книги из ГПНТБ / Григорян, Н. А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров

потока не превышали определенных величин, которые вытекают исходя из градиента давления разрыва пласта. Эти вопросы осве­ щены в работах [54, 63, 64] и др.

Качество промывочной жидкости оказывает значительное влия­ ние на энергетическую характеристику турбобура. Исследования показывают, что энергетические параметры турбобура существенно зависят от реологических свойств промывочной жидкости. Установ­ лено, что пропорциональная зависимость перепада давления и вращающего момента на валу турбобура от удельного веса про­ мывочной жидкости, согласно теории турбич Эйлера, а также не­ зависимость числа оборотов и к. п. д. турбобура от удельного веса промывочной жидкости сохраняются лишь в пределах удельного веса ее до 1,50— 1,55 гс/см3, структурной вязкости до 0,20—0,25 Пз и динамического напряжения сдвига до 250—270 дин/см2. С уве­ личением удельного веса жидкости выше 1,55 гс/см3 перепад дав­ ления в турбобуре значительно возрастает, вращающий момент увеличивается, но не пропорционально росту удельного веса, а в меньшей степени. При этом число оборотов и к. п. д. турбобура существенно снижаются.

От правильного проектирования режимов бурения и учета кон­ структивных особенностей применяемых долот во многом зависят показатели бурения наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров.

Практика бурения показывает, что с уменьшением диаметра долота механическая скорость проходки возрастает. При этом проходка за рейс зависит от характера воздействия на породу при­ меняемого долота. Она уменьшается в случае бурения шарошеч­ ными долотами и увеличивается при использовании алмазных и лопастных. В первом случае это объясняется тем, что, помимо тех­ нической причины (снижения стойкости опоры и вооружения в ре­ зультате уменьшения их геометрических размеров) возникают и технологические причины. При работе с турбобурами уменьшен­ ных и малых диаметров скорости вращения и удельные осевые нагрузки выше, чем при бурении с долотами нормального диаме­ тра. Повышение скорости вращения и осевой нагрузки снижает долговечность подшипников опоры долота.

Увеличение проходки с уменьшением диаметров алмазных и лопастных долот следствие как уменьшения пути резания за каж­ дый оборот инструмента пропорционально диаметру долота, так и улучшения очистки забоя и долота от частиц выбуренных пород, а также лучшего охлаждения долота.

Если при бурении вертикальных скважин проходка за один рейс предопределяется стойкостью долота, то в процессе проходки наклонных скважин на нее влияет также состояние профиля ствола. Иногда при работе с отклонителем ввиду расхождения фактических параметров искривления ствола с проектными огра­ ничивают проходку, поэтому долото поднимают с забоя несрабо­ танным (под замер инклинометром и т. д.).

20

Один из путей уменьшения расхода долот и соответственно времени спуско-подъемных операций при наклонном бурении со­ кращение интервала бурения на отклонителе. Для этого необхо­

искривления, а в интервале бурения на прямой трубе обеспечить стабилизацию достигнутых угла и азимута искривления скважины.

В процессе проектирования профиля наклонных скважин и вы­ боре интенсивности искривления ствола необходимо для каждого

колонны диаметром 299 мм и более обычными УБТ наиболее жест­ ким элементом является обсадная колонна. Если бурят с при­ менением УБТС или СУБТ, диаметром 229 мм и более, то они и являются наиболее жесткими элементами. В остальных случаях и при бурении под эксплуатационную колонну наиболее жесткий элемент — забойный двигатель. Следовательно, выбор допустимого приращения искривления ствола для отдельных участков сква­ жины следует производить учитывая жесткость этих элементов.

В зависимости от состояния техники и технологии бурения про­ ходка наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров мо­ жет быть осуществлена по двум основным вариантам.

I вариант. При проходке наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров искусственное искривление ствола в заданном направлении, т. е. применение отклоняющих приспособлений, осу­ ществляется в верхних интервалах в процессе бурения под кондук­ тор или промежуточные колонны долотами большого или нормаль­ ного диаметров. Дальнейшее бурение долотами уменьшенного или малого диаметров производится на прямой трубе или с примене­ нием стабилизирующих приспособлений.

II вариант. При проходке наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров искусственное искривление ствола, т. е. приме­ нение отклоняющих приспособлений, осуществляется, помимо уча­ стков большого и нормального диаметров, также на участках сква­ жины уменьшенного и малого диаметров.

Первый вариант проходки наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров сравнительно более доступный. Он может ис­ пользоваться при недостаточном совершенстве техники и техноло­ гии бурения с отклоняющими компоновками уменьшенных и малых диаметров, в процессе проходки глубоких и сверхглубоких наклон­ ных скважин. На больших глубинах, ввиду многоколонности кон­ струкции скважин и наличия на нижних участках стволов умень­ шенных и малых диаметров, поддержание параметров искривления ствола значительно легче, чем их искривление в заданном направ­ лении.

Осуществление второго варианта требует достаточной освоенно­ сти техники и технологии бурения с отклоняющими компоновками

21

уменьшенных и малых диаметров. Он может применяться при про­ ходке неглубоких наклонных скважин одноколонной конструкции, а также в глубоких и сверхглубоких наклонных скважинах, когда вследствие изменения параметров искривления ствола дальнейшее продолжение бурения скважины с использованием прямой трубы невозможно.

Снижение зазора между стенками скважины и забойным дви­ гателем уменьшает возможное приращение искривления ствола в случае бурения с отклонителем и интенсивность падения угла наклона и изменения азимута ствола при бурении на прямой трубе.

Изменение диаметра ствола наклонных скважин

При бурении нефтяных и газовых скважин в зависимости от физико-механических свойств проходимых пород и ряда техниче­ ских и технологических факторов фактический диаметр скважины может существенно отличаться от диаметра используемого долота. Установление характера изменения диаметра скважин имеет боль­ шое значение в деле проектирования профиля наклонных скважин, отклоняющих и стабилизирующих приспособлений, производства цементировочных работ и т. д.

Н. И. Шацов [76] отмечает, что увеличение диаметра ствола зависит главным образом от горизонтальной составляющей осевой нагрузки и возможности размыва стенок скважины. С ростом во­ доотдачи и удельного веса промывочной жидкости, а также ско­ рости потока в затрубном пространстве, повышается опасность размыва стенок скважины при циркуляции жидкости.

М. К- Сеид-Рза [64] указывает, что в ряде случаев изменение диаметра скважины может происходить в результате нарушения целостности ее ствола, причинами которого являются: трещинова­ тость пород, проникновение в породу фильтрующейся из глини­ стого раствора воды, механическое воздействие на породу, слабая связь между частицами породы и остаточные тектонические напря­ жения в них.

Сужение ствола скважины происходит в результате набухания глин (упругая деформация глин), налипания толстых корок к стенкам скважин и вытекания или ползучести, представляющих собой вязкопластичное течение глин. Эти явления в дальнейшем могут стать причинами затяжек и посадок бурильной колонны, за ­ клинивания долота и т. д.

В работе [62], где приведены результаты анализа кавернограмм 120 скважин, пробуренных на месторождениях Азербайджана, Туркмении и Таджикистана, указывается, что независимо от усло­ вий бурения, против песчанистых (проницаемых) пород наблюда­ ется сужение стволов, а против глинистых (практически не прони­ цаемых)— образование каверн. Исключение составляют только рыхлые водонасыщенные пески и нефтеносные породы, которые также склонны к расширению ствола. При этом отмечается, что

22

основной причиной образования каверн и сужений является физи­ ко-химическое воздействие промывочной жидкости на проходимые породы.

Увеличение диаметра скважины может происходить также под действием контактного давления изогнутого низа колонны буриль­ ных труб на стенки скважины в сочетании с вибрацией, возникаю­ щей вследствие работы долота на относительно твердом забое.

Указанные причины изменения диаметров скважины и наруше­ ния целостности ствола выявлены на основе анализа кавернограмм вертикальных скважин. Они сохраняют свою силу и при проходке наклонных скважин. Вместе с тем специфика бурения наклонных скважин такова, что она создает дополнительные причины, увели­ чивающие изменение диаметра скважин и нарушение целостности их ствола. Эти причины возникают вследствие наклонного распо­ ложения их стволов, применения отклоняющих приспособлений и стабилизаторов кривизны, более широкого диапазона встречи ство­ лов скважин с проходимыми пропластками и горизонтами и т. д.

Для изучения характера изменения диаметра ствола наклонных скважин проанализированы кавернограммы 40 наклонных сква­ жин, пробуренных долотами различного диаметра на площади Нефтяные Камни. Анализ кавернограмм показал, что при бурении наклонных скважин на месторождении Нефтяные Камни значи­ тельные участки стволов характеризуются расширениями, имею­ щими не локальный характер, а по своей протяженности занимаю­ щими значительный участок ствола, намного превышающий длину

(рис. 1,с), диаметр которых несколько больше диаметра долота, использованного при бурении соответственно под направление и промежуточную колонну. Это является результатом недопуска на­ правлений и технических колонн до забоя, а при их цементировке цементный раствор или не заполняет полностью пространство между забоем и башмаками указанных колонн, или в процессе вскрытия башмака цементный камень разрушается с образованием уширений.

Такие местные расширения или каверны под башмаками тех­ нических колонн, когда ствол скважины на этих участках искрив­ ленный, иногда являются причинами остановок геофизических при­ боров в процессе электрометрических измерений. Поэтому прихо­ дится в таких случаях замеры ^инклинометром осуществлять через бурильные трубы («голый конец»). Во избежание таких нежела­ тельных явлений спуск направления и технических колонн надо производить до забоя, или же максимально сократить высоту та­ ких карманов.

Сопоставление кавернограмм показало, что в большинстве слу­ чаев диаметр скважин, пробуренных в направлении падения пла­ стов, больше, чем при бурении по восстании пластов. В качестве

23

примера на рис. 1,6, в приведены кавернограммы скв. 913 и 866, пробуренных долотом диаметром 214 мм в одинаковых условиях куста скв. 503, но в разных направлениях — соответственно по вос­ станию и по падению пластов.

Такое явление А. Г. Калинин [32] , Ю. Т. Морозов [56] объяс­ няют изменением скорости разрушения пород забоя и стенки сква­ жины в различных направлениях встречи долота с плоскостью

Рис. 1. Кавернограммы:

а — скв. 946; 6 — скв. 913; в — скв. 866

напластования. Если при бурении по восстанию пластов скорость разрушения забоя максимальная, а скорость разработки стенки скважины — минимальная, то при бурении по падению пластов имеет место обратная картина.

Для изучения динамики изменения ствола скважины во вре­ мени в скв. 1551, 1098, 946 и 1511 были проведены повторные за ­ меры каверномером соответственно через 3, 7, 8 и 20 дней после первого замера каверномером. В качестве примера на рис. 2 при­ ведена совмещенная кавернограмма двух замеров для скв. 1511.

Анализ полученных кавернограмм показал, что как при пер­ вом, так и при втором замерах каверномером сужение стволов в скв. 1551, 1098, 946 и 1511 отсутствует. Всеми этими скважинами вскрыта балаханская свита, «перерыв» и НКХ, а в скв. 1551 также НКП и в скв. 1098 — КС, ПК и КаС.

Сопоставление кавернограмм показало, что если среднее зна­ чение коэффициента уширения ствола т (отношение диаметра

24

скважины к диаметру долота) при первом замере колеблется в пределах 1,05н-1,09, то при втором замере оно колеблется в пре­ делах 1,10-5-1,18.

В результате анализа кавернограмм установлено, что среднее значение коэффициента уширения т колеблется в процессе буре­ ния 394-мм долотом в пределах 1,04-5-1,13; 346-мм долотом —

1,04-М,15; 243-мм долотом— 1,05-5-1,18 и 214-мм долотом— 1,08-5- -М,20. Максимальные значения коэффициентов уширения ствола на участках локальных расшире­ ний длиной не менее 10. м состав­ ляют: при бурении 394-мм доло-

Из приведенных данных сле­ дует, что с уменьшением диа­ метра наклонных скважин значе­ ние коэффициента уширения ство­ ла увеличивается, а абсолютное значение этого уширения снижа­ ется.

При оценке влияния измене­ ния диаметра скважины, по срав­ нению с диаметром долота, на процесс проводки наклонных сква­ жин следует иметь в виду, что это изменение может происходить

вдва этапа.

Кпервому этапу следует от­ 000

вочной жидкостью стенки скважины в процессе бурения, влияния утечки промывочной жидкости через ниппель турбобура и т. д.). Увеличение диаметра скважины в первом этапе влияет на напря­ женное состояние низа бурильной колонны с отклонителем, а сле­ довательно, и на величину отклоняющей силы, и на процессы ис­ кривления ствола скважины при асимметричном разрушении забоя и фрезерования стенки ствола, на работу компоновки со стабили­ затором кривизны и т. д.

Ко второму этапу изменения диаметра скважины по сравнению с диаметром долота (увеличение и уменьшение) относятся изме­ нения, связанные с фактором времени и с нарушением целостности

25

ствола скважины (под действием контактного давления изо­ гнутого низа колонны бурильных труб на стенки скважины в соче­ тании с вибрацией, возникающей вследствие работы долота на забое; влияния восходящего потока промывочной жидкости; фи­ зико-химического взаимодействия между глинистым раствором и его фильтратом и породами, слагающими стенки скважины; желобообразования при спуско-подъемных операциях бурильной ко­ лонны и т. д.). Изменение диаметра скважины во втором этапе должно быть учтено в процессе производства цементировок обсад­ ных колонн, установки цементных мостов, зарезки вторых стволов и т. п.

Отмеченное обстоятельство является одной из основных причин изменения интенсивности искривления ствола на различных участ­ ках скважины и при различных направлениях бурения относи­ тельно структуры месторождения в случае работы отклоняющими компоновками, а также различной эффективности работы стабили­ заторов кривизны.

Таким образом, к первой группе факторов, снижающих техни­ ко-экономические показатели бурения при уменьшении диаметра наклонных скважин, относятся:

1) снижение стойкости шарошечных долот уменьшенных и ма­ лых диаметров в результате уменьшения геометрических размеров элементов опоры и вооружения;

2)ухудшение энергетических параметров турбобуров умень­ шенных и малых диаметров;

3)рост гидравлических потерь в циркуляционной системе, вследствие уменьшения диаметров скважины, бурильных труб, УБТ и забойных двигателей;

4)уменьшение отклоняющей силы и возможного приращения угла искривления при использовании надтурбобурных отклоните­ лей (кривая труба, кривой переводник) в результате снижения жесткости турбобуров уменьшенных и малых диаметров;

5)уменьшение отклоняющей силы на долоте вследствие сни­ жения жесткости бурильных труб и УБТ;

6) снижение точности ориентирования отклоняющей компо­ новки вследствие роста угла закручивания бурильной колонны

врезультате уменьшения его жесткости;

7)уменьшение возможного приращения угла искривления ствола за счет снижения зазора между забойным двигателем и стенкой скважины и боковой фрезерующей способности шарошеч­ ных долот уменьшенных и малых диаметров вследствие меньшего завеса шарошек;

8)увеличение гидродинамического давления на стенки сква­ жины при спуске инструмента, включении бурового насоса, про­ мывке и проработке ствола в результате уменьшения зазора между бурильной колонной и стенкой скважины;

9)увеличение расхода долот и времени спуско-подъемных опе­ раций вследствие уменьшения проходки на долото;

26

10)некоторое, хотя и незначительное, снижение производитель­ ности скважин малых диаметров;

11)увеличение возможности самопроизвольного искривления вертикального ствола за счет меньшей жесткости элементов ком­ поновки низа бурильной колонны.

Ко второй группе факторов, улучшающих технико-экономиче­

ские показатели при уменьшении диаметра наклонных скважин, относятся:

1)уменьшение объема выбуренных пород, улучшение очистки забоя скважины и выноса частиц выбуренных пород;

2)снижение расхода металла, цемента, глины, химических ре­ агентов, утяжелителя, электроэнергии, топлива и других матери­ алов;

3) снижение интенсивности уменьшения отклоняющей силы с ростом угла искривления скважины и интенсивности падения угла искривления скважины за счет уменьшения веса турбобуров уменьшенных и малых диаметров;

4) облегчение предупреждения и борьбы с поглощениями про­ мывочной жидкости, с обвалами пород, с прихватом инструмента и с газо-нефте-водопроявлениями вследствие уменьшения объема

6) увеличение возможного приращения угла искривления при работе ниппельными отклонителями и допустимого прираще­ ния угла искривления скважины за счет большей гибкости турбо­ буров;

7) уменьшение интенсивности падения угла и азимута искрив­ ления скважины при работе на прямой трубе за счет снижения зазора между стенками скважины и турбобуром, веса последнего и боковой фрезерующей способности трехшарошечных долот уменьшенных и малых диаметров в результате меньшего завеса шарошек;

8)уменьшение времени спуско-подъемных операций вследст­ вие снижения веса бурильной колонны;

9)увеличение показателей работы алмазных и лопастных до­

лот уменьшенных и малых диаметров; 10) снижение возможности самопроизвольного искривления

вертикального ствола в результате уменьшения зазора между стенками скважины и элементами компоновки низа бурильной ко­ лонны;

11)повышение возможностей применения компоновок для безориентированного бурения за счет увеличения их гибкости;

12)увеличение механических скоростей бурения с уменьше­ нием диаметра долота.

Безусловно изложенным полностью не исчерпывается пере­ чень положительных и отрицательных факторов, влияющих на

27

ПРОЦЕСС ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН УМЕНЬШЕННЫХ И МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ

Искусственное искривление стволов наклонных скважин в за ­ данном направлении осуществляется при помощи отклоняющих компоновок. Ввиду того что технико-экономические показатели и качество проводки наклонных скважин во многом зависят от эф­ фективности производства этих операций, необходимо установить качественное и количественное влияние всех факторов на процесс искривления ствола и учитывать их при проектировании и бурении наклонных скважин.

Особенностями искривления скважин уменьшенных и малых диаметров являются значительно меньшая жесткость и низкие энергетические параметры применяемых турбобуров, малые за ­ зоры между ними и стенками ствола, высокая скорость восходя­ щего потока промывочной жидкости. Последняя увеличивает эррозионное действие на стенки ствола, что приводит к значительному расширению скважины по сравнению с диаметром применяемого долота. Изменение этих факторов оказывает существенное влия­ ние на процесс искривления ствола.

Процесс искривления скважины при асимметричном разрушении забоя

Теория процесса искривления ствола за счет асимметричного

долото не действует отклоняющая сила и отсутствует фрезерова­ ние стенки ствола, скважина искривляется за счет наклонного по­ ложения оси долота относительно оси скважины.

При искривлении скважины В' результате асимметричного разрушения забоя роль отклонителя сводится к компенсации от­ рицательного влияния нормальной составляющей веса системы долото—турбобур и поддержанию наклона оси долота к оси скважины.

Искривление ствола за счет асимметричного разрушения забоя может происходить также при наличии отклоняющей силы на до­ лоте, величина которой в данном случае настолько мала, что удельная контактная нагрузка в боковом направлении значительно

29