книги / Решение геолого-технических задач при направленном бурении скважин

5. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН

5.1. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН

При сооружении скважин необходимо выполнять ряд мероприятий, обеспечивающих бурение ствола в строго заданном направлении без резких нежелательных искривлений. К числу таких мероприятий, условно относимых к организационным, принадлежат: правильная установка бурового оборудования; надлежащее крепление всех обсад­ ных колонн; соосность и прямолинейность всех элементов снаряда; правильный переход при бурении от большего диаметра скважин к меньшему и др.

Хотя все эти мероприятия в общем известны, но контрольные замеры углов установки шпинделя станка, проверка прямолинейности элементов снаряда, замеры пространственного положения ствола в местах изменения диаметра показывают, что они выполняются не на должном уровне, а это приводит в дальнейшем к затратам на борьбу с внеплановым отклонением скважины.

Установка станка

Станок необходимо располагать строго горизонтально на прочном фундаменте, точно ориентируя шпиндель в нужном направлении. При применении вышек для бурения скважин глубиной до 200—250 м следует устанавливать станок на брусьях с поперечными размерами не менее 25 х 25 см. Концы всех брусьев должны подходить под ниж­ нюю раму вышки. Продольные и поперечные брусья следует уклады­ вать в канавки горизонтально по уровню и скреплять скобами или болтами.

При бурении скважин глубиной до 500—600 м буровой станок необходимо устанавливать на якорном фундаменте или массивном крупноблочном деревянном либо металлическом основании, не даю­ щем перекосов. При проектной глубине скважин более 600 м бу­ ровой станок желательно монтировать на бетонном основании. Общая масса бетонного основания должна быть в 3—4 раза больше массы станка.

Мачты необходимо устанавливать на строго горизонтальном прочном основании, исключающем проседание и перекосы.

Ориентировка шпинделя

Для ориентировки шпинделя буровых станков рекомендуется использовать угломер конструкции Шандалова УКШ-1 (рис. 29).

91

Рис. 29. Угломер УКШ-1 для установки шпинделя бурового станка

Прибор позволяет с высокой точностью устанавливать шпиндель станка по углу наклона и азимуту.

Бурильную трубу 1 с подпятником 3 закрепляют в шпинделе бурового станка с помощью зажимных патронов. Флюгер б с грузом 8 центрируется подшипником 2 на бурильной трубе и опирается иглой 4 на подпятник 3. На флюгере расположены отвес 7 и шкала углов наклона для установки шпинделя. Визирная трубка 5 крепится на цапфах и может поворачиваться на оси в плоскости флюгера. Шпиндель устанавливают по заданным азимуту и углу наклона следующим образом.

1.Топограф определяет проектную точку на местности, проклады­ вает от нее проектный азимут и на расстоянии 100—200 м от точки заложения скважины ставит ориентир (репер).

2.На точку завозят буровое здание и устанавливают его с учетом проектного азимута.

3.В шпинделе станка закрепляют бурильную трубу и монтируют на ней прибор.

4.Шпиндель устанавливают под проектным углом наклона, затем

бурильную трубу со шпинделем медленно проворачивают на 360°, проверяя центрирование бурильных труб в патронах угломером УКШ-1. При необходимости регулировкой устраняют эксцентричность закрепления бурильной трубы в патронах.

5.Поворачивают буровое помещение до совпадения визирной линии визира угломера с линией азимута.

6.Вторично проверяют точность установки шпинделя по углу наклона.

Конструкции забурников

Забуривание скважины и установка направляющей трубы ц кондуктора— наиболее важные подготовительные операции, способст­ вующие бурению скважин в заданном направлении.. Способ забурива­ ния под направляющую трубу зависит от характера проходимых

92

пород. В мягких породах скважину забуривают коронкой типа М, в породах средней твердости— типа СМ, в твердых породах— алмазной коронкой. Перед забуриванием скважины на месте ее заложения выкапывают приямок для того, чтобы под шпиндель станка можно было завести забурочный снаряд, состоящий из переходника, колонко­ вой трубы длиной 0,5— 1 м и породоразрушающего инструмента. Забурочный снаряд соединяют с ведущей трубой и тщательно центрируют в шпинделе станка.

Забуривание следует начинать на первой скорости вращения шпинделя в мягких породахбез промывки, в средних и твердых породах с небольшим количеством промывочной жидкости до глуби­ ны, необходимой для установки направляющей трубы. Перед спуском трубы в скважину закладывают 15—20 дм3 жирной глины, размешан­ ной с водой до густоты тестообразного состояния, или 20 дм3 густого цементного раствора. Чтобы глину или цементный раствор выдавить в затрубное пространство, в башмак направляющей трубы, забивают

93

пробку и, спуская трубу в скважину, вдавливают пробку в глину или цементный раствор. Совпадение оси направляющей трубы с осью скважины проверяют при помощи угломера, после чего верхний конец трубы тщательно закрепляют.

Углубление скважины под кондуктор необходимо проводить при помощи специальных снарядов, предотвращающих искривление сква­ жины. Снаряды (рис. 30, а) состоят из коронки 7, короткой колонковой трубы (не более 1м) 2, центрирующих переходников 3, колонковой трубы 4. Диаметр центрирующих переходников должен быть меньше

колонкового снаряда, для чего после каждого рейса колонковую трубу 2 удлиняют. После углубления на 4— 5 м собирают новый колонковый снаряд (рис. 30,6), состоящий из коронки 7, колонковой трубы 2, центрирующего переходника 3. При бурении в твердых породах вместо центрирующего переходника может быть установлен алмазный расши­ ритель.

Начало углубления скважины под кондуктор ведут при пониженных частотах вращения снаряда и осевой нагрузке (и=100-И 50 об/мин, Р0= 3000ч-4000 Н). После углубления на 4—5 м в дальнейшем бурят с соблюдением обычной технологии.

При достижении скважиной глубины, необходимой для установки кондуктора, измеряют зенитный и азимутальный углы скважины, подготовляют снаряд для перехода на меньший диаметр и материалы для тампонирования кондуктора. При спуске последнего резьбы соединений обсадных труб герметизируют. Затрубное пространство кондуктора на всю глубину или в нижней части тампонируют цементом или глиной. Схема установки направляющей трубы и кондуктора приведена на рис. 31.

Конструкции снарядов для перехода на меньший диаметр скважины

Для предупреждения искривления скважины при переходе на бурение скважины меньшего диаметра необходимо применять ступен­ чатые снаряды, обеспечивающие центрирование коронки меньшего диаметра в скважине большего диаметра (рис. 32). При этом зазор между центрирующими переходниками и стенками скважины должен быть минимальным; длина нижней колонковой трубы должна быть не более 1— 1,5 м, а длина верхней колонковой трубы не менее 3—4 м. При бурении скважин в породах высокой категории по буримости в качестве центраторов используются алмазные расширители.

Перед переходом на бурение скважины меньшего диаметра из нее необходимо полностью удалить оставшийся от предыдущего рейса столбик керна и промыть скважину до полного удаления шлама. При этом вначале бурят в режиме с пониженными параметрами, составляю­ щими 50% обычных. Углубление составляет величину, равную длине нового колонкового снаряда. После каждого рейса колонковую трубу меньшего диаметра удлиняют. Углубив скважину на 4—5 м, специаль-

94

а

Рис. 32. Снаряды для перехода на бурение скважины меньшего диаметра: а, б—нормальные снаряды; в, г—жесткие удлиненные снаряды; 1—коронка; 2 —колонковая труба меньшего диаметра; 3 —специальный ступенчатый пере­ ходник; 4— центратор-расширитель; 5— длинная колонковая труба большого диаметра; 6— центратор

ный снаряд заменяют обычным и дальнейшее бурение ведут с соблюдением обычной технологии.

Конструкции снарядов для увеличения диаметра скважин

Для увеличения диаметра скважины используют различные конст­ рукции разбурников и расширителей. Для разбуривания скважин в породах высоких категорий по буримости (VIII—XII) применяют фрезеры либо с центрирующей муфтой (рис. 33, а), либо с центрирую­ щей трубой (рис. 33, б), снабженные алмазным породоразрушающим инструментом.

95

Р и с . 34. Разбурник:

а—пулеобразный; 6—конусный; 1—разбурник, армированный твердосплавными резцами; 2—бу­ рильная труба; 3—колонковая труба; 4— муфтацентратор

Для разбуривания скважин в породах более низких категорий по буримости применяются разбурники и расширители, армированные твердосплавными резцами (рис. 34). При использовании в качестве расширителя обычного колонкового снаряда (для предотвращения зарезки нового ствола) внутри колонковой трубы и коронки закрепля­ ют пилот-штангу, соответствующую диаметру разбуриваемого ствола и выступающую ниже коронки на 0,4—0,5 м (рис. 35).

Во всех случаях расширения скважины параметры режима бурения должны быть снижены. При применении алмазного породоразрушаю­ щего инструмента в зависимости от диаметра разбуриваемой скважи­ ны осевая нагрузка должна быть в пределах 4000—6000 Н, частота вращения 250—300 об/мин; при использовании твердосплавного поро­ доразрушающего инструмента осевая нагрузка— 3000—5000 Н, часто­ та вращения — 100— 150 об/мин.

5.2. УМЕНЬШЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН

Интенсивность искривления ствола, как известно, значительно зависит от величины зазора между снарядом и стенкой скважины, жесткости снаряда и характера его вращения. Следовательно, изменяя эти величины, можно увеличить или уменьшить интенсивность искривления скважин при прочих равных условиях.

96

Для уменьшения интенсивности искривления рекомендуются сле­ дующие мероприятия: использование породоразрушающих инструмен­ тов, слабофрезерующих стенки скважины; бурение при режимах, способствующих вращению инструмента вокруг оси скважины; приме­ нение жестких удлиненных снарядов и рациональных колонн буриль­ ных труб; использование промывочной жидкости, способствующей закреплению стенок скважины и снижению трения между буровым снарядом и стенками скважины.

Породоразрушающий инструмент, формирующий плоский забой

К такому инструменту относятся твердосплавные коронки, снаб­ женные резцами, которые имеют одинаковый выход из корпуса и слабое боковое армирование. Это коронки СМ-3, СА-5, СА-6, а также коронки для гидроударников КГ1, КГ2, КГЗ и пневмоударников КП и КДП. Из алмазного породоразрушающего инструмента к коронкам такого типа относятся коронки, имеющие плоский торец, слабую насыщенность и большую зернистость подрезных алмазов. Это коронки КСК, снабженные синтетическими алмазами и предназначен­ ные для бурения пород VI—VIII категорий, и импрегнированные коронки ОЗИ5, предназначенные для бурения пород IX—XII ка­ тегорий.

Технология бурения, предупреждающая искривление скважин

При использовании твердосплавного породоразрушающего инстру­ мента для снижения интенсивности естественного искривления следует бурить при рациональных режимах с применением промывочной жидкости, способствующей закреплению стенок скважины и снижению разработки ствола.

97

При бурении алмазным породоразрушающим инструментом ис­ кривление скважины по технологическим причинам связано в основном с перекосом снаряда в скважине. Величину перекоса снижают, уменьшая осевую нагрузку: при ее уменьшении на 40% интенсивность искривления снижается примерно в 2 раза. Увеличение частоты вращения приводит к тому, что снаряд большую часть времени вращается вокруг оси скважины, что также способствует снижению интенсивности искривления. Так, при увеличенйи частоты вращения снаряда в 1,4—2 раза интенсивность искривления уменьшается на 20—40%. Рекомендуемые режимные параметры, способствующие снижению интенсивности искривления, приведены в табл. 15.

Конструкции колонковых наборов повышенной жесткости

Интенсивность естественного искривления скважины можно сни­ зить путем увеличения жесткости колонковых наборов и центрирова­ ния снаряда в скважине. При этом уменьшается величина перекоса колонкового набора, что ведет к снижению интенсивности искривле­ ния. При бурении в сильно перемежающихся анизотропных породах для снижения интенсивности искривления следует использовать колон­ ковые трубы с увеличенной толщиной стенки или обычные колонковые трубы с постановкой в гребнях полуволн центраторов или алмазных расширителей (рис. 36, а, б, в). Длина полуволны для стандартных колонковых труб при средних параметрах режима бурения составляет

При бурении в сравнительно однородных, слабо перемежающихся изотропных и анизотропных породах следует применять удлиненные колонковые трубы с центратором в верхней части колонковой трубы и алмазным расширителем над коронкой (рис. 36, г). Кроме этих способов, колонковый набор можно центрировать путем наваривания точек или небольших полос в пределах диаметра породоразрушающего инструмента.

Конструкции колонн бурильных труб при борьбе с искривлением

Интенсивность естественного искривления зависит от величины перекоса колонкового набора в скважине и от характера вращения бурового снаряда. При вращении снаряда вокруг оси скважины интенсивность искривления минимальна. Применение центраторов в колонне бурильных труб при бурении скважин малого диаметра

применение несбалансированного утяжеленного низа бурильной колон-

98

Рис. 36. Конструкции жестких удлиненных снарядов:

I —породоразрушающий инструмент; 2—колонковая труба; 3—утолщенный ниппель; 4— переходник; 5—шламовая труба; 6— бурильная труба; 7—фонарь; 8—расширитель-калибратор; 9 —переходник или муфта, армированная твердым сплавом

ны, устанавливаемого над колонковым снарядом. Такой низ колонны вынуждает бурильную колонну вращаться вокруг оси скважины, при этом исключаются ориентация низа колонкового снаряда в направле­ нии действия геологических факторов и его вращение вокруг собствен­ ной оси, не совпадающей с осью скважины. Для этого форма поперечного сечения тяжелого низа бурильной колонны должна быть такой, чтобы его жесткость в направлении главных осей была неодинакова. Это достигается за счет использования штанг трехгран­ ного сечения (рис. 37). Несбалансированный низ бурильной колонны позволяет снизить интенсивность искривления скважин в 4—5 раз по сравнению с применением стандартной компоновки.

Замена способа бурения и типа породоразрушающего инструмента

Замена способа бурения и типа породоразрушающего инструмен­ та— один из методов снижения интенсивности искривления скважин. Так, при бурении алмазным породоразрушающим инструментом

99

Рис. 37. Трехгранные штанги

скважины искривляются в основном вправо, а при бурении твердо­ сплавным— влево. В связи с этим для сохранения направления скважины в азимутальном направлении необходимо по возможности чередовать бурение скважины алмазным и твердосплавным породораз­ рушающим инструментом. При вращательном бурении скважины, как правило, выполаживаются, а при бурении ударно-вращательным способом с помощью гидроударников при небольших зенитных углах (до 8— 10°) происходит выкручивание скважины. Таким образом, замена вращательного способа ударно-вращательным с помощью гидроударников или их чередование способствует сохранению зенитно­ го угла скважины.

Снаряд для бурения прямолинейных скважин «Рейс»

Снаряд «Рейс» конструкции ТПИ (рис. 38) имеет удлиненный центратор, состоящий из верхнего 1 и нижнего 3 расширителей-пере­ ходников, соединенных трубой 2. В нижнем расширителе-переходнике 3 эксцентрично расположена втулка 5, закрепленная болтом 10. Для предотвращения утечки промывочной жидкости в нем же установлен резиновый патрубок 9, закрепленный с помощью втулки 8 и гайки 4. Расширитель-переходник 3 через трубу 6 жестко связан с корпусом двухплечевого шарнира 7. Верхнее плечо шарнира 7 входит во внутреннее отверстие эксцентрично расположенной втулки 5, а нижнее плечо шарнира соединено через переходник 11 с колонковой трубой 12. К нижней части колонковой трубы 12 присоединен породораз­ рушающий инструмент 13, имеющий эффективное боковое армиро­ вание.

Опыт использования снаряда в Рудно-Алтайской геологоразведоч-

100