Направленное бурение скважин

при бурении все скважины по различным причинам в той или иной мере отклоняются от первоначально заданного направления. этот процесс называется искривлением. непреднамеренное искривление называется естественным, а искривление скважин с помощью различных технологических и технических приемов - искусственным.

вообще искривление скважин сопровождается осложнениями, к числу которых относятся более интенсивный износ бурильных труб, повышенный расход мощности, затруднения при производстве спуско-подъемных операций, 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. этот процесс называется направленным бурением, которое может быть определено как бурение 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 координаты ее устья и параметры трассы, к которым относятся зенитный угол , азимут скважины  (рис. 7.1) и ее длина l.

зенитный угол - это угол между осью скважины или касательной к ней и вертикалью. азимут - это угол между направлением на север и горизонтальной проекцией касательной к оси скважины, измеренный по часовой стрелке. длина скважины - это расстояние между устьем и забоем по оси.

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

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

при выполаживании 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.

темп отклонения скважины от ее начального направления характеризуется интенсивностью искривления i, которая может быть определена как для зенитного i_, так и азимутального i_ искривления

i_ = (_к - _н)/l,

i_ = (_к - _н)/l,

где _н и _н - соответственно начальные зенитный и азимутальный углы на определенном интервале скважины, град; _к и _к - то же для конечных углов интервала, град; l - длина интервала скважины, м.

если скважина искривляется с постоянной интенсивностью и только в апсидальной плоскости, то ее ось представляет собой дугу окружности радиусом r, величина которого может быть определена по формуле r = 57,3/i

следует отметить, что интенсивность азимутального искривления существенно зависит от зенитного угла скважины и при малых зенитных углах может достигать весьма значительных величин, а это не дает полного представления о положении скважины. для оценки общего искривления служит угол пространственного искривления , показанный на рис. 7.2. в случае, если бы скважина, имеющая в точке а зенитный угол _н и азимут _н, не искривлялась, то забой ее оказался бы в точке в, но за счет искривления фактически забой оказался в точке с, зенитный угол стал равным _к, а азимут _к. угол вас и является углом пространственного искривления. величина его аналитически определяется по формуле

 = arccos [cos _н ^. cos _к + sin _н^. sin _к ^. cos(_к - _н)]

с достаточной степенью точности этот угол может быть определен по формуле м.м. александрова

 = [² + ( ^. sin _ср)²]^0,5,

где  и  - соответственно приращения зенитного и азимутального углов на интервале, град; _ср - средний зенитный угол интервала, град.

интенсивность пространственного искривления i_ определяется по формуле

i_ = /l,

где l - длина интервала, для которого определен угол пространственного искривления, м.

величина i_ не может быть больше интенсивности искривления для тех или иных средств направленного бурения, определяемых их технической характеристикой.

кроме указанных величин направленные скважины характеризуются величиной отхода (смещения) s и глубиной по вертикали h. отход - длина горизонтальной проекции прямой, соединяющей устье и забой скважины. глубина по вертикали - длина вертикали, соединяющей устье с горизонтальной плоскостью, проходящей через забой скважины (рис. 7.1).

отклонение скважин от проектного положения может происходить вследствие неправильного заложения оси скважины при забуривании или 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. при этом возможны четыре случая.

1. все силы приводятся к равнодействующей, совпадающей с осью скважины, момент отсутствует (рис. 7.3, 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. 7.3, б). под действием боковой составляющей равнодействующей силы происходит фрезерование стенки скважины, а следовательно, искривление. интенсивность искривления зависит от физико-механических свойств пород, боковой фрезерующей способности долота, механической скорости бурения и других факторов. следует отметить, что при искривлении только за счет фрезерования стенки скважины имеют место резкие перегибы ствола, что приводит к посадкам инструмента при спуске и требует дополнительной проработки скважины.

3. все силы приводятся к равнодействующей, совпадающей с осью породоразрушающего инструмента и к опрокидывающему моменту относительно его центра (рис. 7.3, в). вследствие этого между осью скважины и осью инструмента образуется некоторый угол , 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. 7.3, г). в этом случае искривление скважины происходит за счет совместного действия фрезерования стенки скважины и наклонного положения инструмента относительно оси скважины.

возникновение вышеуказанных сил и моментов, действующих на породоразрушающий инструмент, происходит из-за множества причин, не все из которых известны. все они условно могут быть подразделены на три группы - геологические, технологические и технические.