книги / Решение геолого-технических задач при направленном бурении скважин

способ бурения целесообразно заменить ударно-вращательным. При этом в комплекте с гидроударниками надо использовать твердосплав­ ной породоразрушающий инструмент.

Во всех случаях при избыточном искривлении скважины следует избегать высоких осевых нагрузок на породоразрушающий инстру­ мент, повышать механическую скорость за счет увеличения частоты вращения и рационального режима промывки скважины. При избыточ­ ном искривлении скважин в анизотропных горных породах для вывода скважины на проектную траекторию надо применять отклонители, имеющие раскрепляющее устройство.

Взависимости от геолого-технических условий для вывода сква­ жины на проектную траекторию в анизотропных породах можно применять отклонители непрерывного действия с подвижной раскреп­ ляющей системой или извлекаемые отклонители разового действия. Отклонители непрерывного действия можно использовать для искрив­ ления скважин диаметрами 46, 59 и 76 мм в монолитных породах любых категорий по буримости. Не рекомендуется их использовать в трещиноватых породах в связи с возможным угловым смещением статора в процессе бурения.

Впородах средних категорий «по буримости (VI—IX) при углубле­ нии скважины до 300—400 м, а также при отсутствии отклонителей

непрерывного действия для искривления скважин с естественного забоя надо использовать извлекаемые отклонители разового действия типа СНБ.

Перед искусственным искривлением в зависимости от поставленной задачи отклоняющий узел снаряда ориентируется на поверхности относительно апсидальной плоскости скважины. В наклонных скважи­ нах ориентировать отклонители следует с помощью серийно выпускае­ мой аппаратуры «Луч» или «Курс». При отсутствии такой аппаратуры отклонители в скважинах глубиной до 600 м при промывке водой и до 500 м при промывке глинистым раствором следует ориентировать с помощью штыревого ориентатора клиньев ШОК-1, при' большей глубине скважин— с помощью ориентаторов УШО-1.

По окончании процесса искривления бурение ведется укороченными рейсами по специальной технологии, которая приведена в соответ­ ствующих технологических картах. Следует помнить, что инструмент надо доводить до забоя без вращения, чтобы не фрезеровать стенки скважины, что приводит к уменьшению угла искусственного отклоне­ ния скважины. После каждого цикла искусственного искривления должен быть проведен оперативный контроль зенитного угла и после двух-трех циклов— азимута скважины. Данные о каждом цикле искусственного искривления обязательно документируются.

1.3. ПЕРЕСЕЧЕНИЕ СТРАТИГРАФИЧЕСКОЙ ТОЛЩИ ПОРОД НАИБОЛЬШЕЙ МОЩНОСТИ

Задача .решается для следующих условий:

1)крутое падение пород (Р>45°);

2)необходимость получения «перекрытого» разреза (рис. 6).

21

Рис. 6. Схема пересечения стратигра­ фической толщи пород наибольшей мощности криволинейными скважина­ ми взамен прямолинейных (по Б. И. Спиридонову)

Методика проектирования траектории скважины

Начальный зенитный угол 0О принимается максимальным, исходя
из геологинеских и технических условий. Интенсивность искривления i
принимается в	зависимости от технических средств, выбираемых для
использования,	и от предполагаемой суммарной длины интервалов их

применения.		Я конечный зенитный	угол
При заданной глубине скважины
0 .= arcsin (	iH	+ sin в.	(1.24)
Длина скважины по оси
L=(9r —0О)// или		L = Я /cos 0Ср,	(1-25)
где 0ср— средний зенитный угол	скважины.
Максимальное'расстояние между скважинами с достаточной сте­
пенью точности определится из выражения
/= Я tg 0ср+ Я tg (90°—Р).			(1.26)

Если требуется получить «перекрытый» разрез стратиграфической толщи с нормальной мощностью М, то необходимое число скважин

[8]
	A = M ^ sin P (tg 0 cp+ctgp).	(1.27)
Общий	объем буровых работ
	А = МН/ Я sin р(tg 0ср-I-ctg р)cos 0ср	(1.28)
После	преобразований
	А = М /cos (р—0ср).	(1.29)

Анализ формулы (1.29) показывает, что объем буровых работ зависит не от глубины разреза, а только от мощности стратиграфи­ ческой толщи, среднего зенитного угла скважины и угла падения слоев. Таким образом, применение направленного бурения в этом случае рационально при любой глубине скважин.

22

Техника и технология решения задачи

Забуривать скважину следует с максимально возможным зенитным углом. Искусственное искривление должно проводиться в сторону естественного искривления скважины. При бурении надо использовать технологию, способствующую максимальному естественному искривле­ нию скважин (повышенная осевая нагрузка, сниженная частота вращения инструмента). Следует использовать укороченные колонко­ вые наборы, породоразрушающий инструмент, интенсивно фрезерую­ щий стенки скважины. Для искусственного искривления скважин необходимо применять шарнирные компоновки, желательно с корон­ ками специальной геометрии.

Для предотвращения внепроектного искривления вправо по ази­ муту надо применять компоновки с повышенным эффектом накатыва­ ния на левую стенку скважины. Если компоновки не обеспечивают искривление скважины в заданных пределах или азимутальное искрив­ ление оказывается больше допустимого, то необходимо периодически использовать отклонители разового действия. Расчетное число цик­ лов их применения должно быть не больше трех— пяти. В против­ ном случае надо использовать отклонители непрерывного действия совместно с компоновками. Следует еще раз подчеркнуть, что основные технические средства при решении этой задачи— различные компоновки бурового снаряда.

1.4.УВЕЛИЧЕНИЕ УГЛА ВСТРЕЧИ СКВАЖИНЫ

СГЕОЛОГИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ

Задача решается для следующих условий:

1) большая величина требуемого угла встречи скважины с геологи­ ческим объектом;

2)крутое падение рудных зон;

3)недостаточная интенсивность естественного выполаживания скважин.

Определение интервала искусственного искривления

При необходимости увеличения угла встречи следует [8]: определить интервал искусственного искривления; рассчитать необходимое число циклов искривления или длину

интервала применения специальной компоновки низа бурильной колонны;

найти точку заложения скважины.

Наиболее сложно определить интервал искусственного искрив­ ления. В данном случае траектория скважины имеет участок есте­ ственного и искусственного искривления. Отрезок искусственного искривления может быть расположен как в верхней, так и в нижней части профиля.

Искусственное искривление скважины в верхней части профиля после входа в коренные породы наиболее удобно и менее трудоемко.

23

а

б

а—глубина подсечения 1000 м; б—глубина подсечения 500 м

Кроме того, после искусственного искривления скважина имеет большой зенитный угол, стабилизируется по азимуту и в большей степени выполаживается, что также способствует увеличению угла встречи с пластом полезного ископаемого. Однако искривленная в верхней части профиля скважина имеет несколько большую протяжен­ ность, которая зависит от общей ее глубины и требуемого угла искусственного искривления.

На рис. 7 приведены зависимости длины скважин при разной глубине залегания геологического объекта для различных положений участка искусственного искривления и величины зенитного угла. Из графиков следует, что суммарная длина скважины может изменяться на 5— 15% в зависимости от положения интервала искусственного искривления.

Очевидно, основной критерий для выбора интервала искусствен­ ного искривления— геолого-технические условия, благоприятствующие искусственному искривлению скважин. Это в первую очередь породы средней твердости монолитные или слаботрещиноватые. При выборе интервала искривления преимущество следует отдавать верхней части разреза, за исключением случаев, когда производительность бурения в верхней и средней частях разреза низкая и некоторое увеличение длины скважины может существенно удлинить срок бурения. Ориентировочно увеличение длины скважины может быть оценено с помощью графиков на рис. 7.

Длину интервала искусственного искривления и место заложения скважины определяют расчетным путем.

Расчет необходимого числа циклов искусственного искривления и точки заложения скважины при ее искривлении в нижней части - разреза

Расчетная схема приведена на рис. 8, а. Требуемый конечный зенитный угол скважины

24

Рис. 8. Схемы к расчету требуемого угла набора кривизны при увеличении угла встречи скважины с геологическим объектом:

а—при искусственном искривлении в нижней части профиля; 6—при искусственном искривлении на произвольно заданной глубине

	0«=у+р—90°,	(1.30)
где р— угол	падения пласта; у— угол встречи пласта.
Исходя	из благоприятных условий проведения	спуско-подъ­

емных операций, зададимся начальным зенитным углом скважины 0О= 3 - 5 О.

Определим кривизну профиля естественного	и искусственного
К^ искривления:
Aoe = ie</57,3,	(1.31)
K*=ibJ51,X	(1.32)

где /вс, /в_— интенсивность соответственно естественного и искусствен­ ного ‘искривления, градус/м.

' Расстояние по вертикали h2 между началом и концом интервала искусственного искривления

(133)

(Я — наибольшая глубина скважины).

Зенитный угол в начале интервала искусственного искривления

0i=arcsin[sin0E—(Aj + АГ9>)А2].

(134)

‘Величина приращения угла на участке	искусственного искривления
де=е,-е1.	(1.35)
Длина интервала искусственного искривления
L2= A0/(i9e + /9J.	(1.36)

25

Величина приращения угла, которая должна быть получена только за счет искусственного искривления,

Д0и = Де —L2ieo.	(1.37)
Длина отрезка скважины естественного искривления
^1=(01-0о)/ч-	о -38>
Суммарная длина скважины
L = L y+ L2.	(1.39)

Необходимое число циклов естественного искривления п определим по формуле (1.16).

Точку заложения скважины на поверхности находим, исходя из величины горизонтальных проекций отрезков искусственного S2 и

естественного Sx искривления:
		—(cos90—cosG j)/^;		(1-40)
		S2 =cos(Ql -cosQx)/(Kex + K9);		(1.41)
		S = S t + S2.		(1.42)
П рим ер. Дано: P= 80°; у= 30°;			0O= 3°; /^=0,01°^; «в>=0,2°/м;	#=700 м.
По формуле (1.30) определим требуемый конечный зенитный угол скважины
		0, = 80+ 30—90= 20°.
По формулам		(1.31) и (1.32) вычислим кривизну
		Я9# = 0,01/57,3 = 0,0001745 м 1;
		**.=0,20/57,3 =0,00349 м -1.
Из	выражения	(1.33)
		sin 20°-1 ^ - 7 0 0 ^,0001745 =48,00 м.
		0,000 1745	) 0,i,00349
По	формуле (1.34)

	0, =arcsin [sin 20°-(0,000174 5+0,003 49)48,0]=9,56°.
Приращение зенитного угла на участке искусственного искривления
вычисляем	по формуле (1.35)
	ДО=20 - 9,56 =10,44°.
Длина	интервала искусственного искривления из выражения (1.36)
	£ 2 = 10,44/(0,01+0,20)=49,71 м.
Угол искусственного отклонения по формуле (1.37)
	A0„=10,44°—49,71 0,01 =9,94°.
Длина	естественно искривленного отрезка скважины из уравнения (1.38)
	L l =(9,56—3,00)/0,01 =656 м.
Общая	длина скважины по формуле (1.39)
	£=656 + 49,71 =705,71 м.

Необходимое число циклов искривления п при Дф=1,5°/цикл вычислим по формуле (1.16)

п =9,94/1,50 = 6,6% 7 циклов.

26

По формулам (1.40)—(1.42) находим горизонтальные проекции траектории скважины:

Sj = (cos 3°—cos 9,56°)/0,000174 5=71,7 м;

S2= (cos 9,56° -co s 20°)/0,003 664 5= 12,66 м;

5=84,36 м.

Расчет необходимого числа циклов искусственного искривления и точки заложения скважины при ее искривлении в верхней части разреза

Расчетная схема приведена на рис. 8,б. По формулам (1.30)— (1.32)

определяем величины О,,	А^.
Расстояние по вертикали между началом и концом интервала
искусственного искривления
sin 0,—sin 0! —(Н— hx)
А2	Ч	(1.43)
		8
Величину угла 0j в начале интервала искусственного искрив­
ления находим, исходя из	значения	начального зенитного угла 0О

и глубины й15 выбранной в зависимости от геолого-технических условий,

0j = arcsin (sin 0О+ АГвеЛ1).	(1.44)
Величина угла в конце интервала искривления
02= arcsin [sin 0t + (Л^ + A^J А2].	(1.45)
Приращение угла на участке искусственного искривления
Д0= 02 —О,.	(1.46)
Длина интервала искусственного искривления
L2 = A0/(/,e+ /eJ.	(1.47)
Приращение угла Д0И, которое должно быть получено только за
счет искусственного искривления,
Д0„ = Д 0 - 1 2/вс.	(1.48)

Определим длины верхнего L x и нижнего L3 участков естественного искривления и суммарную длину скважины L:

^i=(0i-0o)/4;	(1-49)
= (0 ,-0 2)/ч;	(1.50)
L = L1+L 2 + L3.	(1.51)

Необходимое число циклов искусственного искривления п вычис­ ляем по формуле (1.16).

Находим точку заложения скважины на поверхности, исходя из величин горизонтальных проекций отрезков искусственного S2 и

естественного Su S3 искривлений:
Sj=(cosOo-cosO^/A^;	(1.52)

27

	52 = (COS01—COS02)/A9«,+^в»;		(1.53)
	S3 -(cose2-c o se K)/Kee;		(1-54)
	S = S t + S2 + S3.		(1.55)
П рим ер. Дано: p = 80°; 7 = 30°; 0O= 3°; /в2=0,01/м;			/в>=0,2°/м; #=700 м;
=200 м. Из	предыдущего примера	имеем 0Ж=2О°;	Ав =0,0001745 м -1;
А^=0,00349 м -1.		0, на глубине 200 м
По формуле	(1.44) величина угла

0, = arcsin (sin 3°+0,000174 5•200)= 5°.

Расстояние по вертикали между началом и концом интервала искусствен­

ного искривления из выражения (1.43)
sin20° —sin 5°—(700—200)0,0001745
1	=48,02 м.
	0,00349
Угол в конце интервала	искривления по формуле (1.45)
02 = arcsin £sin 5°+(0,0001745 + 0,00349)48,02]= 15,25°.
Приращение угла на участке искусственного искривления из выражения
(1.46)
Д0= 15,25-5,10= 10,25°.
Длина интервала искусственного искривления из уравнения (1.47)
L2 = 10,25/(0,01 +0,20)=48,8 м.

Приращение угла Д0„, которое должно быть получено только за счет искусственного искривления, находим по формуле (1.48)

Д0Я= 10,25-0,01 -48,8=9,76°.

По формулам (1.49)—(1.51) определяем длины участков естественного искривления L3, L3 и суммарную длину скважины:

	Lx=(5,0—3,0)/0,01 =200 м;
	L3= (20—15,25)/0,01 =475 м;
	L =200+48,8+475 = 723,8 м.
Необходимое	число циклов искусственного искривления при
Аф= 1,5°/никл из	выражения	(1.16)
	« = 9,76/1,5 = 6,5 «7 циклов.
По формулам	(1.52) — (1.55)	вычисляем величины Su S2, S3 и S

горизонтальных проекций траектории скважины и тем самым точку ее заложения:

Si = (cos 3°- cos 5°)/0,0001745= 13,95 м;

S2= (cos 5°- cos 15,25°)/0,000174 5= 8,57 м;

53=(cos 15,25°- c o s 20°)/0,0001745= 143,8 M;

S= 121,3 M.

Как видно из приведенных примеров, число циклов искривления практически не зависит от глубины искусственного искривления, а длина скважины отличается на 2,56%.

Для искусственного искривления скважин рационально использо­ вать те же технические средства и технологию, что и при пересечении толщи пород наибольшей мощности.

28

Рис. 9. Схема к расчету профиля скважины при бурении с площадок ограниченных размеров (по Б. И. Спиридонову):

/ —профиль естественного искривления; 2— профиль искусственного искривления

1.5. БУРЕНИЕ СКВАЖИН С ПЛОЩАДОК, МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ КОТОРЫХ ОГРАНИЧЕНО РАЗЛИЧНЫМИ УСЛОВИЯМИ

Бурение скважин по профилю естественного искривления из проектной точки невозможно по одной из следующих причин:

1)особенности рельефа, наличие болот, крупных водоемов, крутых склонов (рис. 9);

2)расположение в зоне действующих предприятий и населенных пунктов;

3)бурение из подземных горных выработок.

Методика проектирования траектории скважины

Требуемая интенсивность искривления ствола может быть опре­ делена по одной из следующих формул [8]:

	57,3 [cos 0О—cos (у+ Р—90°)]		(1.56)
—"
<•-	57,3 [sin (у+ Р—90°)—sin 0О]	*	(1.57)
	£

где 0О— начальный зенитный угол скважины, определяемый с учетом возможностей бурового оборудования и конкретных геологических условий, градус; у— требуемый угол встречи скважины с залежью, градус; р— угол падения залежи, градус; S — конечная величина отхода забоя скважины, м; Н — глубина подсечения залежи по вертикали, м.

Длина ствола скважины

L = (y + p -9 0 °—0о)//в-

(1.58)

Требуемый угол искусственного искривления

Ф~ i%L

(1 5 9 )

где i6c— интенсивность естественного искривления, градус/м. Число циклов искривления

29

« = ср/Д<р.

(1.60)

При наличии участков с разной интенсивностью естественного искривления расчеты ведутся поинтервально.

Техника и технология решения задачи

Если требуемая интенсивность искривления превышает естествен­ ную, то используются простые шарнирные компоновки, лучше с коронками специальной геометрии. При интенсивности искривления меньше естественной применяются средства борьбы с искривлением— жесткие компоновки. Если упомянутые средства не дают желаемого эффекта, то необходимо использовать отклонители разового или непрерывного действия в зависимости от величины требуемого угла искривления.

1.6. МНОГОКРАТНОЕ ПЕРЕСЕЧЕНИЕ ПЛАСТА ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО МНОГОСТВОЛЬНОЙ СКВАЖИНОЙ

Задача решается для следующих условий				[8]:	(25— 100 м);
1)	высокая	плотность сетки	разведочных	скважин
2)	большая	глубина скважин	(>400—500 м);
3)	крутое или наклонное падение слоев пород (20—90°);
4)	отсутствие необходимости		детального	изучения	верхних го­

ризонтов.

Выбор схемы разведки месторождения

На стадии предварительной разведки при крутом падении слоев пород обычно используется схема последовательного бурения стволов сверху вниз (рис. 10, а). По этой схеме вначале бурят основной ствол 1 до глубины Н, из которого в точке А забуривают дополнительный ствол 1Д. Затем в точке В забуривают второй дополнительный ствол 2Д. Целесообразность бурения дополнительных стволов на большую глубину при такой схеме определяется данными, полученными по предыдущему стволу.

а

л

а

Рис. 10. Схема очередности бурения дополнительных стволов

30