Искривление вертикальных скважин при бурении

 

2.1.4 Влияние  режима бурения на интенсивность  искривления скважин

Практика буровых работ показывает, что интенсивность искривления скважин в основном зависит от степени разбуривания ствола скважины. Чем больше разбуривание, тем больше возможностей проявления тех или иных условий для неравномерного разрушения забоя скважины.

В процессе проходки скважины низ бурильного инструмента благодаря своему сравнительно свободному положению в стволе будет стремиться стать перпендикулярно плоскости забоя. Однако из-за несовпадения центра тяжести колонны бурильных труб с центром вращения колонна при вращении описывает окружность и ведет себя как конический маятник. Стенки скважины начинают разбуриваться, причем разбуриваемость будет тем значительнее, чем больше времени затрачивается на единицу проходки и чем мягче порода. По мере углубления скважина из прямолинейной становится криволинейной с определенным радиусом искривления, зависящим в основном от положения низа оси бурильного инструмента по отношению к оси скважины.

Величина отклонения этих осей друг от друга и определяет главным образом интенсивность искривления скважины. Она в свою очередь зависит от разбуриваемости стенок скважины.

Разработка стволов зависит от угла встречи оси бурильного инструмента с плоскостью напластования пород. Особенно сильно это различие наблюдается при разбуривании сильно анизотропных пород, например различного рода сланцев. По данным Ю. Т. Морозова, разработка стволов скважин при пересечении пород параллельно напластованию на 10-15% выше, чем при пересечении тех же пород вкрест напластования.

Причем, чем сильнее перемежаемость пластов и чем больше они отличаются друг от друга по твердости, тем выше величина разработки стволов скважин.

В слабоанизотропных и относительно изотропных породах стволы скважин разрабатываются независимо от угла их встречи с плоскостью пласта сравнительно равномерно.

Скважины, пройденные в относительно изотропных и слабоанизотропных породах с равномерными физико-механическими свойствами, имеют также близкие значения интенсивности искривления. При этом наблюдается закономерность: чем больше величина разработки стволов скважин, тем выше интенсивность их искривления. При увеличении крепости проходимых пород интенсивность искривления снижается.

В изотропных и слабоанизотропных неперемежающихся породах искривления скважин являются следствием разработки их стволов с последующим отклонением осей низа бурильных инструментов от осей скважин. В этом случае искривление скважин происходит только под действием технологических условий. Интенсивность искривления определяется степенью разработки стволов. Но величина действительной интенсивности искривления по сравнению с теоретически возможной всегда будет меньше благодаря подработке лежащей стенки скважины, которая убывает с увеличением крепости проходимых пород.

В анизотропных и сильно перемежающихся породах искривление скважин происходит вследствие разработки стволов и отклонения осей бурильных инструментов от осей скважин, а также влияния перемежаемости пород различной крепости. В этом случае искривление происходит под действием технологических и геологических условий. Причем интенсивность искривления увеличивается на величину, определяемую частотой перемежаемости пород и разностью в крепости прослоев.

Интенсивность искривления скважин зависит от выбранного режима бурения. При оптимальных режимах происходит наибольшее углубление и наименьшее искривление.

Чем рациональнее выбранный режим бурения, тем больше скорость проходки и меньше интенсивность искривления, так как при большей скорости бурения уменьшается время воздействия условий, которые вызывают искривление ствола скважины.

Следует заметить, что режимы бурения, а следовательно, и темп искривления стволов скважин, зависят от характера проходимых пород.

Таким образом, анализ интенсивности уменьшения зенитного угла в зависимости от механической скорости при бурении на прямом переводнике (т.е. при обычном бурении) показывает, что основным фактором стабилизации зенитного угла в данном стратиграфическом горизонте является механическая скорость: чем она ниже, тем выше интенсивность уменьшения зенитного угла.

 

 

 

 

 

 

2.2 Закономерности  искривления скважин

 

2.2.1 Основные закономерности искривления

Основной закономерностью искривления скважин является приобретение ими при бурении определенных направления и положения в пространстве под влиянием тех или иных условий. Другой не менее важной закономерностью является изменение интенсивности искривления скважин в зависимости от действия ряда факторов.

Исходными данными для выявления закономерностей и интенсивности искривления скважин служат замеры зенитных и азимутальных углов. Чтобы этими данными можно было пользоваться и проводить сравнения, замеры по всем скважинам должны производиться на одинаковых глубинах и через равные (одинаковые для всех скважин) интервалы.

В соответствии с законами больших числе увеличение объёма совокупности наблюдений или замеров приводит к получению более точных результатов. Учитывая, что данные по измерению искривления скважин изменяются в широких пределах, для выявления интересующих нас зависимостей необходимо иметь замеры не менее чем по 5-10 скважинам для каждой группы скважин, пройденных в сравнительно одинаковых геолого-технических условиях. При выявлении закономерностей для участков или месторождений в целом необходимо иметь замеры по более значительному количеству скважин в зависимости от сложности и изменчивости условий их проходки. В простых выдержанных по всему участку или месторождению условиях достаточно замеров по 10-15 скважинам; для более сложных меняющихся условий это количество должно быть не менее 20-25.

Анализ зависимости между прямыми (интенсивность искривления скважин) и косвенными (глубина или угол наклона скважин) показателями позволяет получить обобщённые данные об искривлении скважин, что имеет большое значение для определения закономерностей искривления скважин.  При этом нужно учитывать следующее.

1. Искривления скважин характеризуются определёнными закономерностями, которые для разных месторождений различны.
2. Интенсивность искривления в основном зависит от степени разбуривания стенок скважин в процессе бурения.
3. Степень разбуривания стенок скважин зависит от выбранного технологического режима.

Оптимальному технологическому режиму, т.е. правильно выбранной осевой нагрузке, числу оборотов породоразрушающего инструмента, количеству промывочной жидкости, а при дробовом бурении – способу питания забоя дробью, соответствует и меньшая степень разбуривания стенок скважины и, следовательно, меньшая интенсивность искривления.

4. Интенсивность искривления зависит также от жесткости низа бурильного инструмента: чем она жестче, тем меньше темп искривления скважин.
5. При равных условиях  скважины с большим диаметром искривляются меньше, с меньшим.
6. Интенсивность искривления зависит от частоты воздействия геологических факторов, а также от угла наклона скважины к горизонту на данном интервале бурения.
7. В закономерном наборе зенитного угла большую роль играет угол падения пород. Чем больше этот угол, тем больше интенсивность искривления скважин, заданных с поверхности под одним и тем же углом.
8. Угол встречи, под которым породоразрушающий инструмент (ось инструмента) встречает плоскость напластования пород, также закономерно влияет на характер искривления. Для различных пород критический угол встречи будет также различным.
9. Интенсивность искривления зависит главным образом от частоты действия геологических факторов.
10. При малых зенитных углах величина угла встречи оказывает большое влияние на направление искривления скважин. При углах встречи до 15 скважины подвержены сильному азимутальному искривлению. При углах встречи 15-20 и больше скважины искривляются преимущественно по восстанию пересекаемых пород.
11. При переходе из пород легкобуримых к породам с более высокими физико-механическими свойствами или наоборот иногда происходят незакономерные искривления скважин в горизонтальной плоскости.
12. Азимутальные и зенитные углы характеризуют искривление скважины в пространстве, поэтому между ними наблюдается определенная зависимость, тоже связанная с геологическими и технологическими условиями.
13. Чем интенсивнее увеличение численных значений зенитного угла, тем выдержаннее и направление искривления.
14. Кроме интенсивности искривления на направление искривления ствола скважины влияет величина зенитного угла в данном интервале. При величине зенитного угла до 20-25 происходит относительно большая стабилизация азимутального направления при той же интенсивности увеличения зенитного угла.
15. В интервале частого чередования дробового и твердосплавного бурения отмечена большая интенсивность искривления, чем при бурении всей скважины дробовым способом или твердосплавным раздельно.
16. Направление искривления скважин, пробуренных на синклинальных и антиклинальных складках, различно. Так, в пределах синклинали стволы скважин отклоняются в основном вверх по восстанию крыльев складки, а в пределах антиклинали – вверх по восстанию, если складка пологая. При крутых крыльях скважины отклоняются вниз по падению крыльев и реже параллельно осевой плоскости складок.
17. Скважины при всех видах вращательного бурения искривляются азимутально как вправо, так и влево.
18. В общем, направление и интенсивность искривления скважин определяются их положением по отношению к падению и простиранию пород; физико-механическими свойствами отложений; величиной угла встречи оси низа бурильного инструмента с плоскостью напластования пород и направлением вращения породоразрушающего инструмента.

Таким образом, искривление скважин носит закономерный характер, зависящий, прежде всего от геолого-структурных условий бурения и физико-механических свойств породы, слагающих забой и стенки скважины. Получение достоверных данных о закономерностях искривления скважин имеет большое практическое значение, так как позволяет решать ряд задач при выполнении геологоразведочных работ, основные из которых следующие.

1. Бурение скважин с минимальными затратами средств.
2. Определение реальных норм искривления проектируемых скважин и значений начальных углов их заложения.
3. Контроль за пространственным положением проходимых скважин.
4. Построение профилей пробуренных скважин, геологических разрезов и карт.

 

2.3 О механизме образования ствола скважины

Известно, что в процессе проходки скважин бурильный вал с породоразрушающим инструментов совершает сложное движение. На эту движущуюся систему постоянно воздействуют различные силы, стремящиеся вывести ее из равновесия. Причем ствол скважины начинает искривляться по сложной пространственной кривой.

Все сказанное до настоящего времени связывалось с цилиндрической формой ствола скважины. Однако, как показали исследования чешского ученого Е. Пражского, а также ряда других ученых, в том числе и наши, механизм искривления скважины более сложен, чем это представлялось до настоящего времени.

В действительности в определенных условиях ствол скважины приобретает наряду с цилиндрической многоугольную форму.

Нерегулярность работы низа бурильного инструмента наблюдается в том случае, если какие-то внешние силы отклонят компоновку низа инструмента от оси скважины. При этом компоновка вращается не только вокруг собственной оси, но и вокруг оси скважины, т.е. совершает дополнительное окружное движение. Вследствие этого при поступательном движении компоновки образуется ствол многогранной формы.

Факт образования многоугольных отверстий был впервые подмечен в металлообрабатывающей промышленности при сверлении орудийных стволов, а затем и при буровых работах.

Так, при бурении геологоразведочных скважин колонковым способом при определенных условиях на керне образуются спиралеобразные надрезы, имеющие вид  многоходовой резьбы весьма значительного шага. Подобные рифления наблюдались нами и на кернах, отобранных при бурении нефтяных разведочных скважин на Марковском месторождении (рис. 2). Проведённое во МГРИ бурение на породных блоках в стендовых условиях также показало, что при придании низу бурильного инструмента несоосного положения по отношению к пробуренному ранее цилиндрическому стволу образуется как винтообразный (рифлёный) керн, так и рифленые стенки скважины.

 

 

2.4 Механизм искривления [4]

Процесс бурения представляет собой сложное движение системы материальных точек (породоразрушающий инструмент, бурильные трубы и т.д.) в данной среде, подчиненных определённым связям. На эту движущую систему постоянно воздействуют различные силы, стремящиеся вывести ее из равновесия.

При бурении ствол скважины служит направлением для бурильного инструмента. Если в процессе бурения в результате различных условий забой скважины начинает разрабатываться неравномерно, то инструмент, находясь в свободном состоянии в стволе скважины, будет следовать положению плоскости забоя, т.е. стремиться все время стать перпендикулярно плоскости забоя. При этом скважина начнет искривляться. Причем, искривление возможно лишь в том случае, если между стенками скважины и низом бурильного инструмента имеется зазор. Процесс искривления длителен. Оно происходит как в вертикальной плоскости, так и в горизонтальной, образуя в сумме сложную пространственную кривую. Компоновка низа бурильного инструмента все время будет занимать положение, соответствующее уже выбуренному участку скважины.

Собственно процесс искривления, несмотря на многообразие вызывающих его причин, имеет качественно одинаковый характер. В общем сулчае все силы, действующие на породоразрушающий инструмент, могут быть приведены к одной равнодействующей силе, приложенной к его центру, и к паре сил, момент которых  равен главному моменту данных сил относительно центра

долота (рис. 3).

Весь комплекс разнообразных условий, вызывающих и обусловливающих искривление скважин, можно классифицировать по рассмотренным признакам (табл. 1 в приложении А)

Условия (геологические, технологические, технические и организационные) в отдельности, в совокупности или в различных сочетаниях приводят к возникновению основной причины искривления – к неравномерной разработке призабойной зоны. Следствием возникновения этой причины и является отклонение (искривление) ствола скважины от заданного вертикального или наклонного направления.

Выяснив характер и природу этой причинно-следственной связи, можно качественно проводить заданные вертикально скважины или же скважины специального назначения, такие, как наклонно-направленные, многозабойные и т.д.

Выводы

1. Непосредственной причиной естественного искривления скважины является неравномерно разрушение из забоя и стенок в призабойной зоне.
2. Неравномерное разрушение забоя вызывается действием геологических и технологических условий.
3. Интенсивность искривления в основном зависит от степени разбуривания стенок скважин в процессе бурения, которая в свою очередь зависит от выбранного технологического режима.
4. Оптимальному технологическому режиму соответствует меньшая степень разбуриваемости стенок скважин и, следовательно, меньшая интенсивность искривления.
5. Интенсивность искривления закономерно зависит от степени анизотропности проходимых пород, от частоты воздействия геологических условий, угла падения пород, от величины зенитного угла в данном интервале бурения и других факторов.