Расчет траектории проектируемой наклонно направленной скважины

Расчет траектории проектируемойнаклонно направленной скважины может производиться в соответствии со следующими основными схемами.

1. Проектируется прямолинейная наклонная скважина, угол наклона которой удовлетворяет требованиям к углу встречи с рудным телом и условию эксплуатации бурового оборудования (с учетом возможного предельного угла наклона буровой мачты – для станков со шпиндельным вращателем и направляющей рамы-податчика для станков с подвижным вращателем).

φп

λ

γп

θ

Рис. 2.1. Схема для обоснования параметров наклонно направленной скважины прямолинейной траектории

2. Проектируется скважина, состоящая из двух участков – прямолинейного (вертикального или наклонного, удовлетворяющего по углу наклона при заложении требованиям к эксплуатации буровой вышки или мачты) и криволинейного, профиль которого должен обеспечить требуемый угол встречи с рудным телом, соответствовать возможностям технических средств направленного бурения и условиям надежной работы колонны бурильных труб.

3. Проектируется наклонно направленная скважина, точка заложения и профиль которой определены на основании расчета «типовой» кривой при условии четкой корреляционной связи изменения зенитных и азимутальных углов с глубиной ствола.

4. Проектируется наклонно направленная скважина, точка заложения которой и профиль определены на основании расчета комбинированной «типовой» кривой.

При проектировании в соответствии с первой схемой (рис. 2.1) начальный зенитный угол θ определяется возможностями бурового оборудования, поскольку угол наклона буровой мачты, равный λ=(90 – θ) не может превышать предельного значения по техническим условиям её эксплуатации.

При проектировании неглубоких скважин (до 300 м) начальный зенитный угол может составить 20–30 ^º, глубиной 500–700 м до 15 ^º , глубиной 700–800 м не более 5–7 ^º , более глубоких не более 3^º , а скважины глубиной более 1000–1200 м забуривают в основном вертикально.

λ=90º

a

λ=90º-60º

б

λ=90º-40º

в

г

Рис. 2.2. Варианты забуривания скважин различными типами буровых установок

д

Угол наклона проектируемой скважины зависит от типа применяемого бурового оборудования.

При использовании буровых установок с роторным вращателем забуривание скважины может осуществляться только вертикально.

Если для бурения скважины используется буровой станок со шпиндельным или роторным вращателем (СКБ-7, ЗИФ-1200МР, СКБ-8) и буровая вышка, то забуривание скважины можно произвести только вертикально (рис. 2.2, а).

Опыт бурения наклонных скважин в Норильской ГРЭ с применением буровых вышек показал, что предельный угол наклона вышки может быть не более 5–6 градусов. Для установки вышки с наклоном её следует усилить боковыми подкосами. При этом работа на установке с наклоненной вышкой будет существенно осложнена.

Буровые установки со шпиндельным вращателем (СКБ-5, СКБ-4, СКБ-3, ЗИФ-650М) и мачтами типа МРУГУ, БМТ имеют предел наклона мачты 60–75 градусов (рис. 2.2, б).

Буровые станки с подвижным вращателем, например, типа Diamec, фирмы Atlas Copco, практически не имеют ограничений по углу наклона скважины. Поэтому при бурении с поверхности земли с горизонтальной площадки угол наклона скважин может быть до 40–45 градусов и даже менее (рис.2.2, в), а при бурении на склоне возвышенности как из подземной горной выработки скважины могут буриться полого наклонными, горизонтальными и восстающими (рис.2.2, г, д).

Возможный угол встречи с рудным телом можно определить из соотношения: γ_п = 180 – φ_п – λ.

R

H

φп

φп

θ

Н

S

R

а

б

Рис. 2.3. Схемы к расчету траекторий скважин

ψ

ψ

γп

γп

При выборе начального зенитного угла или угла наклона буровой мачты и направляющей рамы-податчика подвижного вращателя бурового станка ориентируются на угол встречи с рудным телом, который должен быть не менее 30 градусов.

Таким образом, если возможности бурового обору-дования по начальному зенитному углу и требования к углу встречи полезного ископаемого не противоречат друг другу, наклонная скважина проекти-руется в виде прямолинейной траектории с азимутом заложения в соответствии с направлением разведочного профиля. В данном случае начальными проектными данными будут начальные величины азимутального угла, угла наклона скважины и проектной глубины скважины.

При проектировании наклонно направленной скважины в соответствии со второй схемой, начальный зенитный угол не обеспечивает требуемого угла встречи с рудным телом, а поэтому необходимый угол подсечения рудного тела получают путем искривления скважины в его направлении. При этом для решения данной задачи могут использоваться как методы искусственного искривления, так и имеющееся естественное искривление, если оно не противоречит основному направлению бурения скважины в направлении рудного тела.

Рассмотрим схемы на рис. 2.3, на котором даны два варианта проектируемых скважин – вертикально-наклонной и наклонной.

Для вертикально-наклонной направленной скважины (рис.2.3, а) необходимо определить глубину, с которой целесообразно начинать набор кривизны в направлении рудного тела и возможный угол набора кривизны.

Принципиальная необходимость искривления вертикальной скважины, учитывая, что угол встречи с полезным ископаемым должен быть не менее 30 ^º , возникает в том случае, если угол падения рудного тела 60 ^º и более.

В то же время, если поставлена задача обеспечить угол встречи с рудным телом более 30 ^º , необходимость искусственного искривления возникает и при меньших значениях угла падения рудного тела.

Угол набора кривизны для обеспечения угла встречи γ_п будет равен

ψ = φ_п – θ – (90 – γ_п ) . (2.1)

Глубина Н, на которой целесообразно начинать искусственное искривление в направлении рудного тела, определяется исходя из условий работы бурильной колонны. Как следует из расчетов допустимой, по условию прочности бурильной колонны, интенсивности искривления в интервале искривления скважины аварийно опасны бурильные трубы, находящиеся при работе в скважине в состоянии сжатия. Поэтому искривление желательно производить на таком расстоянии от устья скважины, чтобы в момент заканчивания буровых работ нейтральное сечение бурильной колонны находилось несколько выше или, по крайней мере, незначительно ниже точки начала формирования кривизны. Положение нулевого сечения – расстояния от забоя до точки в бурильной колонне, в которой напряжения сжатия и растяжения в материале равны нулю, можно рассчитать по формуле

, (2.2)

где q – вес 1 м трубы с учетом соединительных элементов, даН;

γ_ж , γ_м – удельный вес соответственно промывочной жидкости и материала труб, даН/м³.

Полученное значение Z_о-о следует использовать при выборе глубины, с которой следует производить набор кривизны на угол ψ в направлении рудного тела.

Длина криволинейного участка ствола скважины определяется исходя из угла ψ и запроектированной допустимой интенсивности искривления скважины - i_д , которая выбирается по условию прочности бурильной колонны. С учетом этих параметров длина криволинейного участка ствола скважину будет равна:

. (2.3)

Для наклонно направленной скважины (рис.2.3, б) длина ствола L определиться как сумма наклонного прямолинейного участка L_п и криволинейного интервала L_кр , на котором осуществлен набор угла ψ :

. (2.4)

Угол встречи рудного тела должен быть больше 30 ^º и может определяться из формулы

γ_п = 90^° + (θ+ψ) – φ_п . (2.5)

Проектирование траектории наклонно направленных скважин по третьей и четвертой схемам производится на основании анализа статистических данных об искривлении скважин по «типовым» кривым.

Выявление закономерностей естественного искривления – это установление функциональной зависимости изменения интенсивности искривления и его направления от различных факторов, действие которых следует рассматривать в совокупности.

Исходным материалом для изучения закономерностей и интенсивности искривления скважин служат замеры зенитных и азимутальных углов. Таких измерений по различным скважинам требуется достаточное для значимой статистической оценки число.

Закономерности естественного искривления определяют в зависимости интенсивности естественного искривления (i) от глубины скважины (L) или зенитного угла (θ) в виде функций i = f(L)или i= f(θ). При этом ни глубина, ни зенитный угол скважины не оказывают непосредственного влияния на искривление, но с их изменением меняются условия бурения, а соответственно и степень влияния многочисленных факторов, от которых зависит положение скважины в подземном пространстве.

При выявлении закономерностей естественного искривления путем сравнения и анализа инклинометрических измерений, последние должны группироваться с учетом влияния основных факторов, действие которых связано с перечисленными ниже условиями бурения:

1. способ бурения (вращательный, ударно-вращательный и др.);

2. тип и диаметр породоразрушающего инструмента (алмазные коронки, тип коронки, долото шарошечное, его тип и т. д.);

3. углы заложения ствола скважины – азимутальный и зенитный;

4.технологические особенности и параметры режима бурения (применение гидроударников, состав буровой компоновки, осевая нагрузка, частота вращения и др.);

5. тип колонны бурильных труб.

При этом следует учитывать, что интервалы скважин, пробуренных с применением технических средств искусственного искривления, из рассмотрения и анализа следует исключить.

Кроме перечисленных условий, следует рассмотреть геологические условия месторождения или участка работ.

Если анализ геологических условий показывает, что месторождение отличается выдержанностью геологического строения (например, моноклинальное залегание пород), то все данные, полученные при бурении, с учетом вышеприведенных ограничений, могут группироваться и использоваться при анализе и выявлении закономерностей естественного искривления.

В

Рис. 2.4. Схема для определения точки заложения скважины на профиле по «типовым» кривым: 1 – проектная точка заложения скважины на профиле I; 2 – проектная точка подсечения рудного тела на глубине; 3 – линия естественного искривления скважины; 4 – «типовые» кривые зенитного (а) и азимутального искривления (б)

4

2

В

θ

1

3

а

1

Nord

4

Профиль I

б

3

А

Т

Если анализ геологических условий показывает, что месторождение имеет сложное строение, изменчивые условия залегания горных пород, то составляющие месторождение структуры следует рассматривать как два или более участка с относительно однотипным залеганием горных пород. Например, участок месторождения определен в виде синклинальной структуры, а скважины, пробуренные по профилям I –III и направленные вдоль оси складки, показывают различные тенденции естественного искривления. В этом случае правильным будет решение о выделении трех участков для анализа закономерностей искривления, совпадающих с профилями. При этом соответственно, будут получены три группы результатов, пригодные для применения только в пределах выделенных участков.

Согласно выделенным участкам данные инклинометрии группируют по принципу однотипности технических и технологических условий бурения в соответствии с изложенными выше позициями.

Изучение закономерностей естественного искривления и получение аналитических моделей, отражающих процесс искривления при бурении скважин в конкретных горно-геологических и технико-технологических условиях, осуществляют по алгоритму, основу которого составляет статистический расчет «типовой» трассы скважины («типовая» кривая).

Более подробно методика расчета «типовой» кривой приведена в работах [15,16].

На основании полученных доверительных значений зенитных углов и приращений азимутальных углов на каждом интервале глубин скважины строятся вертикальная и горизонтальная проекции трассы скважины (рис. 2.4) с учетом минимального и максимального возможных отклонений её ствола от типового профиля.

Полученные «типовые» трассы скважин (проекции на горизонтальную и вертикальную плоскости) можно использовать при проектировании новых скважин. При этом, используя шаблон «типовой» скважины, вычерченный на кальке или восковке, на геологическом разрезе и плане участка работ определяют корректировку точки заложения скважины с тем расчетом, чтобы не меняя проектного угла заложения, привести скважину в заданную точку. Точка заложения новой скважины определяется «снизу-вверх», то есть, закрепляя точку забоя «типовой» трассы (на рис. 2.4, а, позиция 4) в точке подсечения на заданной глубине и не меняя проектного угла заложения проектной скважины (сплошная линия на рис.2.4), находят расстояние на поверхности, на которое следует сместить точку заложения скважины (расстояние В - см. рис. 2.4, а).

Аналогично определяют точку заложения с учетом азимутального искривления (расстояние А на рис. 2.4, б). В результате получают возможность заложить скважину с учетом зенитного и азимутального искривлений (точка заложения скважины – точка Т на рис. 2.4, б).

В случае, если бурение скважин осуществляется двумя или тремя способами, например, верхний интервал - шарошечными долотами диаметром 76 мм, а нижний - алмазным инструментом диаметром 59 мм; верхний - шарошечными долотами диаметром 76 м, затем алмазным инструментом диаметром сначала 76, а затем 59 мм, возможен вариант получения комбинированной «типовой» кривой трассы скважины. В данном случае «типовая» кривая состоит из двух и более самостоятельных типовых кривых, каждая из которых отражает закономерности искривления конкретным способом и соответствующим ему инструментарием бурения определенного интервала ствола скважины.

Для расчета «типовых» кривых могут использоваться другие известные методы анализа и математической статистики, например, метод наименьших квадратов, Чебышева и др.

· «Типовая» трасса скважины («типовая» кривая) – усредненная, выявленная статистическими методами траектория, отражающая с той или иной достоверностью характер (направление и интенсивность) искривления скважин на месторождении или участке работ при определенных условиях, заданных совокупностью технико-технологических и геологических причин.

· Комбинированная «типовая» кривая – «типовая» трасса скважины, бурение которой осуществляется двумя или более способами, а потому состоящая (скомбинированная) из двух или более участков (отдельных «типовых» кривых), каждый из которых отражает закон изменения направления скважины при конкретных способе бурения, технических средствах, буровом инструменте и технологии бурения в определенном интервале геологического разреза.

Для иллюстрации метода проектирования трассы скважины в соответствии с комбинированной «типовой» кривой рассмотрим пример проектирования и бурения наклонно направленных скважин на одном из месторождений Забайкалья.

Условия рассматриваемого примера. При проектировании скважин средней глубины (до 700–800 м) начальный зенитный угол составлял 15 ^° , что обеспечивало требуемый угол встречи с рудным телом. Бурение осуществлялось шарошечными долотами диаметром 76 и 59 мм до глубины 300–400 м, а в дальнейшем скважины бурились алмазными коронками диаметром 59 мм (рис.2.5, а).

Геологическим заданием на бурение скважин была установлена необходимость подсечения рудного тела без изменения начального зенитного угла (начальный зенитный угол соответствовал углу встречи с рудным телом (35 ^º), но при этом допускалась возможность увеличения зенитного угла на конечной глубине скважины до 20–30 градусов.

Анализ закономерностей искривления на участках работ показал, что при бурении шарошечными долотами скважины достаточно сильно выкручиваются (диаметром 59 мм с интенсивностью 4–5 град/100 м, диаметром 76 мм с интенсивностью 3–4 град/100 м). При бурении алмазными коронками интенсивность выкручивания скважин снижалась до 2–3 град/100 м. Искривление скважин по азимуту было невыдержанным, и в основном, не оказывало существенного влияния на производство работ. Для выполнения геологического задания с целью подсечения рудного тела в заданном диапазоне возможных отклонений зенитного угла на одной скважине вынужденно производилось 4 – 6 постановок отклонителей типа ТЗ-3-59 с ориентирующей приставкой ОП-3. Основная часть этих искривлений, – не менее 70 %, производилась в интервале бурения шарошечными долотами.

Рис. 2.5. Схемы вариантов проектирования траекторий наклонно-направленных скважин: а – исходная, с «типовыми» траекториями шарошечно-алмазного бурения и корректировкой отклонителями (корректировки отклонителями не показаны); б – заложение скважины с учетом «типовых» траекторий шарошечно-алмазного бурения с применением и без буровых компоновок для снижения искривления при бурении шарошечными долотами; в – бурение скважины с применением пневмоударника РП-105, шарошечно-алмазного бурения и соответствующей технологий управления направлением скважины

75º

75º

- проектируемая траектория;   - «типовая» траектория бурения шарошечным долотом диаметром 59 мм без компоновок;

- «типовая» траектория бурения шарошечным долотом диаметром 59 мм с компоновкой; - «типовая» траектория бурения пневмоударником РП-105;

- «типовая» траектория бурения алмазными коронками диаметром 59 мм.

75º

а

б

в

Технологические решения при проектировании.На первом этапе разработки технологических мероприятий по совершенствованию технологии направленного бурения было предложено использовать специальные буровые компоновки для снижения искривления скважин при бурении шарошечными долотами диаметром 59 мм. В качестве технических средств использовались трехгранные компоновки, а затем компоновки со смещенным центром тяжести поперечного сечения, что позволило снизить естественное искривление скважин в 3–4 раза и число искусственных искривлений. Названные компоновки не изменили выявленных закономерностей естественного искривления, но снизили его интенсивность (рис.2.5, а).

Для сокращения числа постановок отклонителей некоторые скважины проектировали с учетом закономерностей естественного искривления как с учетом применения компоновок для снижения искривления, так и без них (рис.2.5, б), что позволило еще более уменьшить число постановок отклонителей и повысить производительность работ.

В дальнейшем верхний интервал скважин (до 100–150 м) было предложено бурить с применением высокопроизводительного ударно-вращательного способа бурения пневмоударниками РП-105 с использованием в качестве очистных агентов воздуха или газожидкостной смеси (ГЖС) на основе сульфонола и других реагентов (рис.2.5, в).

В результате было выявлено, что при бурении РП-105 (диаметр долота 105 мм, а корпуса забойной машины 92 мм) происходит выполаживание скважин, при этом в зависимости от состава компоновки интенсивность выполаживания достаточно надежно регулировалась. Например, если над пневмоударником устанавливалась бурильная труба СБТМ-50, скважина выполаживалась с интенсивностью 8–11 град/100 м. При установке над пневмоударником УБТ диаметром 89 мм интенсивность выполаживания снижалась до 1–2 град/100 м. Применение специальных трехгранных центраторов над УБТ диаметром 103–105 мм позволило добиться надежного выполаживания с интенсивностью не более 1,3 град/100 м. Изменение азимутального угла при применении сульфонала было незначительным из-за высокой смазывающей способности реагента и уменьшения угла φ₀ наката компоновки на стенку скважины.

Причина стабильного выполаживания скважин связана с ориентированным перекосом компоновки с пневмоударником и применением ГЖС на основе сульфонола, что позволяет компоновке с пневмоударником, сохраняя перекос в наклонной скважине, вращаться в основном вокруг своей оси. Это стало возможно благодаря невысоким осевым нагрузкам (1,0–5,0 кН), малой частоты вращения колонны (40–60 мин^-1) и низкому коэффициенту трения между корпусом компоновки и стенкой скважины.

Таким образом, появилась возможность при бурении скважины пневмоударником обеспечивать её выполаживание и выводить скважину на траекторию с требуемым зенитным углом с тем, чтобы при бурении шарошечными долотами и в последующем алмазной коронкой обеспечить подсечение рудного тела с заданным значением зенитного угла.

Технология проектирования и выполнения работ с учетом выявленных закономерностей естественного искривления при бурении различными буровыми компоновками и различными способами бурения скважин позволяет свести практически к минимуму число постановок отклонителей и существенно повысить производительность буровых работ с возросшим качеством их исполнения, обеспечить снижение аварийности с бурильными трубами.