книги / Решение геолого-технических задач при направленном бурении скважин
..pdfС.С.СУЛАКШ ИН В.В.КРИВОШЕЕВ В.И.РЯЗАНОВ
РЕШЕНИЕ
ГЕОЛОГО
ТЕХНИЧЕСКИХ
ЗАДАЧ
ПРИ НАПРАВЛЕННОМ БУРЕНИИ СКВАЖИН
СПРАВОЧНОЕ П О С О БИ Е
МОСКВА "НЕДРА ' 1989
ББК 33.13 С 89
УДК 622.243.2
Р ец ен зен т канд. техн. наук В. П. Зиненко
Сулакшин С. С., Кривошеев В. В., Рязанов В. И.
С 89 Решение геолого-технических задач при направленном буре нии скважин: Справочное пособие.— М.: Недра, 1989. 167 с.: с ил.
ISBN 5—247—01130—9
Рассмотрены геолого-технические задачи, которые встречаются при направленном бурении скважин. Приведены схемы решения задач, включающие методику выявления закономерностей естественного искрив ления и проектирования траектории скважины, и технология направлен ного бурения. Дано описание технических средств для направленного бурения, приведены их характеристики. Уделено внимание экономиче скому обоснованию целесообразности применения этих средств.
Для инженерно-технических работников геологоразведочных экспеди ций и партий, занимающихся направленным бурением.
2502010300— 117 |
ББК |
33.13 |
235—89 |
||
043(01)—89 |
|
|
ISBN 5—247—01130—9 |
© Издательство «Недра», |
1989 |
ПРЕДИ СЛОВИЕ
В Основных направлениях экономического и социального развития
СССР на 1986— 1990 годы и на период до 2000 года среди многих других определены и задачи геологоразведочной отрасли: «Ускорить внедрение прогрессивных методов поисков и разведки полезных ископаемых. Повысить уровень научного обоснования прогнозов и геолого-экономической оценки месторождений полезных ископаемых»1.
Решение этих задач в значительной мере связано с бурением геологоразведочных скважин, от числа и качества которых зависят не только затраты материальных средств, но и сроки ввода месторожде ний полезных ископаемых в эксплуатацию. Один из путей повышения эффективности и качества геологоразведочных работ— применение методов направленного бурения одно- и многоствольных скважин, позволяющих сократить сроки проведения и объемы работ, связанных с бурением, и в конечном счете уменьшить затраты денежных средств на поиски и разведку месторождений полезных ископаемых или геологические исследования.
Известно, что эффективность геологоразведочных работ зависит от качества пробуренных скважин, которое определяется следующими требованиями:
пересечение толщи пород и |
залежей полезных |
ископаемых в |
заданных проектом точках по определенной системе |
при возможно |
|
меньшем объеме буровых работ, |
затрачиваемых на 1 |
т разведанных |
запасов или 1 км2 изученной площади; бурение скважин по наиболее рациональной траектории с допусти
мым отклонением стволов скважин от заданного проектом направле ния;
обеспечение возможности построения геологических структур при условии точной привязки получаемых образцов пород или проб полезных ископаемых и их пространственного ориентирования.
Решение этих задач в значительной степени связано с проходкой искривленных скважин, так как практически при любом способе бурения стволы скважин отклоняются от заданного направления. Искривление скважин, возникающее самопроизвольно по ряду причин, 6 большинстве случаев играет отрицательную роль, так как может привести к значительным ошибкам в оценке месторождений, если отклонение от заданного направления не измеряется и не учитывается. Кроме того, можно неправильно выбрать способ вскрытия месторож
дения вследствие |
ошибки в определении глубины и элементов |
|
залегания рудного |
тела. |
|
1 Материалы XXVII съезда |
Коммунистической партии Советского |
|
Союза.— М.: Политиздат, 1986, |
с. 296. |
3
Искривление скважин создает также технические трудности в процессе бурения, основными из которых являются:
значительный изгиб бурильных труб и снаряда, что приводит к усилению трения их о стенки скважины, более интенсивному износу бурильно! о инструмента (особенно бурильных и обсадных труб), разрушению керна, увеличению аварий вследствие обрыва бурильных и колонковых труб, повышению расхода энергии и, наконец, к прежде временному износу бурового станка;
затрудненность спуска и подъема бурильного инструмента, что снижает производительность труда, затрудненность, а иногда и невозможность спуска обсадных труб в скважину и деформация их в сильно искривленных участках;
сложность ликвидации аварий вследствие эксцентричного располо жения ловильного, и ловимого инструмента;
обрушение и обвалы стенок скважины в местах искривления при ударах изогнутой бурильной колонны о стенки и образование желобов в стенках скважин, вызывающих аварии при затяжке инструмента; невозможность вести бурение на форсированных режимах и, следовательно, невозможность использования больших скоростей станков нового типа и существенного повышения производительности
труда; трудность создания рациональной нагрузки на забой из-за большо
го трения инструмента о стенки искривленной скважины; снижение качества тампонирования скважин; уменьшение процента выхода керна.
Кроме того, вследствие искривления в большинстве случаев увеличивается длина ствола скважины, что повышает расход средств на ее сооружение, а на исправление сильно искривленных скважин затрачивается много времени. В ряде случаев бурение сильно искривленных скважин прекращается.
Таким образом, при искривлении скважин значительно усложняется процесс бурения, снижается достоверность полученных данных при подсчете запасов и построении разрезов и повышается стоимость геологоразведочных работ. Поэтому с искривлением скважин необхо димо бороться, изучая причины и закономерности его. Используя закономерности искривления и увеличивая или уменьшая искусствен но его интенсивность, практически можно управлять траекторией скважины.
В настоящее время проблема направленного бурения становится еще более актуальной в связи с увеличением глубин, уменьшением диаметра геологоразведочных скважин. Это приводит к интенсивному естественному искривлению - и большому отклонению траекторий от проектных. Во многих геологоразведочных организациях в связи с этим приходится выполнять сотни циклов искусственного искривления скважин. В ряде случаев искривление приводит к такому существен ному отклонению траектории от проектной, что средства направлен ного бурения не позволяют выполнить поставленную геологическую задачу и большие отрезки скважин приходится перебуривать. Это связано с убытками в сотни тысяч рублей.
4
В связи с этим на кафедре техники разведки ТПИ в течение длительного времени велись работы по использованию способов и средств направленного бурения при решении различныхг задач, возни кающих в процессе проведения геологоразведочных работ.
Предлагаемое справочное пособие составлено на основе методиче ского пособия «Методика, техника и технология направленного бурения скважин при разведке угольных и рудных месторождений» (С. С. Сулакшин, Б. И. Спиридонов, В. И. Рязанов, Г. А. Калини ченко), а также существенно переработанного «Методического руко водства по направленному бурению геологоразведочных скважин» (С. С. Сулакшин, В. В. Кривошеев, В, И. Рязанов) с учетом потреб ностей производственных геологических организаций в решении часто возникающих в реальных условиях задач, связанных с искривлением скважин.
В работе содержатся конкретные рекомендации по методике, технике и технологии решения ряда задач в различных геологических условиях с использованием методов и средств направленного бурения. Для каждой задачи дается последовательная схема ее выполнения, начиная, с необходимых расчетов и кончая выбором средств решения.
ВВЕДЕНИЕ
ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ПРИ НАПРАВЛЕННОМ БУРЕНИИ
Направленное бурение— бурение, при котором положение ствола скважины соответствует проектной траектории с допустимым отклоне нием забоя. Направленное бурение начинается с реализации мер борьбы с искривлением ствола скважины, или заключается в преднаме ренном его искривлении. Такое бурение ведется с использованием определенных способов и средств применительно к конкретным геологическим условиям с учетом требований методики разведки и экономической целесообразности.
При направленном бурении необходимо учитывать причины и закономерности естественного искривления и применять технические средства, приемы и технологию для приведения забоя скважины в заданную проектом точку.
При этом можно решать много различных задач. Как видно из табл. 1, в основном это задачи геологические: получение представи тельных данных при бурении скважин по наиболее рациональной траектории, пересечение изучаемых геологических объектов в различ ных интервалах дополнительными стволами с целью уточнения строения отдельных структур, поиска слепых и оконтуривания сложных рудных тел, отбора ориентированного керна и керна из пропущенных Пластов и т. д.
Наряду с этим при направленном бурении решается и ряд за дач технических и экономических: улучшение условий бурения сква жин при уменьшении интенсивности искривления; заложение скважин в точках, выбор местоположения которых ограничен; замена гор ных выработок, сооружаемых с целью отбора технологических проб, многоствольными скважинами; обход интервалов с тяжелыми ослож нениями; сокращение объемов бурения при использовании много ствольных скважин.
Успешное осуществление направленного бурения скважин, как показывает опыт, возможно только при глубоком анализе геолого структурных условий, от которых зависят: искривление скважин, возможность реализации запроектированных траекторий или профилей скважин и соответствующих схем разведки.
Эти задачи решаются с |
применением следующих способов: |
|
1) |
проектирование траекторий и бурение скважин с учетом законо |
|
мерностей |
их естественного |
и возможностей искусственного искрив |
ления;
. 2) применение средств направленного бурения (НБ), уменьшающих или увеличивающих интенсивность естественного искривления скважин;
6
Т аб л и ц а |
1 |
|
Цели и задачи, решаемые при направленном бурении скважин |
||
Цель |
бурения |
Решаемые задачи |
Получение |
представи |
1. Вывод скважины на проектное направление при ее |
тельных данных при бу |
отклонении. |
|
рении скважин по наибо |
2. Пересечение пласта полезного ископаемого в за |
|
лее рациональной траек |
данном проектном месте. |
|
тории, обеспечивающей |
3. Пересечение максимального числа стратиграфиче |
|
пересечение |
геологиче |
ских толщ пород. |
ских объектов в задан 4. Увеличение угла встречи залежи полезного иско
ных интервалах с мини |
паемого |
||
мальными |
затратами |
|
|
средств и времени |
|
|
|
Пересечение |
изучаемых |
5. Уточнение геологических структур. |
|
геологических объектов |
6. Повторное пересечение рудных залежей и уточне |
||
в различных |
интервалах |
ние |
их границ. |
дополнительными ство |
7. Поиски рудных тел, не выходящих на поверхность. |
||
лами |
|
8. Установление глубины и характера выклинивания |
|
|
|
рудного тела. |
|
|
|
9. Прослеживание и оценка апофиз. |
|
|
|
10. |
Оконтуривание рудных тел или отдельных типов |
|
|
и сортов руд. |
|
|
|
11. |
Получение пересечений в соседних профилях. |
|
|
12. |
Повторное пересечение пластов полезного иско |
|
|
паемого при отсутствии или малом выходе керна или |
|
|
|
пропуске пластов. |
|
|
|
13. |
Отбор технологических проб полезных ископае |
|
|
мых. |
|
|
|
14. |
Отбор ориентированного керна |
Сокращение объемов ра |
15. |
Сокращение объемов бурения, монтажно-демон |
|
бот, связанных с соору |
тажных работ, строительства коммуникаций и пере |
||
жением скважин |
возок с точки на точку |
||
Улучшение |
технических |
16. |
Бурение вертикально-наклонных скважин. |
и технологических усло |
17. |
Обход интервалов возможных осложнений. |
|
вий бурения |
скважин |
18. |
Уменьшение интенсивности искривления скважин. |
|
|
19. |
Забуривание скважин с площадок, местоположе |
|
|
ние |
которых ограничено |
Добуривание аварийных 20. Обход мест аварий или осложнений скважин
3) применение специальных технических средств и технологии при бурении многоствольных скважин.
СПОСОБЫ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН
Направленное бурение скважин при решении тех или иных задач может осуществляться различными способами с использованием: закономерностей естественного искривления скважин, специальных режимов или способов бурения, различных конструкций, параметров и
7
Т аб л и ц а 2
Классификация способов направленного бурения скважин (по С. С. Сулакшину)
Способы направленного бурения |
Факторы или |
средства, учитываемые или исполь |
|
зуемые |
при направленном бурении |
I.Направленное бурение по типовым 1. Падение и простирание слоев пород. траекториям, построенным с уче 2. Структурно-текстурные особенности
том геологических условий, которые |
горных пород |
(делимость, отдель |
|
определяют закономерности естест ность). |
|
||
венного искривления скважин |
3. |
Анизотропность горных пород. |
|
|
4. |
Перемежаемость слоев горных по |
|
|
род различной |
твердости |
II.Направленное бурение с использо 1. Параметры режима вращательного ванием специальных режимов или бурения.
способов бурения |
2. |
Бурение с применением забойных |
|
|
двигателей. |
бурения. |
|
|
3. |
Бездолотные способы |
|
|
4. |
Ударно-поворотное бурение. |
|
|
5. |
Ударно-шароструйное |
бурение |
III.Направленное бурение с исполь 1. Тип и конструкция породоразру зованием конструктивных элемен шающего инструмента.
тов, специальных компоновок и 2. Конструкция и параметры бурового
буровых снарядов |
снаряда. |
|
бурового снаряда и |
|
|
3. Компоновка |
|||
|
бурильной |
колонны |
|
|
IV. Направленное бурение с примене |
1. Снаряды |
непрерывного |
действия |
|
нием специальных отклоняющих (СНД). |
периодического |
действия |
||
снарядов и приспособлений |
2. Снаряды |
|||
|
(СПД). |
|
|
|
|
3. Снаряды разового действия (СРД) |
|||
V. Комбинированные способы направ |
Использование |
различных |
способов |
|
ленного бурения |
в той или |
иной |
комбинации |
|
компоновок бурильного инструмента, специальных отклоняющих сна рядов (табл. 2). Выбор способа зависит от геолого-технических условий и технической оснащенности.
1. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ГЕОЛОГО ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
1.1.ПОДСЕЧЕНИЕ ПЛАСТА ПОЛЕЗНОГО ИСКОПАЕМОГО
ВЗАДАННОЙ ТОЧКЕ
Задача решается для следующих условий:
1)незначительное естественное искривление скважин;
2)высокие требования к качеству направленного бурения скважин;
3)значительная глубина скважин.
Методика проектирования траектории скважины
Для выявления закономерностей естественного искривления изме ряют искривление скважины. На месторождениях, сложенных пологозалегающими пластами, замеры зенитных и азимутальных углов группируют по любым скважинам. На месторождениях, сложенных крутопадающими пластами, имеющими достаточно выдержанное падение и простирание, замеры углов группируют по параллельному профилю. На месторождениях, сложенных крутопадающими пластами, имеющими невыдержанное простирание и падение, замеры искривле ния группируют по интервалам с постоянными совокупностями искривляющих факторов.
Определяют зависимость интенсивности искривления от глубины скважины и рассчитывают координаты проекций траектории скважины по двум взаимно перпендикулярным горизонтальной и вертикальной осям.
При сборе материалов в интервалах с постоянными совокупностя ми искривляющих факторов выявляют интенсивность искривления отдельных интервалов скважины. Для предотвращения интенсивного азимутального искривления следует рассчитать оптимальные азимуты их заложения. При выявлении закономерностей искривления с по мощью ЭВМ координаты вертикальной и горизонтальной проекций траектории скважины откладывают на геологическом разрезе и плане и соединяют прямыми линиями по линейке либо плавными линиями с помощью лекал.
При выявлении закономерностей искривления' безмашинным методом траектории проектируют по одной из приведенных ниже -методик.
1.Если бурение ведется в относительно изотропных пологозалегающих пластах, траектория скважины проектируется в виде прямой линии.
2.Если скважина задается по оптимальному азимуту в наклонных относительно изотропных или слабоанизотропных породах одинаково
9
го состава, ее траектория проектируется с постоянной интенсивностью по всей длине.
3.Если скважина задается по оптимальному азимуту в анизотроп ных наклонно или вертикально залегающих пластах с одинаковой степенью анизотропности, ее искривление описывается зависимостью
K=f{L).
4.Когда интенсивность искривления для отдельных интервалов постоянна, но не равна интенсивности искривления в соседних интервалах, траектория скважины проектируется поинтервально. Та ким же образом следует проектировать скважины при использовании чередования способов бурения или смене типа породоразрушающего инструмента.
5.Когда по различным причинам невозможно заложить скважину по траектории естественного искривления в вертикальной и горизон тальной плоскостях, следует провести аналитический расчет координат пространственно-искривленной скважины. Эта же задача возникает при необходимости подсечения рудного тела дополнительным стволом с соседнего разреза, а также при существенном несогласии простирания рудных тел и главной плоскости делимости горных пород.
Забуривание скважины
При монтаже бурового оборудования следует уделять большое внимание правильности установки станка и ориентировке шпинделя. При забуривании скважины необходимо сохранять заданное направле ние в первоначальный момент и стремиться забурить ствол соосно со шпинделем при минимальной разработке стенок скважины. В качестве забурника следует использовать укороченные колонковые трубы, наращивая их длину по мере углубления ствола. Длина рейса при забуривании скважины не должна превышать длину колонкового набора.
Для забуривания скважин используют коронки и долота, форми рующие плоский забой и слабофрезерующие стенки скважины. Не следует применять шарошечные долота, поскольку они малоустойчи вы, а также твердосплавные и алмазные коронки с утолщенной матрицей, которые обусловливают увеличенный перекос бурового снаряда. До глубины 4—5 м бурить надо при пониженных значениях параметров режима.
Бурение прямолинейных отрезков
Бурение прямолинейных отрезков обеспечивается мероприятиями, способствующими уменьшению перекоса инструмента в скважине. Колонковый набор можно комплектовать как обычными колонковыми трубами длиной не менее 4,5— 5 м, так и удлиненными трубами (до 6—8 м) повышенной жесткости. В него надо вводить расширители, устанавливаемые выше кернорвателя и ниже, переходника, а также следует центрировать нижнюю часть бурильной колонны в интервале 10—20 м с помощью специальных устройств.
10