БУРЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СКВАЖ.ИН
ПРИЧИНЫ ИСКРИВЛЕНИЯ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
В роторном бурении основными элементами бурильной колонны являются долото, стабилизаторы, УБТ и бурильная колонна до устья скважины
Разрушение породы осуществляется под действием осевой нагрузки на зубцы долота за счёт веса труб и вращения ротора Действующая нагрузка на долото превышает предел прочности на сжатие и разрушает поверхность породы, а вращение обеспечивает срезающее и разрывающее действие В результате дей-ствия этих двух факторов образуются частицы породы различных размеров, которые вымываются на поверхность потоком бурового раствора или воздуха После этого зубцы долота внедряются в новую поверхность породы, позволяя таким образом углублять скважину.
Направление оси скважины зависит от состава нижней ча-сти бурильной колонны и характеристики пласта. На рис. 8.1 показано, как под действием приложенных усилий бурильная колонна изгибается и в некоторой точке (точка касания) кон-тактирует со стенками скважины.
Направление скважины обусловлено силами W, F. Силы W и F могут быть количественно определены в любом месте ствола скважины. Сила реакции забоя значительно изменяется в пре-делах одного типа пород, что затрудняет ее количественное оп-ределение и прогнозирование. Сила реакции забоя зависит от типа долота и осевой нагрузки.
Рис 8 1 Схема действия механических факторов на искривление ствола скважины / -- ось скважины 2 -- ось УБТ La -- активная длина УБТ, А -- точка касания / -- угол искривления № -- осевая нагрузка на долото F -- отклоняющая (маятниковая) сила.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫТехнологические факторы, способствующие отклонению скважины от вертикали, включают осевую нагрузку W и откло-няющую силу F (см. рис. 8.1). Осевая сила представляет общую нагрузку на долото и по характеру является сжимающим уси-лием. Бурильная колонна изгибается под действием нагрузки W и в результате ось УБТ отклоняется от оси скважины.Силу W, действующую на долото, можно разложить на две составляющие: W\, направленную вдоль оси скважины, и Wi, перпендикулярную к оси скважины. Составляющая W2 обуслов-ливает отклонение скважины от вертикали и ее значение воз-растает с увеличением зазора между УБТ и скважиной и на-грузки на долото. Сила W2 вызывает отклонение скважины влево (см. рис. 8.1).Маятниковый эффект возникает от действия силы тяжести и наклона ствола скважины; его величина зависит от активной длины УБТ между долотом и первой точкой их касания (см. также раздел «Компоновка низа бурильной колонны»). Усилие F можно разложить на две силы: FcosI -- вдоль осевой линии скважины; Fsinl -- перпендикулярную к оси скважины (более точно эти усилия раскладываются вдоль и перпендикулярно к оси УБТ, однако это допущение дает небольшие погреш-ности). Из рис. 8 1 видно, что под действием силы Fsinl про-исходит отклонение вправо.Величина и направление результирующего отклонения сква-жины вследствие действия технологических факторов зависит от разницы между W2 и Fsinl.ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ Рис. 8.2. Влияние твердости пород на искривление скважиныРис. 8.3. Влияние углов падения пластов на отклонение ствола скважины:/ -- легкоразбуриваемые участки, не имею-щие опоры; 2 -- небольшой уступотклонитель, образуемый неразрушенным кли-ном.Основным фактором, обусловливающим естественное откло-нение скважины от вертикали, является характеристика пласта. Все углеводородные залежи (нефтяные и газовые) существуют в пластах, сложенных осадочными породами в виде слоев или пропластков. Осадочные породы могут состоять из чере-дующихся мягких и твердых слоев. Мягкие прослойки легко разбуривают и вымывают промывочными жидкостями, образуя ось скважины с увеличенным диаметром (рис. 8.2). УБТ будут отклонять долото от вертикали в пределах этого интервала, пока при бурении не будет достигнут твердый слой. Непрерыв-ное разбуривание мягких и твердых пластов породы и отклоне-ние долота в пределах размытого диаметра в итоге приведет к отклонению ствола скважины (см. рис. 8.2). Таким образом, происходит нежелательное искривление и резкие изменения на-правления оси ствола скважины.Слоистость осадочных пород -- фактор, способствующий ес-тественному искривлению скважины.В однородных с горизонтальной слоистостью пластах долото разрушает породу равномерно, и, следовательно, скважина будет вертикальной.В наклонно залегающих пластах долото разрушает по-роду неравномерно, что приводит к смещению долота в боко-вом направлении и, следовательно, к искривлению скважины. Из практики известно, что направление долота зависит от угла падения пласта. Если угол падения пласта меньше 45°, то скважину, как правило, бурят вверх по восстанию пласта (рис. 8.3). Если угол падения больше 45°, то скважину, обычно бурят вниз по падению пласта. Опыт показывает, что угол отклонения оси скважины меньше угла падения пластов.Кроме наклона пластов, другими важными геологическими факторами, способствующими искривлению скважин, являются сбросообразование, наличие трещин и разрывов и степень бу-римости.Эти факторы в совокупности определяют влияние геологи-ческих условий на отклонение скважин от вертикали.Степени искривления оси скважины подразделяют на незна-чительную, среднюю и высокую. При незначительном искрив-лении происходит небольшое отклонение скважины от верти-кали или наблюдается полное его отсутствие (бурение в твер-дых и изотропных породах). Средняя и высокая степени искрив-ления скважины связаны соответственно с бурением в мягких и средней твердости породах. В таких породах особенно зна-чительно влияние угла падения пластов, образования трещин и изменения прочности пород.Приведенная классификация пород по степени их влияния на отклонение скважин может быть использована для выбора оптимальной компоновки нижней части бурильной колонны с целью сохранения или изменения отклоненного ствола сква-жины.НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕНаклонной можно считать такую скважину, ствол которой намеренно отклоняют от вертикали с целью достижения опре-деленных зоны или интервалов.ОСНОВАНИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯСуществуют ситуации, в которых бурение скважин, откло-ненных от вертикали, представляет собой практический способ достижения нужной продуктивной зоны. Ниже приводится об-зор этих ситуаций (рис. 8.8).1. Разработка морских месторождений. Разработка всего морского месторождения может быть осуществлена бурением требуемого числа скважин с одной платформы (на глубоковод-ном участке) или с искусственного острова -- на мелководье (рис. 8.8, а). Эти скважины необходимо отклонять от вертикали под разными углами, чтобы достигнуть границ месторождения.2. Бурение в плоскости сброса. Скважины, пробуренные в плоскости сброса, являются неустойчивыми вследствие пере-мещения пластов и срезающего действия на обсадную колонну. Скважина, направление которой! пересекает плоскость сброса или параллельно ей, не имеет таких осложнений (рис. 8.8, б).3. Бурение в недоступных районах. Когда коллектор нахо-дится под горой или под плотно заселенным районом, наклон-ное бурение -- единственный способ при разработке нефтяного месторождения (рис. 8.8, в).4. Зарезка нового ствола в скважине. В некоторых случаях часть бурильной колонны остается в скважине, например, при прихвате труб. Если эти металлические предметы нельзя из-влечь, то бурение можно продолжить, изменив направление оси ствола скважины от места над оставшимся металлом. Эта опе-рация называется зарезкой нового ствола и предполагает от-клонение скважины от ее первоначального направления (рис. 8.8, г).5. Бурение в соляные купола. Когда нефтяной коллектор находится под соляным куполом, то, как показывает практиче-ский опыт, необходимо бурить направленную скважину (рис. 8.8, д). Обсадные колонны, спущенные в зону соляных ку-полов, подвергаются смятию в результате действия бокового давления, возникающего при оползании солей. Отклонение сква-жины необходимо проектировать так, чтобы избежать соляной купол, поэтому ствол отклоняют непосредственно над нефте-носной зоной.6. Разгрузочные скважины. Наклонная скважина может быть пробурена для пересечения и тушения фонтанирующей скважины, чтобы закачать буровой раствор с высокой плот-ностью.7. Бурение разведочных скважин. Наклонные разведочные скважины проводят на площадях, содержащих перспективные углеводородные структуры. Статистика разведочных работ по-казывает, что одна скважина из девяти -- продуктивная. Если скважина, пробуренная первоначально, оказывается непродуктивной, то намного дешевле пробурить наклонную скважину из существующей. При этом методе достигается значительная эко-номия первоначальной стоимости бурения, затрат на установку кондуктора и промежуточной колонны. Этот метод аналогичен зарезке нового ствола в скважине.Рис. 8.8. Варианты бурения направленных скважин..ГЕОМЕТРИЯ НАКЛОННОЙ СКВАЖИНЫЧтобы достигнуть намеченной глубины, наклонную скважину бурят с поверхности по кратчайшей траектории. Вследствие из-менения литологических свойств траектория скважины редко проходит в одной плоскости: при бурении непрерывно изменя-ются угол наклона и направление ствола. Таким образом, на-клонную скважину необходимо рассматривать в трех измере-ниях и в каждом положении определять угол наклона и направ-ление ствола скважины.На рис. 8.9, а представлена наклонная скважина в трех из-мерениях и показаны вертикальная и горизонтальная проекции ствола. Наклонная скважина характеризуется следующими па-раметрами (рис. 8.9, б, в).1. Угол искривления -- это угол между вертикалью и каса-тельной к траектории скважины в любой точке.2. Азимут искривления -- это угол, измеренный в горизон-тальной плоскости между направлением на север и точкой, ле-жащей на траектории скважины. Таким образом, точка с ази-мутом 50° означает, что направление искривления скважины в этой точке -- 50° от севера.Известно два северных направления: географический север находится на северном полюсе, магнитный север определяет се-верное направление магнитного поля Земли. На практике маг-нитный север находят по магнитному компасу. Два этих север-ных направления земли редко совпадают, поэтому для установ-ления истинного географического севера используют поправку к значению магнитного севера, которая определяется как маг-нитное склонение.3. Вертикальная глубина -- это истинная глубина скважины по вертикали от поверхности до намеченной зоны.4. Горизонтальное смещение -- это расстояние по горизон-тали до намеченной зоны от контрольной точки подвышечного основания.Горизонтальное смещение и азимут намеченной зоны в лю-бой точке траектории ствола скважины можно использовать для определения координат смещения на север и восток.5. Резкое искривление ствола скважины определяется как изменение угла между двумя точками на траектории скважины и является результатом изменения наклона, направления или того и другого. Резкое искривление ствола скважины на протя-жении какого-то интервала (например, 30 м) называется ин-тенсивностью искривления ствола скважины.6. Глубина отклонения -- глубина в вертикальном стволе скважины, на которой начинается отклонение от вертикали. Рис. 8.9. Наклонная скважина:а -- пространственный вид; /, 3 -- вертикальная (hв) и горизонтальная (hr ) проекции, 2 -- положение устья скважины; б, в -- вертикальный и горизонтальный профили; О -- точка ствола, с которой отклоняют скважину; К -- конечная точка бурения; а -- угол наклона скважины; А -- азимут; h -- фактическая глубина скважиныТИПЫ НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИНСуществуют три типа направленных скважин (рис. 8.10).Тип I. Наклонная скважина этого типа отклоняется на ма-лой глубине и угол искривления поддерживается до тех пор, пока не начнется разбуривание намеченной зоны (рис. 8.10, а). Скважины I типа используют для бурения на умеренные глу-бины, для эксплуатации одного продуктивного горизонта, при отсутствии необходимости спуска промежуточной колонны, при бурении на большую глубину, при значительном горизонталь-ном смещении.Тип II. Так называют скважины S-образной формы (рис. 8.10, б). Скважину отклоняют на малой глубине до тех пор, пока не будет достигнуто максимально необходимое отклоне-ние. Затем направление оси скважины поддерживается постоян-ным, а затем отклонение снижается и скважина приводится к вертикали. Этот тип скважин используют при одновременной совместной эксплуатации нескольких продуктивных горизонтов и бурении разгрузочных скважин. Такие скважины требуют тщательного контроля при бурении.Тип III. Этот тип подобен типу I за исключением того, что скважину отклоняют на большей глубине, чтобы избежать, на-пример, соляной купол. Скважины такого типа используют при зарезке нового ствола и в разведочном бурении (рис. 8.10, в).Рис. 8.10. Типы наклонных скважин. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИНЫВертикальные и наклонные скважины подвергаются глубин-ным измерениям из следующих соображений:для контроля углубления скважины (фактические данные кривизны скважины используют для графического построения направления скважины и последующего сопоставления с пла-нируемым направлением; отклонение ствола можно скорректи-ровать и привести скважину к нужному направлению);для предотвращения пересечения данной скважины с сосед-ними, что может произойти при бурении с морского основания;с целью определения ориентирования, необходимого для раз-мещения отклоняющих инструментов;для установления точного местоположения забоя по верти-кали, углу искривления, отклонению на север и восток, что может потребоваться в случае открытого фонтанирования, когда необходима разгрузочная скважина для глушения выброса;для расчета интенсивности искривления ствола сква-жины.Применяют несколько типов приборов для измерения кри-визны ствола скважины: магнитные приборы одно- и многото-чечного действия и гироскопы. Приборы для измерения кри-визны ствола скважины могут быть сброшены с устья, т. е. бро-сового типа (за исключением гироскопа), или спущены на стальном кабеле для установки в немагнитной УБТ, обычно из сплава К-Монель.