Раздел 1. Основные сведения и определения
Направленное и многоствольное бурение – это особая разновидность геологоразведочного бурения, необходимость в котором обусловлена непредусмотренным искривлением скважин, нередко весьма интенсивным, особенно при проходке твердых и особо твердых перемежающихся пород, залегающих на значительных глубинах, а многоствольное бурение – это способ снижения общего объема буровых работ на месторождении (или его участке) при улучшении, как правило, качества и надежности проходки скважин в заданные пункты разведочной сети.
В целом эффективность геологоразведочного бурения обусловлена выполнением следующих основных задач:
1. полнотой выхода керна горных пород по всему стволу скважины и рудному телу, для получения объективной геологической информации о месторождении;
2. отбором ориентированных кернов на заданных интервалах скважин для точного определения элементов залегания и структуры горных пород и месторождения в целом;
3. надежным проведением ствола скважины по заданному проектному направлению в определенный пункт разведочной сети или иного геологического задания.
Заданное направление скважины, т.е. ее направленное бурение, определяется двумя понятиями: траектория и трасса. Траектория (или ось) скважины – это непрерывная пространственная линия, которую описывает породоразрушающий инструмент, принятый за материальную точку, относительно определенной системы отсчета (координат). Трасса – это реальная ось скважины, изображаемая при построениях и составленная из отрезков прямых, длины которых определяются частотой (расстоянием) инклинометрических измерений ствола.
Системой отсчета, как правило, служит прямоугольная система координат, две оси которой X и Y лежат в горизонтальной плоскости и обычно ориентированы: ось X – на север, ось Y – на восток, а ось Z – вниз в вертикальной плоскости; все оси расположены друг к другу под прямыми углами; второй системой является полярная система координат, в которой положение любого отрезка ствола скважины определяется его длиной l, углом наклона η или зенитным углом θ (в вертикальной плоскости) и азимутальным углом α в проекции ствола скважины на горизонтальную плоскость.
Зенитным углом θ называется угол между осью скважины (или касательной к ней в данной точке) и вертикальной линией, проходящей через эту точку. Сумма углов θ+η=90°. Азимутальным углом (азимутом) α скважины называется угол между проекцией ее оси на горизонтальную плоскость (или касательной к ней в данной точке) и принятым ориентированным направлением с отсчетом по часовой стрелке. За ориентированное направление принимается магнитный или географический меридиан, или условное направление, координаты которого заранее известны. Угол α изменяется от 0 до 360°. Зенитной или апсидальной плоскостью называется вертикальная плоскость, проходящая через ось наклонной скважины. Проекцию оси скважины на вертикальную плоскость XZ называют профилем, а проекцию на горизонтальную плоскость XY – планом или инклинограммой.
Угол встречи γ оси скважины с рудным телом (пластом) – это угол, образующийся между осью скважины и плоскостью (поверхностью), ограничивающей рудное тело. Угол γ изменяется от 0 до 90°.
Скважины в процессе бурения, как правило, изменяют свое положение и искривляются либо в одной плоскости (изменяется только θ или α), либо в пространстве (изменяются и θ, и α). При этом, если зенитный угол увеличивается, это называется «выполаживание», если уменьшается – «выкручивание», а сами скважины – искривленными.
Интенсивностью (степенью) искривления i или кривизной оси скважины K называется количественное изменение значений угла, отнесенное к единице длины ΔL (ствола скважины). Тогда интенсивность зенитного и азимутального искривления
,
градус/м; (1.1)
,
радиан.м; (1.2)
,
м; (1.3)
при условии, что искривление равномерное, то есть происходит по дуге окружности.
При одновременном изменении зенитного угла и азимута происходит пространственное или общее искривление скважины, оно определяется по формуле:
, (1.4)
или при углах θ<15° по более простой формуле:
,
град (1.5)
где Δθ и Δα – приращение зенитного и азимутального углов на интервале ΔL, град; Δθср –– средний угол, град.
В общем случае любое непреднамеренное искривление скважин, происходящее из-за непостоянства физико-механических, структурных и других свойств горных пород и технологических факторов их бурения называется естественным искривлением скважин. Изменение положения ствола в пространстве при применении искусственных отклонителей или заданного изменения режимов бурения и компоновок колонкового набора называется искусственным искривлением [8, 9, 14].