книги / Решение геолого-технических задач при направленном бурении скважин
..pdfПри бурении прямолинейных отрезков необходимо соблюдать рациональную технологию. Рост механической скорости следует обеспечить за счет увеличения частоты вращения и рациональной рецептуры бурового раствора, а не за счет повышения осевой нагрузки, поскольку это приводит к изгибу колонковой трубы и увеличению интенсивности искривления. Если необходимо постоянно поддерживать прямолинейную траекторию скважины, надо использовать'компоновку ТПП.
Бурение криволинейных отрезков
При бурении криволинейных отрезков длина колонковой трубы не должна быть больше предельной, рассчитанной исходя из условия вписываемости. Технология бурения криволинейных отрезков не отличается от обычной.
Переход на меньший диаметр скважины
Уменьшать диаметр скважины следует очень осторожно, чтобы в месте перехода не образовалось резкого искривления. При этом используют специальный снаряд, желательно с алмазной коронкой. При переходе на меньший диаметр необходимо поддерживать рацио нальную осевую нагрузку, на первых 10— 15 см частоту вращения снижать на 40— 50% по сравнению с рациональной, расход промывоч ной жидкости также уменьшать на 50%, а к концу рейса (0,5—0,7 м) довести до рационального значения.
Переход на больший диаметр скважины
Для увеличения диаметра скважины следует использовать специаль ный ступенчатый снаряд с направляющим штоком. При этом частота вращения инструмента должна быть рациональной, а осевая нагрузка подбирается таким образом, чтобы скорость продвижения его была не более 5— 10 см/мин. Расход промывочной жидкости должен быть рациональный. В момент приближения инструмента к забою скважины расход промывочной жидкости увеличивается до максимума с тем, чтобы вынести на поверхность продукты разрушения породы, скопив шиеся в призабойной зоне.
1.2. ВЫВОД СКВАЖИНЫ В ЗАДАННУЮ ТОЧКУ ПРИ ИСКРИВЛЕНИИ
Задача решается для следующих условий:
1)резкое внепроектное искривление скважины;
2)жесткие требования к качеству буровых работ;
3)большая глубина скважин;
4)невыдержанные закономерности естественного искривления.
11
Методика решения задачи
Искусственное искривление скважины следует начинать при обнару жении существенного отклонения ее профиля от проектной кривой. Существенным следует считать отклонение, равное на конечной глубине 25% заданного расстояния между скважинами.
Для оперативного контроля профиля замерять зенитный угол скважины должна буровая бригада. Шаг замера зависит от интенсив ности и характера естественного искривления, но во всех случаях не должен превышать 20 м.
Разведочные скважины часто имеют плавновыполаживающийся профиль. При бурении наблюдается несоответствие проектной и фактической интенсивности естественного искривления. Фактическая интенсивность естественного искривления может быть больше либо меньше проектной. В первом случае скважину следует «выкручивать», во втором— увеличивать интенсивность естественного выполаживания.
Искусственное искривление легче осуществлять в монолитных породах VII—IX категорий по буримости, очень сложно в породах X I—XII категорий и практически невозможно в сильнотрещиноватых, раздробленных породах. Кроме того, искривление скважин осложняет ся в кавернозных породах при высокой разработке ствола скважины, где возможно применение только специальных компоновок низа бурильной колонны. Специальные раскрепляемые отклонители при большой разработке ствола часто не дают положительных резуль татов. Таким образом, для искусственного искривления надо исполь зовать интервалы, сложенные монолитными породами или слаботре щиноватыми средних категорий по буримости.
Основная методическая задача в данном случае— определение необходимого числа циклов искусственного искривления, которые позволят на заданной глубине вывести фактический забой скважины в заданную точку. Если задача технически может быть решена, то необходимо определить дополнительные затраты времени на искусст венное искривление, исходя из фактических или нормативных затрат на проведение цикла искривления, и общие затраты времени, по которым определяются затраты средств.
Если отклонители не обеспечат искривления скважины на требуе мый угол, то решение поставленной задачи этим способом невозмож но, и для выведения скважины в заданную точку следует забурить дополнительный ствол выше забоя. В этом случае сначала опреде
ляют |
возможное место забуривания с технической точки зрения. |
При |
этом выбирают интервал устойчивых пород средней крепос |
ти с |
малой разработкой ствола скважины по диаметру, в кото |
ром' отбуривание дополнительного ствола не представляет труд ностей. Если таких интервалов несколько, то необходимо провести экономический расчет для разных вариантов и выбрать наиболее экономичный.
Ниже приведены три варианта расчета необходимого числа циклов искусственного искривления для увеличения выполаживания и «выкру чивания» скважины, а также для изменения ее азимута.
12
Рис. 1. Схема к расчету необходимого угла отклонения скважины при ее внепроектном искривлении в верти кальной плоскости
Расчет числа циклов искусственного искривления для увеличения интенсивности выполаживаиия скважины
Схема к расчету приведена на рис. 1. В данном случае фактическим является профиль С-1, проектным С-11. Необходимо определить, на какой угол следует развернуть профиль сква.жины С-1 в точке А, чтобы с учетом естественного выполаживаиия вывести скважину в точку D на
глубине Я. |
скважины: |
Определяем кривизну А#1 и K9i профилей |
|
-Кв,= (sin 0Х—sin 0o)/Ai, |
(1.1) |
Ae2 = (sin02-sm 0 o)//Ji, |
(1.2) |
где 0! и 02 — зенитные углы профилей соответственно фактической и проектной скважин; 0О— начальный зенитный угол скважины; — глу бина замера зенитного угла (по вертикали).
02 = arcsin (sin 0О+ A"2Aj) |
(1.3) |
Находим интенсивность искривления проектного ^ и фактического /в| профилей скважины:
^ = *.,57,3, |
0-4) |
/в2=Ав257,3. (1.5)
Вычисляем конечные зенитные углы проектного 012 и фактического 0К] профилей скважины:
0It = arcsin (sin 0 0 +А^ # ) , |
(1.6) |
0Ж2= arcsin (sin 00+AejЯ). |
(1.7) |
Определяем горизонтальные проекции проектного S2 и фактическо го S t профилей скважины:
13
Sx =(cosQ0-cosQ Kl)/Kei, |
(1.8) |
$2 = (cos 0O—cos 0.2)/K9l. |
(1.9) |
Находим возможный отход забоев AS по горизонтали между проектным и фактическим профилями скважины
AS= S2- S 1. |
(1.10) |
Когда AS больше допустимого, продолжаем расчеты. |
|
Средний зенитный угол между точками А и С |
|
ecPl= (ei-e,,)/2 . |
(l.ii) |
Определяем длину отрезка АС |
|
AC=h2/ cos0cPl, |
(1.12) |
где h2— расстояние по вертикали между точкой замера зенитного угла и забоем проектной скважины.
Из |
Д ADC по |
теореме |
косинусов |
|
|
AD = ^ АС2 + CD2-2 А С -CD-cos (9О°+0СР|). |
(1.13) |
||
Из |
Д ADC по |
теореме |
синусов |
|
|
|
|
. pcc-sin(90”+ ewi)-| |
(1.14) |
|
|
40, =arcsm |---------—---------- . |
||
Поскольку профиль скважины между точками А и D будет естественно выполаживаться, при расчете необходимого угла поворота траектории Д0И1 средствами искусственного искривления следует учесть естественное искривление:
деИ1= д 01 — |
AD |
(i.i5) |
Необходимое число циклов искусственного искривления и опреде ляем исходя из величины отклонения скважины за цикл Дф, взятой по паспорту снаряда:
й=Д0И1/Дф. (1.16)
Некоторые допущения, принятые в данной методике расчета, не выходят за рамки средних ошибок при искусственном искривлении скважин.
П р и м ер расчета |
необходимого числа циклов искривления. Дано: 0О= 5°; |
|
hl = 300 м; h2= 500 м; |
©,=8°; 02=1Г. |
|
Определить угол, на который следует отклонить на глубине 300 м скважину, |
||
чтобы на глубине |
800 м забой скважины привести в точку D. |
|
По формулам (1.1) и (1.2) вычисляем кривизну проектного К%2 и |
||
фактического Ktl |
профилей скважины: |
|
|
Ktl = (sin 8°- sin 5°)/300= 0,0001745 м '1, |
|
|
tfe2=(sin 11°—sin 5°)/300= 0,000 349 м 1. |
|
По формулам (1.4) и (1.5) находим интенсивность искривления проектного iti и фактического /9i профилей скважины:
/в, = 0,000174 5•57,3 = 0,01°/м,
14
t9j= 0,000 349-57,3 = 0,02 °/м.
По формулам (1.6) и (1.7) определяем конечные зенитные углы проектного 0К2 и фактического 0К1 профилей скважины:
0Ki=arcsin(sin5° + O,OOO 174 5-800)= 13, Г, 0К2 = arcsin (sin 5° + 0,000 349 - 800)= 21,49°.
По формулам (1.8) и (1.9) вычисляем горизонтальные проекции
проектного $2 и |
фактического S 1 профилей скважины: |
|
^ |
= (cos 5°- |
cos 13,1°)/0,000 174 5= 127,4 м, |
S2 = (cos 5°- |
cos 21,49°)/0,000 349= 188,3 м. |
|
По формуле (1.10) находим возможный отход забоев AS по горизонтали между проектным и фактическим профилями скважины
Д5= 188,3-127,4 = 60,9 м.
По формуле (1.11) рассчитываем величину среднего зенитного угла между точками А и С
0СР1 = (8,02+13,10)/2 = 10,56°.
По формуле (1.12)
y4C=500/cos 10,56° =508,6 м.
По формуле (1.13)
AD = Уб0,92 + 508,62 - 2-60,9 • 508,6 ■cos (90°+10,56°)=523 м.
По формуле (1.14) |
|
|
Д0! = arcsin |
60,9 sin (90°+10^ J = 6 ,5 7 ° . |
|
|
~ ~ |
523~ |
По формуле (1.15) определяем необходимый угол искусственного искривле ния скважины Д0И| в точке А
0,01-523 Д0И1 = 6,57О— — ---- =3,96°.
По формуле (1.16) находим необходимое число циклов искусственного искривления при Д<р=1,5°/цикл
п = 3,96/1,5 = 2,7*3 цикла,
Расчет числа циклов искусственного искривления для «выкручивания» ствола скважины
Схема к расчету приведена на рис. 1. В данном случае фактическим является профиль С-II, проектным— С-1. Необходимо определить, на какой угол следует развернуть профиль скважины С-Н в точке В, чтобы с учетом естественного выполаживания вывести скважину в точку С на глубине Н.
Проводим первоначальные вычисления в той же последователь
ности, что |
и при выполаживании |
ствола |
скважины |
по формулам |
(1-1) — (1.10). |
точками |
В и D |
|
|
Средний зенитный угол между |
|
|||
|
0ср2 = (02+ 0«2)/2- |
|
(1.17) |
|
Длина |
отрезка |
|
|
|
15
Из |
Д CBD по |
теореме косинусов |
|
|
B C = JC D 2 + BD22CD■BD cos(90°-0CP2), |
(1.19) |
|
где CD = AS. |
|
|
|
Из |
Д CBD по |
теореме синусов |
|
|
|
. ["CO sin (90° —8cp)1 |
( 1.20) |
|
|
Де2= а г а ш ----------— --------- . |
|
Искусственное |
отклонение скважины С-П в точке |
В |
|
|
|
fg2 • ВС |
( 1.21) |
|
|
A0„2 = A02H— -— . |
|
Знак «+ » перед дробью взят в связи с тем, что набранный угол А02 в процессе бурения будет уменьшаться за счет естественного выполаживания.
Необходимое число циклов искусственного искривления л вычис ляем по формуле (1.16).
П р и м е р расчета |
необходимого числа циклов искривления: |
||
0О= 5°; Й! = 300 м; |
Л2 = 500 м; 01 = 8°; 02 = 11°. |
||
По |
формулам |
(1.1)—(1.10) определяем Х01, Х„2, г01, /02, 0„ 0.2, Su S2, AS. |
|
По формуле (1.17) находим величину среднего зенитного угла между |
|||
точками В и D |
|
|
|
|
|
|
0ср=(11,06°+21,49°)/2= 16,28°. |
По |
формуле |
(1.18) |
|
|
|
|
BD=500/cos 16,28° = 520,9 м. |
По |
формуле |
(1.19) |
|
|
ВС=^60,92 + 520,92 - 2-60,9•520,9 cos(90°-16,28°)=507,2 м. |
||
По |
формуле |
(1.20) |
|
|
|
|
. Гб0,9 яп(90°-16,28°)"1 |
|
|
А02= arcsinI ------ -А— ----------1 =6,62°. |
|
По формуле (1.21) определяем необходимый угол искусственного искривле ния скважины в точке В
Д0>2 = 6,62+ -°^-5—2= 11,70°.
Необходимое число циклов искусственного искривления при Д<р= 1,5°/цикл по формуле (1.16)
л= 11,7°/1,5= 7,8«8 циклов.
Определение необходимого числа циклов искусственного искривления чжважнн с помощью палетки
При построении палетки принята типичная последовательность цикла искусственного искривления: перегиб траектории скважины на
16
Рис. 2. Палетка для определения не- |
Рис. 3. Палетка для определения не |
обходимого угла отклонения скважи- |
обходимого угла отклонения скважи |
ны при ее искривлении (для построе- |
ны |
ния профилей в масштабе 1:2000) |
|
угол 1; 1,5 или 2° в зависимости от возможностей конкретного отклоняющего средства и последующее бурение укороченными колон ковыми наборами на длину Юм, включая и интервал собственно искривления. Затем повторение цикла. Общий угол набора кривизны составляет 20—2 Г ..
Палетку надо строить на листе кальки в масштабе 1:2000 (рис. 2). По оси С от точки А откладывается расчетное расстояние Сх, зависящее от величины угла единичного отклонения АО (табл. 3). Точка А отстоит от точки О на расстоянии 500 мм, что в масштабе 1:2000 соответствует 1000 м. Таким образом, откладывается луч ОСх. На этом луче от точки О откладывается отрезок ООи равный 5 мм, что соответствует длине цикла искривления, равной Юм. Точка Ох соединяется с точкой С2 (табл. 3) и т. д.
Для определения необходимого числа циклов искусственного искривления требуется в масштабе 1:2000 построить проектный и фактический профили скважины. Палетку надо наложить на фактиче ский, профиль скважины, совместив точку О с забоем таким образом, чтобы линия ОА (рис. 3) являлась касательной к профилю скважины в точке О. Далее следует оценить, какой из лучей 0 (С} перекрывает забой проектной скважины в точке В, и определить требуемое число циклов искривления.
17
Т а б л и ц а 3
Геометрические характеристики палеток для определения необходимого угла отклонения скважины при ее искривлении (М 1:2000)
Номер |
|
Д0= Г/цикл |
Д0= 1,5°/цикл |
Д0=2°/цикл |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
цикла |
0, |
градус |
С, мм |
0, градус |
С, мм |
0, градус |
С, мм |
|
|||||||
1 |
|
1 |
8,7 |
1,5 |
13,1 |
2 |
17,4 |
2 |
|
2 |
17,4 |
3,0 |
26,0 |
4 |
34,7 |
3 |
|
3 |
25,9 |
4,5 |
38,8 |
6 |
51,7 |
4 |
|
4 |
34,6 |
6,0 |
51,5 |
8 |
68,5 |
5 |
|
5 |
42,7 |
7,5 |
63,0 |
10 |
85,1 |
6 |
|
6 |
51,0 |
9,0 |
76,3 |
12 |
101,4 |
7 |
|
7 |
59,1 |
10,5 |
88,4 |
14 |
117,4 |
8 |
|
8 |
67,2 |
12,0 |
100,4 |
16 |
133,2 |
9 |
|
9 |
75,1 |
13,5 |
112,2 |
18 |
148,6 |
10 |
|
10 |
82,9 |
15,0 |
123,7 |
20 |
163,7 |
11 |
|
11 |
90,7 |
16,5 |
135,1 |
|
|
12 |
|
12 |
98,3 |
18,0 |
146,4 |
|
|
13 |
|
13 |
105,8 |
19,5 |
157,4 |
|
|
14 |
|
14 |
113,3 |
21,0 |
168,2 |
|
|
15 |
|
15 |
120,6 |
|
|
|
|
16 |
|
16 |
127,8 |
|
|
|
|
17 |
|
17 |
134,9 |
|
|
|
|
18 |
|
18 |
141,9 |
|
|
|
|
19 |
|
19 |
148,8 |
|
|
|
|
20 |
|
20 |
155,6 |
|
|
|
|
В данном случае (рис. 3), поскольку точка В находится между лучами С3 и С4, следует делать четыре цикла искусственного искривления. Палетка в зависимости от ее расположения может быть использована для расчета выполаживания или «выкручивания» скважин.
Определение необходимого числа циклов искусственного искривления скважин по азимуту
Схема к расчету приведена на рис. 4. Для ориентировочных расчетов необходимого числа циклов искусственного искривления может быть использована следующая методика.
По построенной горизонтальной проекции бурящейся скважины аналитическим путем (по стандартным методикам) определяют вели чины а, Ви В2, где а— отход скважины в плане от разведочной линии; Bv— проекция плана скважины на разведочную линию; В2— расстояние между проекциями фактического устья и проектной точкой подсечения рудного тела скважиной в плане по разведочной линии.
Находим величину вспомогательного |
угла |
р = arctg— . |
(1-22) |
а |
|
Вычисляем требуемую величину азимутального отклонения сква жины Да в точке К
18
Рис. 4. Схема к расчету необходимого угла отклонения скважины при ее внепроектном искривлении к горизонталь ной плоскости
Да = а —(ао + ц)+90°, |
(1.23) |
где а — азимут скважины в точке К; |
а0— азимут |
заложения скважины. |
|
По номограмме (рис. 5) при известном зенитном угле 0 в точке К и рассчитанной величине требуемого азимутального отклонения Да определяем простран ственное искривление ф.
Число циклов искусственного искривления п вы числяем по формуле (1.16).
Пример . На основании замеров углов и построения горизонтальной проекции трассы имеем: а =30 м; Я, = 100 м; 2?2 = 155 м; а = 240°; ао = 220°; 0С(,=2О°.
' По формуле (2.22) находим величину вспомогательного угла
p = a rc tg - ^ = 79,05°.
По формуле (1.23) рассчитываем азимутальное отклонение Да = 240- (220+ 79,05)+90 = 30,95°.
По номограмме (рис. 5) определяем угол пространственного искривления <р= 10,5°.
По формуле (1.16) вычисляем необходимое число циклов искусственного искривления при Дф=1,5°/цикл
л = 10,5/1,5=7 циклов.
Техника и технология решения задачи
При недостаточном искривлении скважины вывести ее на проект ную траекторию можно с помощью специальных компоновок низа бурильной колонны. При необходимости увеличения выполаживания скважины следует применять одношарнирную компоновку с уменьшен ным эффектом накатывания на стенку скважины и пониженную частоту вращения снаряда. Для увеличения угла наклона скважин надо исполь зовать двухшарнирные компоновки с уменьшенным эффектом накаты вания на стенку скважины и пониженную частоту вращения снаряда.
Для увеличения интенсивности азимутального искривления скважин влево следует применять одношарнирную компоновку с повышенным эффектом накатывания на стенку скважины и повышенную частоту вращения снаряда. При необходимости увеличения интенсивности азимутального искривления скважин вправо надо использовать двух шарнирную компоновку с повышенным эффектом накатывания на стенку скважины и повышенной частотой вращения снаряда.
19
Jot, градус
Рис. 5. Номограмма для определения приращения азимута Да при различных зенитных углах 0 профиля и пространственном, отклонении (р:
МКИ _
При избыточном искривлении скважин в изотропных горных породах для уменьшения искривления надо использовать простейшие технические средства и технологические приемы. Для уменьшения изгиба инструмента в призабойной зоне следует применять удлиненные колонковые наборы повышенной жесткости.
Чтобы уменьшить интенсивность искривления скважин, используют породоразрушающий инструмент, формирующий плоский забой и слабо фрезерующий стенки скважины. Для уменьшения интенсивности выполаживания и азимутального искривления скважин вращательный
20