Зависимость вида трасс скважин от геолого-структурных условий бурения

Бурение колонковых скважин осуществляется в разнообразных геолого-технических условиях (однородные и перемежающиеся породы разных категорий по буримости и твердости, от пологого до крутого залегания, массивные или сильнотрещиноватые и др.). В этих условиях проектирование трасс скважин не может быть единообразным и должно отвечать конкретным условиям данного месторождения.

Известно, что при пологом залегании пород более рационально выполнять вертикальное заложение скважин на дневной поверхности, а при крутом – наклонное. Это требование определяется необходимостью снизить общее искривление скважин и обеспечить пересечение зоны полезного ископаемого под углами, приближающимися к прямому (но не менее 35-40⁰).

При этом скважины могут иметь плоскостное или пространственное естественное искривление, характер которого определяется их закономерностями  ; расчет рациональной трассы (траектории) любой скважины должен выполняться при обязательном изучении и использовании последних.

Следует также иметь ввиду, что плоскостной или пространственный характер искривления скважин определяется главным образом геолого-структурными условиями конкретных месторождений и направлениями заложения скважин по отношению к простиранию пород на участке.

Плоскостное естественное искривление одноствольных и многоствольных скважин

В наиболее общем виде при вертикальном заложении скважин плоскостное естественное искривление одноствольных и многоствольных скважин возможно, когда геологический разрез представлен:

• сравнительно однородными породами, близкими по твердости и буримости;

• небольшой перемежаемостью пластов и толщ разных пород;

• пологим залеганием (до 25-35⁰) пород на значительных площадях (моноклиналь, пологие складки и т.п.);

• сравнительно постоянным, выдержанным простиранием пород;

• пологим (в т.ч. согласным) залеганием зоны полезного ископаемого;

При этом заложении разведочных линий – вкрест простирания пород, интенсивность искривления небольшая (в основном до 1-3⁰ на 100 м).

При наклонном заложении скважин плоскостное естественное искривление одноствольных и многоствольных скважин возможно, когда:

• породы от однородных изотропных и анизотропных до перемежающихся по составу и твердости;

• сравнительно постоянное, выдержанное простирание и падение пород;

• углы падения пород главным образом 30-35⁰ или более;

• сравнительно крутое залегание зоны полезного ископаемого (главным образом более 50⁰);

• заложение разведочных линий совпадает с направлением вкрест простирания пород (азимутальное искривление скважин в пределах до 10-15⁰ относительно направления вкрест простирания пород);

• интенсивность зенитного искривления сравнительно небольшая (не более 3-4⁰ на 100 м).

Пространственное естественное искривление одноствольных

и многоствольных скважин

При вертикальном заложении скважин пространственное естественное искривление одноствольных и многоствольных скважин наиболее возможно, когда геологический разрез представлен:

• пологозалегающими перемежающимися породами с изменяющимися углами падения и простирания;

• породами любого состава, разбитыми значительными системами трещин, выдержанными на больших площадях и с несовпадающими элементами залегания в сравнении с напластованиями;

• интрузивными столбообразными и другими телами большой мощности (азимутальное искривление в направлении вращения бурового снаряда);

• несовпадающими элементами залегания зоны полезного ископаемого с напластованиями пород, что вызывает заложение скважин часто не вкрест простирания пород;

• частыми несовпадениями направлений разведочных линий с направлением вкрест простирания вмещающих пород или основных систем трещин и т.п., заложение скважин по азимуту с опережением и др.;

• интенсивность зенитного и азимутального искривлений от небольшой до значительной (3-5 и более градусов на 100 м).

При наклонном заложении скважин пространственное естественное искривление одноствольных и многоствольных скважин возможно, когда в геологическом разрезе представлены:

• различные породы от сравнительно однородных анизотропных до сильно перемежающихся по составу и твердости слоев, пластов, толщ;

• углы падения пород от средних до крутых с непостоянным изменяющимся простиранием напластований и контактов по равным толщам, горизонтам, на разных глубинах, наличие стратиграфических несогласий и др.;

• в основном крутое (согласное или несогласное) залегание зоны полезного ископаемого (более 45-50⁰);

• несовпадение, как правило, направлений разведочных линий с направлением вкрест простираний разных толщ и горизонтов вмещающих пород и их основных плоскостей трещиноватости; заложение скважин по азимуту с опережением и др.;

• интенсивность зенитного и азимутального искривлений чаще значительная (5-7 и более градусов на 100 м).

При проектировании трасс (траекторий) направленных, в т.ч. многоствольных скважин необходимо, после изучения механизма и закономерностей их естественного искривления на каждом конкретном месторождении, осуществлять заложение скважин с таким расчетом, чтобы в максимальной степени снизить азимутальное искривление, а пространственное искривление скважин приблизить к плоскостному, особенно при бурении многоствольных скважин. Это значительно упростит не только проектирование, но и практическое проведение скважин в заданные пункты разведочной сети.

Методика проектирования трасс направленных и основных стволов многоствольных скважин практически одинаковы, в то время как проектирование дополнительных стволов – задача более сложная и должна решаться только применительно к конкретным геологическим условиям. В общем виде подход к проектированию трасс можно видеть из классификации способов направленного бурения, предложенной С.С.Сулакшиным (табл. ).

Проектирование трасс следует осуществлять с применением вычислительной техники типа ПЭВМ. Существует несколько методов проектирования трасс скважин, предложенных С.С.Сулакшиным, И.Н.Страбыкиным, И.М.Мельничуком, Ю.Т.Морозовым, Ю.Л.Михалкевичем, В.П.Зиненко и др.  . Эти методы, как правило, не учитывают закономерности искривления скважин. Решение геолого-технических задач по проектированию траектории направленных скважин изложено в справочных пособиях некоторых ВУЗов  , которые могут с успехом применяться на практике.

Общее решение задачи проектирования скважин рекомендуется осуществлять на основе разных методов их построения в зависимости от геологических условий конкретного месторождения и закономерностей искривления скважин, изложенных в классификации Ю.Т.Морозова   и включающих в себя метод вертикальных, типовых, комбинированных типовых, комбинированных и индивидуальных трасс (табл. ).

Такая методика проектирования трасс скважин с применением ПЭВМ и использованием их закономерностей естественного искривления и расчетом необходимого количества постановок отклоняющихся средств учитывает весь круг последовательных операций, необходимых для построения любых, в том числе наиболее сложных комбинированных и индивидуальных трасс. Под проектирование трассы направленной скважины следует понимать определение места ее заложения, зенитного угла и азимута начального направления в точке заложения, а также координат (углов) точек оси проектной трассы, которые обеспечат в конкретных геолого-технических условиях пересечение полезного ископаемого в строго заданной точке рудного тела и наилучшие технико-экономические показатели бурения. Заданные условия предопределяют необходимость использования при проектировании трасс закономерностей естественного искривления скважин, выявленных в результате вероятностно-статистического анализа их зависимости от геолого-технических условий бурения конкретного месторождения, например, по схеме рис. . Для выявления наиболее объективного виды и формы проектной трассы целесообразна следующая последовательность операций при изучении закономерностей естественного искривления скважин на изучаемом объекте:

• установление статистических связей между величинами их искривления и основными технико-технологическими параметрами и геолого-структурными условиями бурения (корреляционный анализ);

• нахождение формы выявленных связей и вычисление уравнений регрессии (регрессионный анализ);

• определение надежности выявленных связей, вероятности проведения скважин по установленной трассе и установление границ возможного разброса математического ожидания исследуемой корреляционной функции при заданной величине доверительной вероятности (расчет доверительного интервала);

• анализ выявленных закономерностей и выделение тех из них, которые наиболее целесообразно использовать при проектировании трасс скважин;

• определение оптимального варианта начальных параметров скважин: координат точки заложения, зенитного угла и азимута заложения;

• вычисление значений координат, зенитных углов и азимутов как функции ее глубины вида:

X = F(L); Y = F(L); Z = f(L);  = F(L);  = F(L) ( )

Представление проектной трассы в виде системы уравнений координат и угловых параметров точек ее оси или в табличной форме дает возможность производить количественное сравнение проектной и фактической трасс скважин, используя полученные аналитические выражения. Это исключает субъективную оценку пространственного положения бурящейся скважины и, кроме того, позволяет автоматизировать процесс проектирования и управления направленным бурением скважины. Вид и составляющие корреляционного и регрессивного анализов зависят от геолого-технических условий бурения на каждом конкретном месторождении. По геолого-техническим условиям бурения следует группировать месторождения (или их участки) по степени однородности состава слагающих их пород, анизотропии и перемежаемости отдельных горизонтов, толщ, слоев по углам и форме залегания вмещающих пород и другим признакам, что позволяет на основании этого с определенным приближением типизировать или классифицировать их на сравнительно однородные группы (табл. ). Основной целью такого обобщения и классификации является создание основы для их идентификации и обобщения закономерностей искривления скважин по геологическому разрезу в целом или по отдельным его толщам (слоям) на основании взаимодействия породоразрушающего инструмента с забоем скважины и формирования вида движения бурильной колонны и ее призабойного участка, а также общей динамики разрушения поверхности забоя и процесса искривления скважины, что определяет ее траекторию в пространстве. Именно на этом основании выявляется вид и форма фактических трасс скважин для последующего проектирования на их основе проектных трасс, обладающих близкой общностью или подобием  . Все выделяемые информационные признаки разделяются на группы, обладающие общими: а) качественными, б) качественно-количественными и в) функциональными связями. В таблице на основании подобного анализа показан ряд геологических разрезов месторождений, в пределах которых с определенной степенью вероятности можно предполагать образование естественно-искривленных трасс скважин определенного вида и формы, что позволяет выполнять:

• прогнозирование и создание математической модели пространственной трассы скважины как эталона для отдельных месторождений или толщ большой мощности, совпадающих по геолого-техническим условиям бурения;

• минимизацию материальных и трудовых затрат на искусственное искривление скважин, необходимых для качественного выполнения геологического задания;

• прогнозирование направления заложения и искривления скважины в процессе бурения;

• регулирование пространственного положения скважин на основании выявленных функциональных связей величины и направления их естественного искривления с основными геолого-техническими условиями бурения путем использования специальных технологических приемов без применения искусственных отклонителей;

• выбор наиболее рационального отклонителя и его эффективное использование.

При проектировании трасс направленных и многоствольных скважин на месторождениях с большим массивом первичной информации и последующими значительными объемами бурения расчеты следует производить с использованием ПЭВМ на основе документоносителей, методов информационного обеспечения программ и банка данных. Возможны два варианта проектирования трасс: при произвольной и фиксированной точке заложения скважины.

Первый вариант проектирования является наиболее простым, так как такая трасса в наибольшей степени соответствует естественному искривлению скважин в конкретных геолого-технических условиях, а строго установленной является только точка пересечения рудной зоны или иная заданная точка. Поэтому ограничения на параметры забуривания (координаты точки заложения, зенитный угол и азимут), как это требуется по второму варианту, рекомендуется накладывать только в необходимых случаях планового положения скважины на дневной поверхности и в рудной зоне, так как это увеличивает затраты времени и средств на искусственное искривление скважин, без применения которых снижается точность или становится невозможным подсечение рудного тела в заданный точке разведочной сети.

Методика проектирования трасс и проведения скважин по ним для обоих вариантов приведена в работах Ю.Т.Морозова и др., указанных в списке литературы  .

Наряду с изложенной методикой существуют другие варианты проектирования трасс (траекторий) направленных скважин, наиболее подробное изложение которых дано в учебных и справочных пособиях для студентов ВУЗов В.П.Зиненко, В.В.Кривошеева и С.С.Сулакшина  .