Середа Н.Г. Основы нефтегазового дела. Основы нефтяного и газового дела

• Название: Основы нефтяного и газового дела
• Анкор: Середа Н.Г. Основы нефтегазового дела.doc
• Дата: 04.02.2017
• Размер: 12.41 Mb.
• Имя файла: Середа Н.Г. Основы нефтегазового дела.doc
• Тип: Книга; #2110
• страница: 10 из 26

Глава VII

ИСКРИВЛЕНИЕ СКВАЖИН

В начале курса отмечалось, что скважины бурят вертикальные и наклонные (см. рис. 17). В первом случае предпринимают меры, направленные на предупреждение искривления скважины, а во втором принудительно искривляют скважины по заранее выбранному профилю.

В связи с этим бурение любой скважины должно осуществляться при строгом контроле за ее положением в пространстве, для чего от интервала к интервалу замеряют: 1) зенитный угол а — угол между осью скважины / и вертикалью 2; 2) азимутальный угол 8 — угол, взятый в горизонтальной плоскости 3 между плоскостью 4 искривления скважины и направлением, например, на север 5 (рис. 54).

Искривление скважины может быть плоским (рис. 55, а) и

пространственным (рис. 56, б, в). В первом случае с ростом глубины (длины) скважины азимутальный угол не изменяется, а во втором — постоянно меняет свое значение. Пользуясь значениями а и 9, замеренными в начале и конце каждого интервала, строят проекции оси скважины на вертикальную (рис. 55, /) и горизонтальную (рис. 55, //) плоскости, при. совместном рассмотрении которых судят о пространственном положении оси скважины. При этом проекция оси скважины на вертикальную плоскость называется профилем скважины, а на горизонтальную— планом. Однако при а^2° строить проекции не следует, так как измерение углов а и особенно 8 в этом случае сопровождается значительными ошибками. Поэтому скважины, в которых а = 2° и менее, следует называть условно вертикальными, а при а>2° — искривленными.

§ 1. ПРИЧИНЫ ИСКРИВЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Искривление стволов скважин происходит при любом способе бурения. При бурении в горизонтально- и пологозалегаю-щих пластах, сложенных изотропными породами, возможность искривления скважин значительно меньше, чем при бурении в крутопадагощих пластах,

	Рис. 54. Элементы, определяющие пространственное искривление скважины
	Рис. 55. Проекции искривленных скважин: / — проекции оси скважины на вертикальную плоскость (профиль скважины); 11 — проекции оси скважины на горизонтальную плоскость (план скважины); а — искривление скважины в одной плоскости (плоское искривление); б и в — искривление скважины пространственное; У —устье скважины; 3 — забой скважины; Л — отклонение забоя скважины от вертикали

представленных анизотропными породами. Поэтому при благоприятных геологических условиях можно пробурить условно вертикальную скважину при соблюдении элементарных технологических приемов. При бурении же в сложных геологических условиях требуется разработка и внедрение комплекса мероприятий, направленных на предупреждение искривления скважин. Естественно, что разработка этих мероприятий невозможна без изучения причин, способствующих искривлению скважин. Принято подразделять эти причины на три группы: геологические, технические и технологические.

Важнейшие из геологических причин:

анизотропность, слоистость, сланцеватость, трещиноватость горных пород;

перемежаемость пород различной твердости и степень наклона пластов к горизонту;

тектонические нарушения, каверны и пустоты в проходимых пластах;

твердые включения (валуны, крупный галечник) в проходимых пластах.

Технические причины:

несовпадение оси вышки с осью ротора и осью направления;

плохое центрирование кронблока по отношению к оси вышки;

искривление бурильных труб и ведущей трубы в бурильной колонне;

перекос в резьбовых соединениях бурильной колонны (особенно в ее нижней части).

Основные технологические причины:

изгиб нижней части бурильной колонны под влиянием передаваемой нагрузки на забой;

неправильное соотношение диаметров УБТ и скважины;

неправильный выбор числа, мест'установки и конструкции приспособлений, центрирующих нижнюю часть бурильной колонны в скважине;

применение режима бурения, параметры которого не соответствуют конструкции нижней части бурильной колонны и геологическим условиям залегания горных пород.

Искривление скважины происходит в том случае, когда на долото действует отклоняющая сила, значение и направление которой обусловливаются, как правило, не одной, а совокупностью перечисленных выше причин.

В результате искривления вертикальных скважин появляются осложнения, отрицательно влияющие на процесс дальнейшего бурения скважины, ее эксплуатацию и разработку месторождения.

В результате искривления скважины в процессе бурения может произойти следующее:

1) более интенсивное изнашивание бурильных труб, бурильных замков, соединительных муфт, что приводит к увеличений числа аварий с бурильной колонной;

2) осложнение спуско-подъемиых работ из-за затяжек бурильной колонны при ее подъеме и посадок при ее спуске в скважину;

3) обвалы пород вследствие интенсивного трения бурильной колонны о стенку искривленного ствола скважины;

4) больший расход мощности на вращение бурильной колонны;

5) истирание обсадных труб промежуточной колонны (кондуктора);

6) затруднение спуска обсадных колон в скважину, что может привести к недоспуску их до проектных глубин;

7) увеличение опасности смятия труб обсадных колонн в местах резких искривлений скважины;

8) осложнение цементирования обсадных колонн, так как в искривленной скважине более вероятно прилегание колонны к одной стороне ствола скважины и вследствие этого неравномерное заполнение цементным растворрм затрубного пространства;

9) увеличение объема геофизических исследований в скважине и затруднение проведения этих работ.

Отрицательные последствия искривления скважины продолжают проявляться и после сдачи ее в эксплуатацию, когда в течение всего времени работы скважины происходят преждевременные выходы из строя глубиннонасосного оборудования, насосных штанг, простирание эксплуатационной колонны.

Искривленность скважины может быть причиной неправиль- _ ной эксплуатации месторождения, так как вследствие отклонений забоев скважин от проектных положений зоны их питания пересекаются и в результате уменьшается суммарный дебит.

§ 2. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ИСКРИВЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Вследствие многообразия одновременно действующих причин, способствующих искривлению скважин, практически невозможно бурить их в строго вертикальном направлении. Поэтому все вертикальные скважины в той или иной степени искривлены. Следовательно, первоочередной задачей становится предупреждение их значительного искривления. В этой связи рассмотрим условия работы долота не в вертикальной, а в искривленной скважине.

Предположим, что скважина отклонилась от вертикали на угол а и направляющий участок¹ бурильной колонны касается стенки скважины в точке Т (рис. 56). При отсутствии нагрузки на забой единственной силой, действующей на долото, является вес направляющего участка бурильной колонны Р_н.

Во время бурения скважины под влиянием веса направляющего' участка бурильной колонны Р_н долото стремится занять вертикальное положение, а под влиянием веса сжатой части бурильной колонны переместиться вдоль ее оси. Результирующая этих двух сил Р₃ может быть разложена на две составляющие: силу P1, действующую вдоль оси бурильной колонны, и силу Р2 перпендикулярную ей. Если Р₂ направлена к вертикали, долото стремится уменьшить зенитный угол скважины а и сила Р₂может быть названа выпрямляющей силой (см. рис. 56, а). Если Р₂направлена от вертикали, долото стремится увеличить зенитный угол скважины а и Р2 может быть названа отклоняющей силой (см. рис. 56, в). Если Р₂ равна нулю, наступит стабилизация зенитного угла скважины а и, следовательно, скважина будет буриться наклонно (см. рис. 56,6).



Рис. 56. Схема действия сил, влияющих на искривления скважины при бурении в изотропных породах: а — уменьшение а; б —стабилизация а; в — увеличение а
При бурении в изотропных породах значение Р2 зависит от нагрузки на забой, диаметра скважины, зазора между УБТ и стенкой скважины, диаметра УБТ и зенитного угла скважины. С повышением нагрузки на забой увеличится прогиб нижней части бурильной колонны, точка Т приблизится к долоту и составляющая веса направляющего участка бурильной колонны РН уменьшится. Это приведет к уменьшению выпрямляющей силы Р₂. При дальнейшем повышении нагрузки на забой может наступить стабилизация (Р₂ становится равной нулю), а затем и прирост зенитного угла скважины а (Р₂ становится отклоняющей силой).

Приведенный анализ действия сил на нижний участок бурильной колонны справедлив для условий бурения в изотропной породе, т. е., когда не влияют геологические причины, способствующие искривлению скважин.

Из геологических причин наибольшее влияние на искривление скважин оказывают анизотропность горной породы и степень наклона чередующихся по твердости и мощности пластов.

Для предупреждения искривления скважины наиболее благоприятны условия, когда долото занимает перпендикулярное или параллельное положение по отношению к плоскостям слоистости анизотропной породы и к плоскостям напластования наклонно залегающей породы. Во всех других случаях долото, стремясь занять одно из этих положений, отклоняет скважину от вертикали при одновременном изменении азимута.

В сложных геологических условиях наряду с силой Р₃ действует сила, значение и направление которой зависят от анизотропности пород, угла наклона пластов и других трудно учитываемых геологических причин. Равнодействующая этих сил и определит направление бурящейся скважины.

Еще большие возможности регулирования силы Р₂ можно получить, если использовать в нижней части бурильной колонны, составленной из УБТ одного диаметра, одно или два центрирующих приспособления, или УБТ не одного, а, например, двух диаметров. В этом случае секция расчетной длины из УБТ большего диаметра устанавливается над долотом, а над ней, также расчетной длины, устанавливается секция из УБТ меньшего диаметра. Эффект возрастает, если на границе перехода от УБТ большего диаметра к УБТ меньшего диаметра установить первое центрирующее приспособление, а затем на расчетном расстоянии в колонне УБТ меньшего диаметра установить второе центрирующее приспособление. При этом желательно диаметры центрирующих приспособлений иметь равными диаметру долота.

Результаты решения ряда задач с применением центрирующих приспособлений и ступенчатых колонн УБТ сведены в графики ², пользуясь которыми можно определить значение силы Р2 при любых встречающихся в практике бурения конструкциях нижней части бурильной колонны и нагрузках на забой. В отличие от рассмотренных конструкций нижней части бурильной колонны, использующих «эффект отвеса», при бурении в сложных геологических условиях широко применяют конструкции нижней части бурильной колонны, в которых достигается ее центрирование в скважине. В этом случае непосредственно над долотом, а затем на расчетном расстоянии от него (рис. 57) устанавливают центрирующие приспособления с диаметром, равным диаметру долота. В результате ось нижней части бурильной колонны и ось скважины совмещаются, что создает условия для бурения скважины без изменения ее зенитного угла. Однако вследствие износа центрирующих приспособлений и большего диаметра скважины по сравнению с диаметром долота центрирование нижней части бурильной колонны нарушается и дальнейшее бурение при таком положении колонны приведет к увеличению зенитного угла скважины.

§3. ИСКУССТВЕННОЕ ИСКРИВЛЕНИЕ СКВАЖИН

Приведем наиболее характерные примеры условий, в которых целесообразно бурение наклонных скважин;

под дно моря, озера, реки, канала;

с намывных дамб, эстакад, плавучих судов;

на болотистых и залесенных площадях;

под овраги, горы;

на площадях, занятых заповедниками;

под промышленные объекты и жилые поселки;

при забуривании нового ствола вследствие неликвидированной аварии в скважине;

при тушении горящих фонтанов и ликвидации открытых выбросов нефти и газа.

Технология проводки наклонных скважин основана на использовании геологических условий, способствующих искривлению скважин, и на применении отклонителя, устанавливаемого между турбобуром и бурильной колонной (рис. 58), или двухсекционного турбобура, секции которого соединены друг с другом под углом. 1°30'—2°.

Независимо от типа применяемого отклоняющего приспособления в месте его перегиба возникает момент упругих сил, создающий на долоте отклоняющую силу. Темп искривления скважины определяется значением этой силы, зависящей от конструкции отклоняющего приспособления; механическими свойствами породы и условиями их залегания; типом долота и турбобура, а также режимом бурения. Темп искривления скважины зависит и от зенитного угла скважины, так как при прочих равных условиях момент упругих сил тем меньше, чем больше угол наклона скважины.

Рис. 57. Конструкция нижней части бурильной колонны, основанная на принципе ее центрирования в скважине: / — утяжеленные бурильные трубы; 2, 3 — центрирующие приспособления

Наклонные скважины бурят по заранее выбранному профилю (рис. 59), каждый из которых предназначен для соответствующих условий их проводки. Профиль типа а состоит из трех участков: вертикального /, участка увеличения зенитного угла 2 и участка стабилизации зенитного угла. Рекомендуется этот профиль при больших отклонениях от вертикали при незначительном угле наклона скважины. При профиле типа в можно пересечь вертикальным участком 4 наклонной скважины несколько продуктивных горизонтов. Во всех профилях обязательно имеется участок 2, на котором осуществляется набор зенитного угла скважины.

Бурение наклонной скважины по заданному профилю возможно в том случае, когда, начиная с момента забуривания от вертикального участка /, отклонитель точно ориентируется в проектном азимуте. Ориентировать отклонитель можно в процессе спуска бурильной колонны путем контроля за положением его после навинчивания каждой свечи (ориентированный спуск бурильной колонны с отклонителем) и после спуска бурильной колонны с использованием специальных приборов, фиксирующих положение плоскости искривления отклонителя по отношению к плоскости искривления скважины (забойное ориентирование отклонителя).

Многолетний опыт бурения наклонных скважин привел к созданию многих видов наклонного бурения. Однако в настоящее время наибольшее применение находит последовательное бурение нескольких наклонных скважин с ограниченной по размерам площадки.



Рис. 58. Типы отклонителей для бурения наклонных скважин с забойными двигателями:

а — кривой переводник; б — отклонитель с перекошенными резьбами на муфте и ниппеле; в — отклонитель, состоящий из турбобура с накладкой и кривого переводника
Сущность этого вида бурения наклонных скважин сводится к следующему. Вышку и один комплект бурового оборудования монтируют так, чтобы насосная находилась на расстоянии 20—50 м от устья скважины. После окончания бурения первой наклонной скважины передвигают только вышку с привышеч-ным оборудованием на расстояние 8 м. Затем подсоединяют выкидные линии от насосов к новому стояку, соединяют новое устье скважины с желобной системой и бурят вторую наклон-



Рис. 59. Профили наклонных скважин (а—е):

1 — вертикальный участок; 2 — участок увеличения зенитного угла; 3 — участок стабилизации зенитного угла или его уменьшения; 4 — вертикальный участок в продуктивной толще; 5 — горизонтальный или горизонтально-разветвленный участок в продуктивном

пласте

ную скважину. После окончания бурения второй наклонной скважины передвигают вышку с оборудованием еще на 8 м, а насосную оставляют на прежнем месте. Обвязав выкидные линии от насосов со стояком и соединив желобную систему с новым устьем скважины, бурят третью наклонную скважину и т. д.

Так группируются устья скважин на площадке ограниченных размеров. Бурение наклонных скважин осуществляется по профилям, обеспечивающим расположение забоев скважин, предусмотренное сеткой разработки месторождения. Число сгруп-. пированных устьев скважин выбирается в зависимости от принятого на месторождении расстояния между забоями скважин и их глубин (длин) и в отдельных случаях достигает 8—12.

Такой способ строительства скважин позволяет разбуривать с большим экономическим эффектом месторождения со сложным рельефом местности (горы, овраги), расположенными под заболоченными участками земли, под дном озер, морей, под крупными промышленными объектами и т. д.

Группирование устьев наклонных скважин позволило с наименьшими капитальными затратами разбуривать месторожде- . ния в Западной Сибири, территория которой покрыта болотами. Группируют устья наклонных скважин на специально сооружаемых в прибрежной полосе моря эстакадах (при разбурива-нии месторождений, расположенных под дном Каспийского моря).

Группирование устьев наклонных скважин весьма эффективно и в тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальный ущерб лесным массивам и когда требуется проявлять особую заботу о наименьших потерях плодородных пахотных земель.

Распространен и такой вид бурения наклонных скважин, при котором достигается горизонтальное расположение скважин на конечных их интервалах. Бурение этих скважин целесообразно в том случае, когда намечен ввод в эксплуатацию малодебитного пласта. В результате обеспечивается вскрытие продуктивного пласта не перпендикулярно, а вдоль его напластования, что создает условия для получения большего притока нефти из пласта в скважину. В этих же целях применяется так называемое бурение горизонтально-разветвленных скважин, при котором от основного ствола поочередно забуривают несколько скважин так, чтобы каждая из них вскрывала пласт вдоль напластования.