнительная оснастка для спускоподъемных операций и т.д.). Горизонтальное бурение и бурение восстающих скважин требует специального оборудования для спускоподъемных операций и применяется, в основном, при бурении из горных выработок; наиболее трудоемко бурение восстающих скважин. Таким образом, выбор направления скважины отличного от вертикального, должен быть обоснован геологической необходимостью или расположением точки заложения скважины (крутой склон, подземная горная выработка и т.п.)

3. Следующий шаг - определение прямолинейности или криволинейности трассы скважины. В наиболее простых геологических разрезах (с монотонным залеганием пластов или в монолитных массивах) обычно выбирается прямолинейная трасса. Однако в большинстве геологических разрезов на поведение трассы скважины в процессе бурения действуют различные геологические и технологические факторы, вызывающие закономерное искривление ствола скважины, и скважина становиться криволинейной независимо от нашей воли. В таких случаях можно бороться с искривлением скважины и добиваться ее прямолинейности, но это бывает весьма сложно и дорого. Гораздо выгоднее предусмотреть естественное искривление и спроектировать трассу скважины криволинейной. При этом надо учитывать, что с ростом интенсивности искривления скважины увеличиваются и трудности ее проведения (возрастают затраты мощности на вращение бурильной колонны износ и возможность обрыва бурильных труб). Принято считать допустимой интенсивность искривления не более 0.05 град/м. Криволинейная трасса проектируется и с целью решения определенных задач и может быть более эффективной, чем прямолинейная. Например, при подсечении скважиной крутопадающих пластов прямолинейная наклонная скважина должна закладываться с большим зенитным утлом, что создает технические трудности, кроме того, протяженность такой скважины будет больше чем у криволинейной (L1>L2) (Рис. 7).

Рис. 7

Другой пример эффективности криволинейной скважины - необходимость попасть в точку, расположенную под недоступным местом (водоем, застройка и т.п.). Рис. 8.

Рис. 8 Рис. 9

В практике эксплуатационного бурения используются криволинейные скважины, конечная часть которых, входящая в продуктивный пласт, приближается горизонтальному положению и проходит вдоль пласта, что увеличивает возможности добычи полезного ископаемого (в нефтяном бурении такие скважины называют «горизонтальные» или «скважина с горизонтальным окончанием). Интересно отметить, что длина таких скважин достигает 13000 метров. (Рис. 9).