9.3. Методика и технология бурения направленных и многоствольных скважин

Рациональная организация направленного бурения для выполнения проектного геологического задания каждой скважиной предусматривает разработку и внедрение на конкретных геологических объектах целого комплекса технологических работ по контролю и регулированию пространственного положения скважин при их проведении по проектным трассам от точки забуривания до конечной глубины.

Основные работы по направленному бурению и регулированию кривизны скважин разделяют на два вида:

• искусственное искривление специальными отклонителями;

• регулирование искривления ствола скважины различными технологическими приемами и компоновками.

Методика и технология искусственного искривления скважин отклонителями непрерывного действия

Интенсивность искусственного искривления. При разработке методики выполнения цикла искусственного искривления необходимо, прежде всего, оценить и рассчитать длину и необходимый набор кривизны за цикл, и особенно удельную интенсивность в градусах на один метр бурения. Известно, что значительные интенсивности искривления скважин нежелательны по ряду причин, из которых основными являются следующие:

• увеличивается износ и обрывы бурильных и колонковых труб в условиях значительных знакопеременных нагрузок;

• увеличивается длина скважин а, следовательно, стоимость и время бурения при той же глубине;

• снижает вероятность сохранения проектной плотности разведочной сети.

Следует помнить, что при значительных интенсивностях искривления, те есть при значениях более 1 градуса на 1 м, любой отклонитель не вписывается в ствол скважины такого радиуса кривизны, работа отклонителя происходит при его значительном изгибе, а вращающего вала – в условиях знакопеременных нагрузок; все это может привести к обрывам валов и корпуса в наиболее ослабленных сечениях.

Степень износа и обрывы бурильных колонн в искривленных скважинах различны, что зависит от компоновки колонны, материала и геометрических размеров труб и их соединений; кроме того, в существенной мере износ и обрывы труб зависят от формы и степени перегиба ствола искривленной скважины, изменяющихся в зависимости от твердости, перемежаемости, трещиноватости пород.

В условиях высокооборотного скоростного бурения при интенсивном естественном и особенно искусственном искривлении скважин с резким перегибами стволов часты обрывы бурильных колонн в соединениях. В связи с этим допустимые нормы изгиба для бурильных труб различной конструкции должны различаться. Это определяет различие областей применения бурильных труб в зависимости от интенсивности естественного или искусственного искривления скважин на конкретном месторождении. Для обеспечения нормальной работы и выполнения конкретных задач с использованием труб различных конструкций необходимо, чтобы отклонители были снабжены системой регулирования набора кривизны на 1 м бурения.

Практика бурения показывает, что не каждое искривление скважины, превышающее предельную величину резкого перегиба ствола, приводит к обрыву труб и аварии. Так, при бурении скважин в мягких породах, благодаря интенсивности разработке их стволов, такой перегиб сглаживается за небольшой промежуток времени, не вызывая усталостного износа и обрыва труб. Резкий перегиб ствола при бурении в твердых породах, особенно высоких категорий по буримости (Х-ХII), может вызвать усталостный износ и обрыв труб при значительно меньшем числе циклов изгиба. Если обрыв не произошел непосредственно в интервале перегиба, то он может произойти позднее, ниже этого интервала.

При искусственном искривлении скважин (особенно буримых ССК и ЛТБ) отклоняющими снарядами клинового типа набор кривизны должен составлять не более 1,5-2,0 град., а интенсивность искривления не более 0,5 град/м. После расширения пилот-скважины (ее длина не 1,2-1,5) и бурения шарнирными компоновками типа СПИ, КФШ интервал должен быть тщательно проработан жесткой компоновкой до полной ликвидации перегиба. При использовании компоновок типа КПИИ с алмазными калибраторами КАНБ интенсивность искривления может быть увеличена до 0,8-1,0 град/м.

При искусственном искривлении скважин отклонителями непрерывного действия типа ТЗ, ОБС ОКГ, Кедр и др. набор кривизны также должен ограничиваться пределами 0,5-1,0 град/м с обязательной проработкой компоновками типа КПИИ, СПИ и другими до необходимого сглаживания перегиба ствола.

При применении бесклиновых снарядов ОБС, Кедр, у которых имеется специальный регулируемый узел, может устанавливаться более оптимальный набор кривизны (в пределах 0,7-1,2 град/м) так же с последующей проработкой ствола указанными компоновками.

Для обеспечения нормальной безаварийной работы длина отклонителя непрерывного действия l_о, и длина жесткого узла компоновки l_к для проработки интервала искусственного искривления могут устанавливаться на основе проверочных расчетов по формулам:

l_o = 2,83

l_o = 2,83

l_o =

_max  8 (D_c-d_o)/ l

R_min  l /[8(D_c – d_o)]

Где D_c, d_o – диаметры скважины и отклонителя, м

d_h, d_b – наружный и внутренний диаметр труб, м

_n – полное искривление, град

R – радиус кривизны, м

l_o – длина отклонителя, м.

Более детальные исследования и расчеты даны в справочных пособиях [ ].

Методика работ по искусственному искривлению скважин отклонителями непрерывного действия состоит в последовательном выполнении ряда операций:

- подготовительные работы;

- ориентация отклонителя на поверхности;

• спуск в скважину;

• ориентация в скважине, постановка и раскрепление на забое (для самоориентирующихся отклонителей типа Кедр, БНК, ОГМ, ОКГ операция исключается) ;

• бурение интервала искусственного искривления;

• подъем отклонителя из скважины;

• проработка интервала искусственного искривления компоновками.

Подготовительные работы включают подготовку скважины, бурильной колонны и отклонителя к выполнению цикла искусственного искривления, а также расчеты параметров искривления скважины. Подготовка скважины должна обеспечивать:

- калибровку ствола скважины до диаметра не менее номинала породоразрушающего инструмента с целью ликвидации возможных остановок отклонителя при спуске, ведущих к преждевременному раскреплению отклонителя и износу раскрепляющих роликов или других аналогичных узлов;

- уничтожение керна, оставшегося на забое, так как установка отклонителя на его поверхность может вызвать нарушение ориентации; калибровку ствола и уничтожение керна осуществляют полноразмерным долотом (с расширителем) сплошного забоя, которое используется с отклонителем; после проработки скважину промывают до полного удаления шлама с забоя.

Подготовка бурильной колонны заключается в проверке износа труб, герметичности соединений и соответствия внутреннего диаметра и соединений для свободного спуска ориентатора при необходимости (в колонну труб при подъеме колонны бросают металлический стержень длиной 1 м и диаметром, не менее диаметра применяемого ориентатора, соединенный с проводом длиной 15-20 м; его спуск до долота свидетельствует о возможности проведения работ по искусственному искривлению).

Подготовка отклонителей непрерывного действия – ОНД (например, ОБС, ТЗ, ОКГ и др. ) состоит в обязательной проверке:

• блокировки вала относительно корпуса;

• затяжки резьбовых соединений корпуса до упора (если резьбовые соединения навинчиваются до упора от руки, то такие детали подлежат замене);

• взаимного расположения роликов раскрепляющего и отклоняющего узлов отклонителей типа ОБС, которые должны быть развернуты относительно друг друга на 180⁰ (для регулировки применяются кольца, которые устанавливают выше отклоняющего узла);

• соответствия установленных ограничителей проектной интенсивности искривления на 1 м бурения;

• проходного отверстия вала ОНД и затяжки его резьбовых соединений и возможности свободного вращения вала в корпусе;

• соответствия наружного диаметра снаряда по всей его длине номинальному размеру.

После ориентации ОНД (см. главу 4) перед его спуском в скважину для обеспечения вписываемости низа бурильной колонны в интервал искусственного искривления непосредственно над отклонителем рекомендуется навинчивать бурильную трубу диаметром 42 мм длиной 3-4 м, затем подсчитывается общая длина колонны. Необходимо подобрать ее таким образом, чтобы при постановке последней бурильной трубы на подкладную вилку долото находилось от забоя не более чем в 0,5 м.

Спуск отклонителя в скважину во избежание преждевременного его раскрепления, износа или поломки роликов раскрепляющего устройства и других узлов следует производить плавно, без резких ударов; особо нужно обращать внимание на места изменения диаметров ствола скважины, на каверны, желоба и места установки стационарных клиньев.

Ориентирование отклонителя в скважине производится приборами КУРС, ОБ-13, УШО-15 и др., по методике, изложенной ранее, или самоориентирующимися устройствами, входящими в состав отклонителей типа Кедр, БНК и др.

Постановку ОНД на забой следует производить осторожно, с небольшой подачей и без вращения в соответствии с отметками ориентации и контролем, например, по специальной стрелке-указателю. При достижении забоя рекомендуется проверит замер, который должен совпадать с ранее вычисленным.

Технология искусственного искривления скважин показана ниже на примере ОБС.

Бурение интервала искусственного искривления – основная операция цикла; ее успех определяется квалифицированным проведением предшествующих операций и точным соблюдением требований и приемов технологии бурения отклонителями ОБС, ТЗ и др. с системой механического раскрепления. После постановки на забой ОНД создают осевую нагрузку на 2000-3000 даН для ОБС-76, до 2000 даН для ОБС-59 и 1500 даН для ОБС-46, что необходимо для врезания роликов раскрепляющего и отклоняющего узлов в стенки скважины. Через 1-3 мин осевую нагрузку необходимо снизить до 1500-1300 даН для ОБС-76, 1300-1100 даН для ОБС-59, а для ОБС-46 до 800-1000 даН и только после этого включать 1 скорость вращения бурового станка. Расход промывочной жидкости должен обеспечивать полную очистку забоя от шлама (25-40 л/мин), после бурения 10-15 см при отсутствии каких-либо нарушений процесса углубки осевая нагрузка увеличивается до оптимального значения, а частота вращения снаряда до максимально возможной в данных условиях. Выбирая режим бурения снарядами типа ОБС и др. конструкций, следует руководствоваться обеспечением оптимальной механической скорости в разбуриваемых горных породах, не превышать при этом рекомендуемых освевых нагрузок и частот вращения, чтобы предупредить преждевременный выход из строя вала отклонителя и упорных подшипников или проворот отклонителя. Так, рекомендуется поддерживать механическую скорость бурения в пределах 0,8-1,0 м/ч. При меньшей скорости интенсивность искривления может заметно увеличиться по сравнению с проектной и, наоборот, при скорости, большей 1,0 м/ч, возможно уменьшение проектной интенсивности.

Если в данных горных породах при допустимых режимных параметрах невозможно достичь оптимальной скорости бурения, необходимой для получения проектной интенсивности искривления, следует изменить зазор в отклоняющем узле для сохранения проектной интенсивности.

Для отклонителей с гидравлической системой раскрепления ОКГ, ОГМ процесс искусственного искривления значительно упрощен, обеспечивается большая его надежность, т.к. включение вращения вала отклонителя происходит над забоем и долото медленно опускается и устанавливается на забой при минимальной подаче и нагрузке. Этим обеспечивается снижение нагрузки на вал и увеличивается работоспособность отклонителей в целом. Далее режим бурения устанавливается для отклонителя типа ОКГ-76 таким же, как и для ОБС-76. Однако нужно иметь в ввиду , что насос должен быть включен постоянно, подача промывочной жидкости должна быть не менее 40 л/мин, а перепад давления внутри вала – не менее 8-10 даН.

Выбор породоразрушающего инструмента при бурении бесклиновым отклонителем имеет большое значение. Обычно бурение интервала искусственного искривления производится бескерновыми долотами: в породах IX-XI категорий по буримости – алмазными долотами типа АНД и ИДН (конструкции ЦНИГРИ); в породах V I-VIII – шарошечными долотами (конструкции СКБ, б. «Кировгеология», САИГИМС и т.п.). Для повышения фрезерующей способности шарошечных долот (которая вдвое ниже алмазных) и надежного сохранения диаметра ствола скважины в породах VIII – Х категории по буримости рекомендуется применять шарошечные долота в комбинации с алмазными коронками, расширителем или калибраторами иных конструкций, что обеспечивает калибровку ствола скважины и тем самым предохранит отклонитель от зависанием в зауженных интервалах. Для расширения и калибровки стволов рекомендуется применять совместно с долотами калибровочные алмазные расширители типа РСА или шарошечные расширители типа РША.

При использовании отклонителей ОКГ-76 применяются специальные утолщенные алмазные коронки КОКГ-76/31 с внутренним диаметром, равным 31 мм, что обеспечивает постоянный отбор керна на всем интервале искривления. На корпусе этих коронок на винтовом соединении крепится специальный алмазный расширитель РОКГ-76, который обеспечивает калибровку ствола скважины, а также увеличивает фрезерующую отклоняющую способность коронки при искусственном искривлении ствола. Конусный отклоняющий узел ОКГ обеспечивает его стабильный перекос с коронкой, что создает систему с опорой на три точки («коронка-отклоняющий узел (низ корпуса) – верхняя часть корпуса») и плавный набор кривизны по дуге окружности постоянного радиуса (аналогично конструкциям отклонителей типа ОБС и Кедр).

Технология проработки интервала искусственного искривления. Применение для проработки укороченных колонковых наборов нередко приводит к значительным вспомогательным затратам времени, большому расходу алмазов, может снизить скорость бурения, особенно при искривлении скважин, буримых ССК. В подобных условиях целесообразно применять калибрующие компоновки для проработки интервалов искривления КПИИ, основным рабочим органом которых являются алмазные калибраторы направленного бурения КАНБ (см. глава 4). КПИИ обеспечивает качественную проработку интервала искривления одновременно с углубкой скважины с минимальными дополнительными затратами времени и средств и позволяет расширить область применения снарядов ССК. Эффективность применения определяется их универсальностью, т.е. возможностью успешного использования с отклонителями различных конструкций: стационарными и съемными клиньями, отклонителями непрерывного действия. Особенно эффективно использование КПИИ с конусным узлом в нижней части (рис. ), что обеспечивает дополнительный равномерный набор кривизны в процессе проработки и углубки скважины.

Компоновка КПИИ состоит из отбурочного и калибрующего узлов. Отбурочный узел состоит из колонкового набора (породоразрушающий инструмент, колонковая труба и переходник) или конусного узла с бескерновым долотом с калибрующей алмазной коронкой и бурильной трубы диаметром 42 мм.

Большой опыт применения КПИИ и КЖК показали их высокую эффективность и стабильность набора кривизны. Размеры составных частей КПИИ зависят от типа применяемого отклонителя, проектной интенсивности, длины искусственного искривления и вида применяемой бурильной колонны. Для обеспечения эффективной и безаварийной работы КПИИ при проработке интервалов искусственного искривления необходимо соблюдать следующие условия:

• длина колонкового набора должна гарантировать его беспрепятственный спуск до забоя скважины;

• калибрующий узел компоновки в момент постановки набора на забой должен находится выше (или в начале) интервала работы отклонителя.

Длина колонкового набора зависит от фактической интенсивности искусственного искривления и составляет:

• для отклонителей непрерывного действия (ОБС, ТЗ, Кедр) при интенсивности искривления до 1,0; 1,0-2,0 и 2,0 град/м соответственно 1,0-1,5; 0,7-1,0 и до 0,7 м;

• для стационарных (КОС. КС) и съемных клиньев (СО, СКБ-АС, СНБ-КО) 0,3-0,7 м.

Калибрующий узел компоновки КПИИ-59 (76) рекомендуется составлять из двух (трех) калибраторов КАНБ-59 (76), соединенных между собой жестким патрубком, изготовленным из муфтовой заготовки 54(57)х13 (сталь 40ХН или 40Х с рекомендованной выше длиной). Уменьшение или увеличение его длины по сравнению с оптимальной может привести к некачественной проработке интервала искривления; в первом случае из-за улучшения вписываемости калибрующего звена, во втором случае- из-за возможности появления продольного изгиба соединительного патрубка.

Соединение калибрующего узла с бурильной колонной рекомендуется производить посредством бурильной трубы диаметром 42 мм стандартной длины (4,5 м), но не менее 1,5-2,0 м. При работе с КПИИ-59(76) с конусным узлом также применяются бескерновые алмазные или шарошечные долота как с компоновками типа КЖК-59 (46,76), интенсивность искривления определяется длиной конусной части патрубка. Длина рейса при бурении компоновками КПИИ должна обеспечивать прохождение калибрующего узла по всему интервалу искусственного искривления и выход из него. При бурении после отклонителей непрерывного действия длина рейса КПИИ должна быть не менее

l_р.к.  l_б.т. + l_к.н. + l_н.к. , м

где l_б.т. , l_к.н., l_н.к. – длины бурильной трубы, колонкового набора и нижнего калибратора, м.

Минимальные затраты времени и наибольшая эффективность при использовании компоновок КПИИ достигается, когда весь интервал искусственного искривления прорабатывается калибрующим узлом за один рейс с одновременной углубкой скважины отбурочным узлом. В связи с этим породоразрушающий инструмент для колонкового набора должен обеспечивать ресурс не менее рассчитанной длины рейса.

Режим бурения калибрующими компоновками КПИИ должен быть оптимальным для данного комплекса горных пород и применяемого породоразрушающего инструмента. Механическая скорость бурения не должна превышать 1,0-1,2 м/ч, чтобы происходило нормальное постепенное расширение ствола и не произошло расклинивание калибрующего узла КПИИ под действием осевой нагрузки в интервале искусственного искривления.

Наибольшему износу обычно подвергаются нижние алмазные кольца калибраторов. При обнаружении полного износа алмазосодержащего слоя одного или нескольких секторов нижнего кольца его следует поменять местами со средним (верхним) кольцом, что увеличит ресурс калибратов без снижения эффективности проработки нтервалов искривления.

После выполненного рейса компоновкой КПИИ-59 (76) не требуется дополнительной проработки интервала искривления после применения отклонителей любого типа.

В табл. приведена работоспособность калибраторов КАНБ по результатам их испытаний, а в табл. показана работоспособность компоновок различных конструкций.

Снижение ресурса алмазных калибраторов ниже средних значений наблюдается в трех случаях: при бурении высокоабразивных сильнотрещиноватых горных пород высокой твердости; при расширении резких перегибов стволов с поворотом по азимуту (2,0-3,0 град/м и более) в интервалах постановок ТЗ-73; при отбуривании от стационарных клиньев.

Методика и технология бурения многоствольных скважин

Поиски и разведка месторождений многоствольными скважинами представляет наиболее технически и экономически эффективный способ геологоразведочного бурения, так как обеспечивает выполнение геологического задания в результате сокращения объемов бурения, затрат времени и материальных средств при одновременном повышении качества проведения скважин по проектным трассам в заданные пункты разведочных сетей, а при бурении многоствольно-кустовых скважин также и повышение надежности подсчета запасов полезных ископаемых.

Бурение многоствольных скважин может осуществляться для выполнения широкого круга геологических задач, особенно эффективно бурение таких скважин при решении площадных геологических заданий, когда одна скважина выполняет разведку значительной площади рудного тела, обеспечивая наивысшую скорость выполнения задания. Для выполнения таких задач многоствольные скважины должны проектироваться и буриться по наиболее оптимальным проектным трассам, а забуривание и последующая проходка дополнительных стволов осуществляется на основе учета естественного искривления и технических средств, которые обеспечивают эффективный процесс бурения. Разработано несколько вариантов бурения многоствольных скважин.

Iметод («снизу-вверх»). Основной ствол бурится на предельную глубину для подсечения наиболее глубокозалегающего горизонта изучаемого объекта, а забуривание дополнительных стволов – для подсечения полезного ископаемого от нижних горизонтов к вышерасположенным. Геофизические исследования должны выполняться сразу же после окончания бурения каждого ствола.

Такая методика рациональна при проведении работ по сгущению разведочной сети, например, при переходе предварительной разведки к детальной и повышению категорийности запасов полезного ископаемого; она наиболее рациональна для разведки пологозалегающих пластов, крутопадающих зон сравнительно выдержанных по мощности на значительные глубины столбообразных, штокверковых и тому подобных тел и др.

II метод («сверху-вниз»). Осуществляется бурение основного ствола скважины до определенной глубины, на которой в результате резкого искривления забуривается первый дополнительный ствол для подсечения верхнего горизонта рудного тела. Далее продолжается бурение основного ствола до следующего интервала и на этой глубине забуривается второй и последующие дополнительные стволы, в том числе и из ранее пробуренных дополнительных стволов. По этой схеме осуществляется изучение промышленной минерализации по глубине ее распространения от верхних к нижним, а также в параллельных геологических разрезах, с сохранением геологического принципа последовательности разведки месторождений от изучаемого к неизвестному, что позволяет прекратить бурение скважины в случае выклинивания рудной зоны.

При этом методе основной ствол остается свободным, что позволяет выполнять весь комплекс последующих геофизических исследований в процессе бурения каждого ствола.

Методика рациональна для поисков и разведки месторождений, имеющих сложное строение зоны полезного ископаемого: непостоянную, изменчивую мощность, крутое падение (более 40-50%), значительную протяженность по глубине, неравномерное содержание полезного ископаемого в изучаемом объекте и неравномерное распределение полезного компонента в блоках промышленного содержания и др.

III метод («параллельный»). Основной ствол буриться параллельно крутопадающей рудной зоне с висячего или лежащего бока, а дополнительные стволы из него по I или II методу, в том числе с переводом по азимуту на 180⁰ (впервые опробован в Центральном Казахстане и в Норильском районе).

Технологические схемы, последовательность операций по этому методу иллюстрируют рис. :

1 Спуск пробки на интервал раскрепления.

2 Раскрепление пробки под давление промывочной жидкости (20-30 кгс/см²).

3 Дополнительное раскрепление пробки под действием веса колонны и усилия гидравлики станка до 2000-3000 даН в зависимости от диаметра ПЗ.

4 Отсоединение и подъем гидропривода.

5 Спуск в скважину отклоняющего стационарного клина В.

6 Установка клина на пробку-забой, раскрепление его в скважине, срезание заклепок, подъем колонны из скважины.

7 Спуск колонны Г, забуривание дополнительного ствола многоствольной скважины.

Отбуривание от клина КОС более рационально осуществлять компоновками КПИИ, СПИ и др., что сокращает количество операций в цикле забуривания дополнительного ствола до 1-2 и снижает затраты времени и расход алмазов (рис. ).

Существуют несколько бесклиновых методов забуривания дополнительных стволов извлекаемыми отклонителями:

• от искусственного неметаллического забоя;

• методом резкого перегиба ствола с естественного забоя;

• бурением направляющего ствола уменьшенного диаметра;

• забуривание при расширении скважины в анизотропных породах.

Зарезание дополнительного ствола от неметаллического забоя целесообразно из ранее пробуренной скважины по методу «снизу-вверх». Метод наиболее эффективен в породах средней твердости и в скважинах со значительной разработкой и кавернозностью стволов, в которых установка стационарных клиньев затруднена или невозможна. С этой целью в скважине создается высокопрочная пробка-забой, например, на основе специальной цементации или заливки компаунда на основе синтетических смол (эпоксидной, карбамидной). Параметры такого забоя должны приближаться по твердости к вмещающим горным породам. В затвердевшем материале забоя забуривается центрированной компоновкой пилот-ствол для размещения в нем отклонителя, а затем производится интенсивное искривление в требуемом направлении.

Метод резкого перегиба ствола с естественного забоя применяется при бурении многоствольных скважин «сверху-вниз». В этом случае трасса проектируется таким образом, чтобы бурение основного ствола до определенной глубины производилось с невысокой интенсивностью. На этой глубине с помощью отклонителя непрерывного действия ствол резко искривляется для обеспечения значительного его отклонения от основного направления скважины.

Рекомендуется осуществлять проработку интервалов резких перегибов компоновками типа КПИИ, чтобы ликвидировать резкие перегибы и предотвратить разрушение бурильной колонны при последующем бурении. Максимальный радиус искривления должен быть:

R_min  м,

Где D_c - диаметр скважины,м

d_o l_o – диаметр и длина отклонителя, м

После проработки компоновкой КПИИ, КЖК или СПИ, этот участок должен представлять равномерно искривленный интервал с интенсивностью до 1,0 град. на 1 м.

При применении конкретных типов бесклиновых отклонителей их длина при данной интенсивности искривления, обеспечивающая безаварийную работу, составит:

l₀ = 2,83 м,

где t - врезание боковой поверхности долота в стенку скважины, м.

После завершения бурения дополнительного ствола и выполнения им геологического задания продолжается бурение основного ствола. Для этого по данным кавернометрии определяется диаметр скважины в интервале перегиба, рассчитывается длина и собирается жесткий колонковый набор с коронкой (долотом), имеющей удовлетворительное обнажение наружных подрезных резцов; набор опускается в скважину и производится забуривание стенки скважины в этом интервале. Если остановки компоновки на рассчитанной глубине не произошло, то набор следует извлечь из скважины, поставить центраторы и опустить вновь. Забуривание следует производить с незначительной осевой нагрузкой и подачей снаряда, после образования ступеньки величиной более 0,5 диаметра коронки нагрузка последовательно увеличивается.

Жесткий снаряд рекомендуется собирать из УБТ и ниппельной заготовки или использовать компоновки типа технологических снарядов конструкции «Сосновгеологии», ДО ИМР, ВКПГО и других (рис. ). Более надежно выпрямление обеспечивается при цементировании дополнительного ствола с засыпкой щебнем.

Забуривание основного ствола упрощается, если есть возможность бурения дополнительного ствола инструментом меньшего диаметра.

В некоторых случаях успешным оказывается метод, при котором на забое основного ствола предварительно забуривается пилот-ствол (глубиной 3-5 м) на один-два размера меньше по сравнению с диаметром основного ствола. Затем от забоя основного ствола при сохранении диаметра забуривается дополнительный ствол. После его окончания на интервал основного забоя опускается ступенчатая компоновка, ее направляющая часть должна соответствовать диаметру пилот-ствола меньшего диаметра (длина колонковой трубы не менее 1 м), а основной корпус – диаметру основного ствола. После тщательной промывки забоя ступенчатая компоновка с направляющей опускается с вращение и небольшой нагрузкой и подачей в пилот-ствол и осуществляется бурение по первоначальному направлению ствола на интервале не менее 2-3 м.

Забуривание нового ствола при расширении скважины применяется в случаях, когда естественное искривление скважин благоприятно для забуривания нового направления. Для этого на предполагаемом интервале забуривания ствола следует произвести смену породоразрушающего инструмента на меньший диаметр и отбурить пилот-ствол, а затем расширить ствол коротким колонковым набором.

Технологические приемы и технические средства для управления процессом направленного бурения

Приемы регулирования кривизны скважины изменением параметров режима бурения

При бурении направленных скважин необходимость изменения интенсивности их искривления может возникать в двух противоположных случаях: интенсивность естественного искривления скважин может быть меньше или больше проектной. В соответствии с этим и технологические приемы регулирования кривизны скважин будут различаться.

Использование технологических методов регулирования кривизны скважин рациональны во всех случаях, когда обеспечивается не только полное, но даже и частичное выполнение поставленной задачи, так как в последнем случае это позволяет снизить число постановок отклонителей, то есть затраты времени и средств на эти работы.

Применение комплекса технологических методов основывается на регулировании процесса бурения, который как объект управления является сложной недетерминированной системой, работающей в условиях множества неуправляемых факторов. В такой системе значениям входных параметров (например: , N, Q, длина и диаметр компоновки: длина, диаметр центратора и расстояние между ними и т.п.) отвечают нестрого определенные значения выходных параметров (в данном случае приращения величин зенитных углов и азимутов на единицу длины скважины). В связи с воздействием множества неуправляемых и непредвиденных факторов (например: различная степень изгиба гибкой бурильной колонны создает нестабильность параметров , N, Q; неизвестны износ труб, центраторов; изменение физико-механических свойств горных пород, их трещиноватость, углы встречи и т.д.) выходные параметры не являются достаточно точными. Так, рост осевой нагрузки вызывает дальнейший изгиб бурильной колонны и колонкового набора, а при наличии в скважине некоторой кривизны (естественной, искусственной) изогнутое положение колонкового набора будет вызывать дальнейшее искривление скважины в том же направлении с интенсивностью, зависящей от режима бурения, жесткости колонны и величины продольно-поперечного изгиба колонковой трубы из-за зазора, который существует между стенками скважины и трубой.

Таким образом, для снижения интенсивности искривления следует повышать жесткость колонковых наборов и снижать осевую нагрузку, что не всегда рационально, так как при этом снижается скорость бурения. Вместе с тем рациональное сочетание частоты вращения колонны с определенной нагрузкой обеспечивает снижение интенсивности искривления скважин при одновременном увеличении механических скоростей бурения. Например, известно, что при уменьшении диаметров бурения интенсивность искривления скважин, при прочих равных условиях, увеличивается. Однако опыт показывает, что во всех случаях, когла бурение ССК-46 осуществляется на более высоких частотах (600-1000 мин^-1) по сравнению с бурением ССК-59 (460 мин^-1) и когда механическая скорость бурения ССК-46 в 1,5-2,0 раза выше, чем у скважин, буримых ССК-59, интенсивности зенитного и общего искривления у скважин, буримых ССК-46 и ССК-59, либо равны, либо для ССК-46 они меньше.

Таким образом, при пересечении анизотропных, перемежающихся пород на изгиб колонкового набора и его стабилизацию в изогнутом положении большое значение имеет время прохождения контактов, при этом сокращается также влияние изгибающего момента на колонковый набор и при снижении этого времени даже более гибкая колонна обеспечивает снижение интенсивности искривления скважины.

При бурении на более глубоких горизонтах (более 400-600 м), когда частота вращения (и механические скорости) при использовании обеих колонн сблизились, интенсивность искривления скважин, буримых ССК-59, снизилась в 2,0-2,9 раза по сравнению со скважинами буримыми ССК-46. Сближение механических скоростей бурения и времени прохождения контактов анизотропных пород колоннами различной жесткости свидетельствуют о сильном влиянии геологических условий на изгиб менее жесткого колонкового набора ССК-46 и увеличение интенсивности искривления скважин.

При бурении рассланцованных гранито-гнейсовых комплексов пород, характеризующихся средней интенсивностью искривления примерно 3-5⁰ на 100 м, по опыту зарубежных фирм, следует: в равных условиях бурение скважин диаметром 46 мм с ЛБТ и двойными тонкостенными трубами, в сравнении с колонной ССК-46, характеризуется меньшей примерно в 1,5 раза интенсивностью. Это объясняется тем, что ЛБТ позволяют осуществлять бурение с меньшими осевыми нагрузками и более высокими частотами вращения (до 1500-2000 мин^-1), обеспечивающими значительные механические скорости бурения.

Зарубежные фирмы (США, Канада, Финляндия и др.) для корректировки сравнительно небольших отклонений рекомендуют метод «низкая нагрузка – высокие числа оборотов колонны». При этом для повышения скоростей бурения целесообразно рекомендовать очистку забоя от шлама с использованием воздушной продувки и ГЖС. Осуществление большого гидростатического давления на породы забоя позволяет осуществлять эффективное бурение со значительно меньшими осевыми нагрузками.

Фирмы Кристенсен, Лонгир и др. рекомендуют алмазный инструмент, конфигурация породоразрушающей матрицы которого предусматривает его самостабилизацию при бурении. Конструктивно это выражается в наличии в центральной части долот выступающего конуса с наклоном под углом 40⁰ или применению ступенчатых коронок различных модификаций. Это обеспечивает центрирующий эффект, удерживающий долото (коронку) от бокового смещения, в результате последовательного прохождения контакта пород направляющим конусом при центрировании основного корпуса, а затем основным корпусом при его удержании конусом.

Перспективным являются выбор ширины и формы торца алмазных коронок, что влияет как на механическую скорость, так и на снижение инстенсивности искривления скважин.

Приемы предупреждения и стабилизации кривизны скважин

Предупреждение или сокращение интенсивности искривления скважин должно основываться на предотвращении возможности:

а. Изгиба компоновки колонкового набора;

б. Вращения его нижней изогнутой части вокруг собственной оси, не совпадающей с осью скважины.

Совмещение оси колонкового снаряда с осью скважины достигается постановкой центраторов в вершинах полуволн колонкового набора. В этом случае нижняя часть колонковой трубы при тех же параметрах режима бурения сохранит свою прямолинейность, а центратор резко сократит возможный угол перекоса этой части трубы от оси скважины, что приведет к снижению интенсивности искривления скважин. Так, при использовании центрированных компоновок (центраторы устанавливаются в вершинах полуволн на расстоянии 2,2-2,6 м для диаметра 73 мм и 1,9-2,3 м для диаметра 57 мм) интенсивность искривления скважин заметно снижается: при бурении протяженных интервалов (до 200-250 м) диаметром 76 мм интенсивность зенитного искривления находилась в пределах 1 град. на 100 м в сравнении со стандартной нецентрированной компоновкой, когда она составляла 3-5 град. на 100 м, в том числе при бурении нецентрированной удлиненной компоновкой (5,2-7,3 м) изменение зенитного и азимутального углов составило соответственно до 3,5 и 12 град. на 100 м.

Более эффективна работа специальных центрирующих колонковых наборов, в том числе для ССК и она тем более значительна, чем более совершенна конструкция, правилен выбор мест установки центраторов в компоновке, размеров центраторов и жесткости их соединений с колонковой трубой. Разработано несколько вариантов вполне эффективных компоновок (см.главу 4).

Центрирующие колонковые наборы ССК конструкции ВИТРа разработаны в нескольких модификациях, описание которых приведено в главе 7.

Выбор центрированного или иного колонкового набора рекомендуется осуществлять, исходя из характера естественного искривления скважин, а для конкретных геологических констукция, состав центрирующих колонковых наборов, расстояния между центраторами должны уточняться в зависимости от режима в ходе внедрения компоновок.

Отличительными особенностями центрирующих наборов ВИТР (рис. ) является увеличение наружного диаметра центраторов (59,2 0,1 мм и 42,60,1 мм) и длины релитовых наплавок (до 170 мм), снижение кривизны набора до 0,2 мм/м и несоосности резьбовых соединений центраторов и колонковых труб (не более 0,2 мм). Компоновки ЖК-2 (ЖК-840-7), ЖК-3 и ЖК-5 ("Востказгеология") обеспечивают снижение не только интенсивности зенитного и азимутального искривления в 2-3 раза по сравнению с нецентрированными колонковыми наборами ССК, но и количество осложнений и аварий в неустойчивых породах.

Компоновка ЖК-3 и ЖК-5 более эффективны в горных породах VIII-IX категорий по буримости; ЖК-2 (ЖК-840-7) предпочтительно применять в геологическом разрезе с породами Х категории и включениями более твердых пород. Многочисленные практические примеры свидетельствуют о рациональности применения подобных компоновок.

Компоновки ЖК-3 и ЖК-5 (рис. ) состоят из алмазной коронки, центратора, стабилизатора, трубы профилированной, расширителя алмазного, центратора твердосплавного, трубы керноприемной, переходника-центратора и переходника релитового верхнего. Между центраторами ставится колонковая труба диаметром 56 мм и длиной 1900 мм. Наружные поверхности твердосплавных центраторов покрыты износостойким твердосплавным материалом (релит или сормайт). Надкороночный твердосплавный центратор должен иметь размер лишь на 0,1-0,2 мм меньше диаметра коронки, а остальные центраторы соответствовать диаметру алмазного расширителя (59,4-0,1 мм).

Компоновка ЖК-2 (ЖК-840-7) состоит из нижнего комбинированного центратора (коронки, алмазный расширитель, твердосплавный центратор), который профилированной трубой соединяется со средним комбинированным центратором (твердосплавный центратор, алмазный расширитель). Труба длиной не более 2 м имеет нечетное количество граней. Средний центратор соединяется с верхним центратором (твердосплавный центратор, алмазный расширитель) колонковой трубой ССК длиной 1900 мм диаметром 56 мм. Направлением работ по усовершенствованию жестких компоновок является повышение их стойкости и работоспособности. Обобщенная классификация разных технических решений выполнена В.В.Нескоромных (табл.9.5.), а схемы основных конструкций компоновок приведены на рис.

В тех случаях, когда известны интервалы скважин, геологическое строение которых обуславливает их искривление, целесообразно применять центрирующие компоновки за 10-20 м непосредственно перед разбуриванием этих интервалов. Центрирующие компоновки ССК рекомендуется применять сразу после крепления устья скважины и с начала бурения комплексом ССК.

Оптимальные нагрузки для достижения минимальной интенсивности искривления при ССК-46 должны составлять не более 400-500 даН и при ССК-59 – 600-700 даН. Одновременно рекомендуется вести бурение на максимально высоких частотах вращения.