Загальні закономірності викривлення свердловин

Аналіз викривлення свердловин показує, що воно підкоряється певним закономірностям, але для різних родовищ вони різні і можуть істотно відрізнятися.

► Проте можна сформулювати наступні загальні закономірності викривлення свердловин:

• на викривлення свердловин найбільший вплив має нижня частина КНБК (нижні 30м);

• в більшості випадків свердловини прагнуть зайняти напрям, перпендикулярний шаруватості гірських порід (у міру наближення до цього напряму інтенсивність викривлення знижується);

• зменшення зазору між стінками свердловини і інструментом приводить до зменшення викривлення;

• місця установки центрувальних елементів і їх діаметр вельми істотно впливають на напрям і інтенсивність зенітного викривлення.

• збільшення жорсткості інструменту зменшує викривлення свердловини, тому свердловини більшого діаметру скривлюються менш інтенсивно, чим свердловини малого діаметру;

• збільшення осьового навантаження приводить до збільшення інтенсивності викривлення, а підвищення частоти обертання колони бурильних труб - до зниження викривлення;

• напрям і інтенсивність азимутного викривлення залежать від геологічних чинників;

• абсолютна величина інтенсивності азимутного викривлення залежить від зенітного кута свердловини. З його збільшенням інтенсивність азимутного викривлення знижується;

• свердловини при всіх видах обертового буріння викривлюються азимутально як вправо, так і вліво.

При бурінні в горизонтальних і похилозалягаючих пластах, що складені ізотропними породами, можливість викривлення свердло­вин значно менша, ніж при бурінні в крутопадаючих пластах, пред­ставлених анізотропними породами. Тому при сприятливих геологі­чних умовах можна пробурити умовно вертикальну свердловину при додержанні елементарних технологічних прийомів.

При несприятливих геологічних умовах потрібна розробка і впровадження комплексу заходів, спрямованих на попередження викривлення свердловини.

Методи попередження викривлення свердловин

Попередження самочинного викривлення свердловин ґрунтується на реалізації комплек­су техніко-технологічних та організаційних заходів, які направлені на зняття і зменшення впливу технічних, технологічних і геологічних факторів. Як було відзначено вище, відхилення свердловин від проектного положення може відбуватися унаслідок неправильної організації робіт при забурюванні свердловини або викривлення її в процесі буріння. У першому випадку мають місце причини суб'єктивного характеру, які можуть бути легко усунені. У другому випадку діють об'єктивні причини, пов'язані з нерівномірним руйнуванням породи на вибої свердловини. Кожна з цих причин виявляється у вигляді сил і перекидаючих моментів, що діють на породоруйнуючий інструмент. Ефективність попередження викривлення све­рдловин визначається ефективністю кожного із заходів зокрема.

► Тому, для попередження викривлення свердловин використовують:

• організаційно-технічні заходи при монтажі бурових вишок і обладнання, а також при забурюванні стовбура свердловини;

• спеціальні КНБК і пристрої;

• технологічні заходи для забезпечення якісної форми стовбура свердловини.

Організаційно-технічні заходи при монтажі бурового обладнання і при забурюванні стовбу­ра свердловини здійснюють для зняття та зменшення впливу технічних факторів на викрив­лення свердловин.

Для цього необхідно забезпечити:

• співвісність вишки (ліхтаря вежі), прохідного отвору ротора і осі свердловини (шахтового на­правлення);;

• горизонтальність столу ротора;

• вертикальність встановлення шахтового направлення (при його наявності);

• використання прямолінійних ведучих труб, бурильних труб і ОБТ згідно технічним умовам;

• забурювання стовбура свердловини на довжину КНБК при низьких осьових навантажен­нях.

►Одним з основних методів попередження викривлення свердловин є застосування спеці­альних КНБК.

На даний час запропонована значна кількість конструкцій низу бурильної колони, які різняться між собою конструктивними особливостями елементів (ОБТ, калібратори, стабілі­затори, центратори тощо), їх призначенням, місцем розташування і т. ін. На рис. 6 і 7 показані, за А.Г. Калініним, О.З. Левицьким і Б.О. Нікітіним, різновиди КНБК відповідно для роторного і турбінного буріння.

За принципом дії КНБК для попередження викривлення основані на:

• ефектах виска (або маятника);

• жорсткого центрування долота і низу у стовбурі свердловини;

• ефектах обертових мас (або гіроскопа);

• не співпаданні вісі КНБК з віссю свердловини;

• шарнірного з'єднання і т. ін.

Ефект виска реалізується у КНБК з максимально наближеним до долота центром ваги. Це досягається використанням ОБТ максимально можливого діаметра і відпові­дно маси погонного метра (маховиків). В такому разі при відхиленні осі КНБК від вертикалі виникає складова сили, яка сприятиме поверненню долота до вертикалі.

До таких компоновок відносять:

• гладкі КНБК;

• маятникові КНБК.

Гладкі КНБК ( рис.6,а) складаються з ОБТ, в тому числі ступінчастих (в нижній частині встановлюють маховики), і бурильних труб. В турбінному способі буріння функцію маховиків виконує турбобур ( рис.7,а).

Такі КНБК викори­стовують рідко, в основному, для пластів із незначною тенденцією до викривлення

а) б) в) г) д) е) є)

Рисунок 6 − Схеми КНБК для роторного буріння свердловин:

1—долото; 2—ОБТ; 3— бурильні труби; 4—центратор; 5—калібратор;

6—стабілізатор (квадратна ОБТ); 7— наддолотний обважнювач

Маятникові КНБК включають в основному ОБТ максимально можливого діаметра (довжиною 25-36м) для створення ефекту виска, один (або більше) стабі­лізатор, ОБТ, товстостінну бурильну трубу і бурильні труби. Компоновки цього типу викори­стовують для розбурювання м'яких, незцементованих порід при бурінні під кондуктор, а також для змен­шення викривлення стовбура.

Маятникові компоновки використовуються переважно:

− при бурінні вертикальних сверд­ловин у нестійких, м'яких гірських породах та при незначному нахилу залягання пластів (до 10-15⁰);

− для зменшення зенітного кута при бурінні викривлених сверд­ловин (вирівнювання свердловин);

− для збільшення або зменшення зенітного кута при бурінні похило-скерованих сверд­ловин.

В останніх двох випадках в КНБК обов’язково встановлюють ОЦЕ -опорно-центрувальний елемент (центратор або калібратор, рис. 6,б та 7,б), причому, на різних віддалях від долота, в залежності від поставленої задачі.

До складу таких компоновок може входити:

− долото, ОБТ, бурильні труби;

− долото, ОБТ більшого діаметра, ОБТ меншого діаметра, бурильні труби;

− долото, ОБТ розрахункової довжини, ОЦЕ , ОБТ, бурильні труби;

− долото, вибійний двигун з пересувним або міжсекційним центратором на розрахунковій відстані від долота, ОБТ, бурильні труби;

− долото, турбобур, ОЦЕ, ОБТ більшого діаметра, ОЦЕ, ОБТ меншого діаметра, бурильні труби.

Недоліком маятникових компоновок є те, що складової ваги часто недостатньо для ком­пенсації відхиляючої сили. Внаслідок цього стовбур свердловини викривляється і тому для підсилення ефекта виска потрібно зменшувати навантаження на долото, що знижує показники роботи доліт.

11

а) б) в) г) д) е) є) ж)

Рисунок 7 − Схеми КНБК для турбінного буріння свердловин:

1—долото; 2— турбобур; 3— ОБТ; 4— бурильні труби;

5—центратор; 6—калібратор; 7—наддолотний маховик;

8— центратор на ніпелі турбобура; 9— міжсекційний центратор;

10— шарнірний центратор; 11—турбобур-стабілізатор

Ефект жорсткого центрування долота і низу бурильної колони реалізується в компоновках, які включають ОБТ (в тому числі спіральні і квадратні), ОЦЕ і стабілізатори (рис. 6,в,г,д та 7в,д,е) та дозволяють при достатньо високих осьових навантаженнях зберігати прямолінійність КНБК і її співвісність зі стовбуром (віссю) свердловини.

Такі компоновки називаються жорсткими і використовуються для попередження викри­влення свердловин у стійких породах (твердих і середньої твердості).

Для жорстких компоновок довжина направляючої ділянки має бути меншою за довжину півхвилі при поздовжньому згині низу бурильної колони.

Найбільшого ефекту можна досягти при встановленні в нижній частині КНБК чотирьох стабілізаторів, а саме:

– перший → на віддалі 0,91м від долота;

– другий → на віддалі 4-5,1м від долота

– третій → на віддалі 14,9-15,5м від долота

– четвертий →на віддалі 27,4-29,0м від долота

Для буріння вертикальних свердловин діаметром від 138,1 до 445,0 мм роторним спосо­бом ВНДІБТ розроблені компоновки з наддолотними стабілізуючими пристроями типу НСП (рис. 8).

Компоновки з наддолотним стабілізуючим пристроєм призначені для зменшення відхиляючої сили і кута neрекошування долота за рахунок підвищеної жорсткості низу і центрування його у свердловині. Ці компоновки ефективні при розбурюванні м'яких гірських порід.

Рисунок 8− Схема КНБК із наддолотним стабілізуючим пристроєм:

1—долото; 2, 5, 8— перехідник; 3— корпус; 4—внутрішня труба;

6, 10— центратор; 7—лопать; 9— ОБТ; 11—калібратор

Жорсткі компоновки використовують при роторному і турбінному способах буріння. Вони забезпечують відробку доліт при підвищених осьових навантаженнях.

Найбільшого ефекту можна досягти при встановленні в нижній частині КНБК чотирьох стабілізаторів, а саме:

– перший → на віддалі 0,91м від долота;

– другий → на віддалі 4-5,1м від долота

– третій → на віддалі 14,9-15,5м від долота

– четвертий →на віддалі 27,4-29,0м від долота

Ефект обертових мас (або гіроскопа) реалізується при турбінному бурінні (рис.7, г).

У таких компоновках на валу вибійного двигуна встановлюється відцентрована секція ОБТ збільшеного діаметра (маховик) довжиною 10—15 м. Момент обертової маси сприяє збереженню прямолінійності свердловини. На практиці такі компоновки не знайшли широкого застосування.

Компоновки з використанням шарнірних елементів (рис. 7 є,) призначені для перерозподілу відхиляючої сили проти природного викривлення. КНБК із шарнірними елементами можуть використовуватися при турбінному і роторному способах буріння.

Компоновки з ексцентричними елементами (ОБТ, перерехідники, ОЦЕ) призначені для реалізації динамічних ефектів, що виникають у процесі їх обертання при роторному бурінні. У таких компоновках вісь КНБК не співпадає з віссю свердловини і вони сприяють попередженню викривлення свердловин і формуванню якісного стовбура. Їх користовують у складних гірничогеологічних умовах.

Розроблена С.Я. Савреєм компоновка включає ексцентричні контактні елементи з радіу­сом, більшим за радіус долота та зміщенням у горизонтальній площині (рис. 9)

Ця компоновка призначена:

− для попередження викривлення свердловини;

− для формування циліндричного стовбура свердловини;

− для гасіння поперечних коливань, які збурюються роботою долота на вибої.

Конструктивні особливості калібраторів приводять до зміщення осі ОБТ відносно осі све­рдловини, внаслідок чого виникають сили пружної деформації, що діють на долото в перпен­дикулярному до осі свердловини напрямку. Так як ексцентричні контактні елементи мають більший радіу­с за радіус долота, то діаметр свердловини утворюється дещо більший за діаметр долота. Це позитивно впливає на формування циліндричного стовбура свердловини і зменшує термін робіт, пов’язаних з підготовчими роботами перед спуском обсадних колон.

При використанні КНБК з ексцентрич­ними перехідниками характер викривлення свердловини визначається статичними складови­ми бокової сили на долоті і його нахилом. Ексцентрич­ний перехідник може бути встановлений безпосередньо над долотом або вище (рис. 10).

&=А

ОБТ

6=8

Рисунок 9 − Схема КНБК з ексцентричними контактними елементами

1—долото; 2— калібратор; 3— ОБТ; 4— ексцентричний перехідник;

5—центратор; r—величина ексцентриситету

Рисунок 10 − Схема жорсткої КНБК з ексцентричним перехідником

При встановленні ексцентрич­ного перехідника безпосередньо над долотом діаметр свердловини в процесі буріння стає також дещо більшим.

Недоліком таких КНБК є це, що швидше зношується опора долота.