Викривлення свердловин

Загальні відомості. Однією з головних вимог, які ставляться до геологорозвідкових свердловин, є проходження її відповідно до проектного профілю.

Викривленням свердловини називається відхилення її осі (стовбу­ра) від проектного напряму.

При розвідці родовищ без урахування викривлення свердловини складається неправильне уявлення про геологічну будову ділянки. Кривина свердловини значно ускладнює технологію проходження свердловини, прискорює зношування бурового інструменту, може призводити до аварій.

Для запобігання викривленню свердловин використовують певні заходи. Ретельно встановлюють буровий станок і напрямну трубу з відповідним технічним наглядом. Буріння порід, які перемежаються за міцністю, виконується колонковими снарядами завдовжки 6, 9 і 12 м. Застосовують стабілізатори, обважнений низ та інші засоби, які зменшують вигин бурового снаряда, дотримуються раціонального технологічного режиму буріння.

Іноді викривлення стає таким суттєвим, що буріння свердловини припиняють. Виправити свердловини можна одним із таких способів: цементуванням викривленої ділянки з наступним переборюванням пройденого інтервалу; торпедуванням (підриванням) свердловини на початку викривленої ділянки з наступною установкою обсадної колони; штучним викривленням свердловини в певному напрямі для повторного перебурювання шару. До останнього способу вдаються також і в разі ліквідації аварії для обходу ураженого місця.

Основні причини викривлення свердловини. Розрізняють гео­логічні, технічні та технологічні причини викривлення свердловин.

Причини геологічного характеру пов'язані з неоднорідністю середовища й перешкодами, які трапляються при бурінні: валуни, тверді включення, тріщини й порожнини, перетин свердловин під гострим кутом сланцевих і тонкошаруватих порід, особливо якщо окремі прошарки породи мають різну твердість (джеспіліти, кварцево-хлоритові сланці тощо).

При переході породоруйнівного інструменту з м'якого шару до твердого трапляється відхилення свердловини в бік твердого шару (рис. 145, а). При виході породоруйнівного інструменту з твердого шару в м'який спостерігається зворотне явище, але меншою мірою. При перетині свердловиною шаруватих порід (які перемежаються) різної твердості свердловина поступово викривляється, внаслідок чого її вісь стає направленою нормально до напластування шаруватих порід (рис. 145, б). Якщо свердловина задана точно навхрест простяганню сланцюватості або тріщинуватості, викривлення від­бувається лише у вертикальній площині в бік зменшення кута нахилу. Якщо свердловина задана під гострим кутом до простягання сланцюватості або шаруватості, то змінюються не тільки кут нахилу свердловини, а й її простягання. Для запобігання значним викрив­ленням слід задавати свердловину навхрест ведучої сланцюватості або тріщинуватості, перпендикулярно до падіння порід.

При перетині порід свердловиною під дуже гострим кутом до шаруватості або сланцюватості породоруйнівний інструмент починає ковзати по висячому боці найтвердішого, потужнішого шару (рис. 145, в). При бурінні в м'яких породах нахилені свердловини можуть схилятися вниз — падати (рис. 145, г). Нахилені свердловини в основному викривляються в бік виположування. Особливо викривля­ються нахилені свердловини при перетині шарів порід, які переме­жаються за міцністю, під гострим кутом. При цьому вісь свердловини переміщується до положення, перпендикулярного до напластування (рис. 145, д).

Причини технічного порядку виявляють вплив на викривлення свердловини як при забурюванні, так і під час буріння. Напрям викривлення за технічними причинами трапляється будь-який і тому завбачити його неможливо. До таких причин належать: неправильна установка станка та напрямної труби; буріння короткою колонковою трубою, особливо в породах із твердістю, що перемежається; застосування бурильних труб малого діаметра в свердловині великого діаметра; буріння викривленими бурильними й колонковими трубами; перехід на менший діаметр у свердловині, не закріпленій трубами, без відповідних попереджувальних заходів; нестійкість прямолінійної форми бурильної труби, що обертається.

Причини технологічного характеру пов'язані зі способами й параметрами режиму буріння й призводять до нерівномірного розбурювання забою та стінок свердловини, утворення значних зазорів між стінками свердловини та буровим снарядом, а також до збільшення сил, які відхиляють буровий снаряд від осі свердловини. До них належать: надмірний тиск на забій, застосування надінтенсивного промивання в м'яких породах тощо.

Вимірювання викривлення свердловини. Вимірювання кривизни свердловини є обов'язковим при бурінні всіх вертикальних і направлених розвідкових, опорних, структурних і експлуатаційних свердловин.

Просторове положення будь-якої свердловини визначають за трьома параметрами: глибиною Я, зенітним кутом в, кутом нахилу v та азимутальним кутом а (рис. 146).

Глибина свердловини — це відстань від устя в до забою В (по стовбуру). Величини відрізків АВ і ВС визначають відхід або зміщення забою від вертикалі чи горизонталі.

Зенітним кутом свердловини називається кут між вертикальною проекцією свердловини (лінія ОА) та дотичною (лінія ОЮ до осі свердловини ОБ (рис.!46, б). Кут нахилу v свердловини — кут між горизонтальною проекцією свердловини (лінія ОС) і віссю свердловини ОВ (рис. 146, б). Сума цих кутів завжди дорівнює 90°.

Азимутальним кутом а, або азимутом свердловини, називається кут. утворений будь-яким початковим напрямом відліку та дотичною до горизонтальної проекції осі свердловини в будь-якій її точці. Залежно від вибору початкового напряму відліку азимут може бути дійсним, магнітним або умовним. У першому випадку відлік ведеться від географічного, а в другому — від магнітного меридіана, а в третьому — від напряму на довільно вибраний репер, географічні координати якого відомі.

Кількісні зміни зенітного та азимутального викривлення свердло-зини визначаються за їх інтенсивністю.

Інтенсивність викривлення свердловини — це відношення приросту зенітного або азимутального кута на певному інтервалі стовбура ОВ до довжини цього інтервалу:

Інтенсивність викривлення визначається в градусах на 1, 10, 20 або 100 м.

Положення осі свердловини в просторі (профіль свердловини) визначається замірюванням і за певними інтервалами, які повинні бути якомога меншими для правильнішого відображення профілю свердловини.

Елементи викривлення заміряють спеціальними приладами, які поділяються на дві групи: прилади, які вимірюють тільки кут кривизни ; універсальні прилади (інклінометри), які вимірюють кут кривизни в й напрям цієї кривизни відносно сторін світу (або умовного напряму) .

Будова приладів першої групи базується на принципі горизон­тального рівня рідини, а також на принципі виска, який розміщується на карданній підвісці й набуває під впливом сили тяжіння вертикального положення, в той час як поздовжня вісь корпусу апарата відхиляється від вертикалі на величину викривлення стовбура свердловини. Ці прилади бувають з плавиковою кислотою, з електролітами тощо. В приладах другої групи для заміру зенітних кутів в основному використовують виски.

Пристрій для замірювання азимутальних кутів у таких приладах базується на одному з принципів: використання магнітного поля землі — прилади з магнітною стрілкою або індукційною бусоллю (інклінометри Полякова: ІШ-2, ІШ-4, ІК-1. ІК-6, УМІ-25; фотоінклінометри ІФ-1, ІФ-2, ІФ-5, ІФ-6, ІФ-6М, АФІ-І); використання гіроскопа («Шахтер», СІ-3, ІГ-2, ІГ-50, ІГ-70); орієнтація з поверхні (ГБС-Я-1, ГБС-Я-2М, «Мир»); застосування послідовних ходів від відомого напряму (IMA-IV-2); застосування електромагнітного прин­ципу (МІА-ІІ, МІА-ІІІ, МІА-ЗМ).

Вимірювання викривлення свердловини в основному виконується каротажними станціями.

Прилади з плавиковою кислотою. Для фіксування положення рівня рідини, за яким визначається кут нахилу свердловини, використовується хімічна дія (роз'їдання) плавикової кислоти на скло. Як посуд застосовують циліндричні трубки діаметром 14—24 м. Така посудина на 1/3 або наполовину заповнюється плавиковою кислотою 20%-ної концентрації. Для отримання чіткішого відбитка додають 1—2 см3 бензину. Час фіксації рівня рідини — 30—60 хв.

На рис. 147, а показані вимірювання при нахилі осі посудини, визначення величини за відбитком і утворення меніска внаслідок капілярності (метод плавикової кислоти).

Зенітний кут в визначається за відбитком меніска з розрахунку (рис. 147, б):

де і — відстані (мм), виміряні по твірній пробірки від

будь-якої площини, перпендикулярної до її осі, до найвіддаленішої та найнижчої точок відбитка поверхні рідини; — внутрішній діаметр пробірки, мм.

Враховуючи явище капілярності, вводять поправку зі знаком «плюс», яку визначають лабораторно.

Значення зенітного кута в визначають за електролітичним способом. У свердловину опускають на двожильному кабелі герме­тичний патрон, у якому міститься циліндр-катод (мідний позолочений або посеребрений, або сталевий відшліфований). Всередині патрона міститься розчин мідного купоросу (15 г мідного купоросу, 10 см3 дистильованої води). Для осадження міді на стержні застосовується гальванічна батарея, 4—5 в. Вільні кінці кабеля, який тягнеться від батареї, відповідно з'єднуються з корпусом патрона (+) та із стержнем (—). При визначенні в вводиться поправка зі знаком мінус. Метод дає змогу виконувати вимірювання швидко й зі значною точністю.

Існує прилад, який працює за принципом виска. Під час вимірювання в вісь вимірювального приладу має бути паралельною осі свердловини. Перед підніманням висок аретирують, вільний його кінець фіксує значення зенітного кута.

Інклінометр Полякова. Прилад признача­ється для головного вимірювання викривлення свердловини діаметром не менше ніж 75 мм. Фіксація положення вимірювальних частин приладу в свердловині відбувається за механічним способом, аретиру­ванням магнітної стрілки та виска. Принципову схему зображено на рис. 148. В рамці, яку підвішено на двох піввісях 1 і яка має зміщений центр ваги за рахунок свинцевого вантажу 6, встанов­люється компас З з магнітною стрілкою 8. Компас підвішується також на двох піввісях 9, які розміщуються в площині, перпен­дикулярній до площини рамки. Вни­зу компаса є вантаж-висок 4 і стрілка 5, яка розміщується за­вжди вертикально, тому що вісь рамки завжди лежить у площині нахилу приладу.

Якщо прилад встановити похи­ло, то нульова поділка градусної шкали компаса 5 буде обов'язково направлена в бік, протилежний нахилові приладу, а магнітна стрілка повернеться до магнітного меридіана. Кут між напрямком на нульову поділку компаса та північним кінцем стрілки відповідає азимутальному напряму сверд­ловини а. Для зручності взяття відліків поділки на компасі нанесені зі зростанням проти годинникової стрілки. Кут нахилу осі приладу або зенітний кут свердловини показує стрілка 5 виска за зенітною шкалою 7.

Аретирування магнітної стрілки та виска при взятті заміру здійснюється механічною системою, яка приводиться в рух у певний, раніше обумовлений момент часу за допомогою годинникового механізму.

Інклінометри типу І Ш. Інклінометр опуска­ється в свердловину на трижильному кабелі; дві вимірювальні жили під'єднуються до потенціометра, третя жила необхідна для живлення електроенергією. Інклінометр розміщується в латунному корпусі, який заповнюється маслом. Вимірювальною частиною інклінометра є показники азимута й кривизни.

При вимірюванні показники азимута й зенітного кута набувають певного положення, яке фіксується на поверхні силою струму у вимірювальній мережі.

Інклінометр забезпечує вимірювання (при переміщенні покаж­чиків) різниці потенціалів, пропорційних кутам і , які визначаються за формулами

,

де і — різниці потенціалів, мВ.

Похибки приладу у визначенні кута нахилу сягають 30' (на стенді — 15') та азимута — близько 4°. Завдяки малому діаметру (62 мм) прилад можна застосувати для вимірювання кривизни в структурних свердловинах і пропускати інклінометр через бурильні труби при бурінні глибоких свердловин.

Інклінометр І-6 застосовується для оперативного вимірювання зенітних кутів та азимутів свердловин. Шкала азимутів від 0 до 360° має ціну поділки 5°, а шкала зенітних кутів від 0 до 50° — 30'. На вимірювальній панелі міститься також перемикач-реле вимірювання азимута та зенітного кута. Зовнішній діаметр приладу — 46 мм, довжина з подовжувачем — 2160 мм.

Універсальний і малогабаритний інклінометр УМІ-25 застосовують для свердловин будь-яких діаметрів (до 36 мм). Діапазон вимірювання зенітних кутів — 0—50°. Зовнішній діаметр інклінометра — 25 мм, довжина без подовжувача — 1110 мм.

Фотоінклінометри базуються на можливості визначення кута й напряму кривини в результаті фотографування положення покажчика кута відхилення (виска або рівня) та покажчика азимута (магнітної стрілки й пов'язаного з нею лімба). Фотоінклінометр опускають у свердловину на одножильному кабелі; жила кабеля подає струм для керування стрічкопротяжним пристроєм.

Гіроскопи. Дія базується на відомій властивості швид-кообертального предмета (дзиги) встановлювати вісь обертання в певному положенні — в площині астрономічного меридіана. Ця властивість дзиги вперше була продемонстрована французьким ученим Фуко в 1852 р. на винайденому ним приладі, названому гіроскопом. На показники приладу не впливає дія магнітних мас, унаслідок чого він широко застосовується як навігаційний у морському флоті та авіації.

Апаратура гіроскопічного інклінометра ІГ-50 застосовується для вимірювання свердловин діаметром 76 і 59 мм як у сильномагнітних, так і у немагнітних породах. Комплекти інклінометрів упорядковані глибиномірами та лічильниками, які встановлюються на лічильному приладі.

Універсальний інклінометр оперативного контролю ОК - 40У при­значається для вимірювання свердловин, пробурених у слабомагнітних породах, діаметром 46 мм і більше, завглибшки до 2000 м.

Прилад ІМА-ІУ-2. Два прилади, які жорстко з'єднані колоною бурильних труб і точно зорієнтовані один відносно одного, опускають у свердловину на кабелі за методом послідовних ходів. Виходячи зі значення азимута вихідної лінії (базис), легко визначити його й для інших інтервалів свердловини. За один спуск можна провести 15 замірювань. Перевагою приладу є простота розшифру­вання даних замірів.

Спрямоване та багатозабійне буріння. Спрямованими називають­ся свердловини, буріння яких до заданого пункту пов'язане із застосуванням штучних відхилювачів або з використанням природних напрямів. Багатозабійними називаються свердловини, з основного стовбура яких буриться один або декілька додаткових стовбурів, що дає змогу здійснити підсікання корисних копалин на різних горизонтах.

Спрямовані буріння свердловин застосовується у випадках, якщо забій свердловини проходить під дном ріки, моря або іншого водного басейну, під інженерними спорудами тощо. Багатозабійне буріння набуває особливої ефективності при розвідці крутопадаючих пластів або покладів корисних копалин, особливо крутопадаючих рудних тіл.

Загальна схема штучного викривлення свердловини в проектному напрямі виконується за певною послідовністю: створення штучного забою, якщо викривлення необхідне вище забою основного стовбура свердловини; опускання відхилювача; орієнтація та розкріплення видхилювача; забурювання повного стовбура та замір викривлення й кута нахилу нового стовбура. Штучний забій створюється за допомогою дерев'яної або металевої пробки або створенням цемент­ного мосту.

Орієнтація відхилювача в свердловині часто виконується за допомогою забійних орієнтирів-сигналізаторів. Сигналізатор являє собою пристосування, яке подає операторові із забою сигнал, що відхилювач набрав у свердловині положення, необхідного для забурювання стовбура в заданому напрямку.

Розглянемо найпростіший датчик сигналу типу ДС-1, запропоно­ваний Ш.У.Довлікамовим. Датчик сигналу застосовується в свердло­винах із зенітними кутами від 3 до 85°. Дія заснована на розмиканні електричного кола при виникненні необхідного орієнтування від­хилювача відносно площини нахилу свердловини. Чутливим елемен­том слугує металева кулька, яка вільно рухається двома концент­ричними металевими шинами, підведеними до електричного кола приладу. Шини мають незамкнену форму. Розрив у кожній шині заповнюється ізоляційним матеріалом, при з'єднанні сигналізатора з відхилювачем орієнтується під заданим кутом до відхиляючого елемента (скосу клина). При спусканні відхилювача разом із датчиком сигналу в нахилену свердловину кулька встановлюється в апсидальній площині (апсидальна площина — вертикальна площина, яка проходить через довгу вісь еліпса та вісь циліндра; в цій площині лежить зенітний кут). Кулька, стикаючись із двома шинами, замикає електричне коло. При повільному обертанні колони бурильних труб датчикові сигналу надають положення, при якому розрив між сигналами суміщається з площиною нахилу, в результаті чого відбувається розрив електричного кола, що реєструється наземним приладом, з'єднаним із датчиком сигналу електричним приводом, який опускається всередину бурильних труб на період орієнтації.

Датчик сигналу складається з корпусу, який приєднується через перехідник до колони бурильних труб. Всередині корпусу роз­міщуються струмонесучі шини циліндричної форми. Відхилювач приєднується до перехідника. Останній завдяки нанесеним поділкам орієнтується відносно розриву струмонесучих шин і закріплюється контргайкою. Вмикання датчика сигналу в електричне коло вико­нується за допомогою штекерного роз'єму, який опускається всередину колони бурильних труб на ізольованому дроті.

Для кращого занурення штекерного роз'єму, особливо у свердло­винах, заповнених глинистим розчином, на них розміщують одну або декілька свинцевих важків.

Розміщення приводу біля устя свердловини підтримується за допомогою напрямного ролика, який встановлюється на кінці колони, що виступає із свердловини.

Застосовують також сигналізатор з виском, який міститься в апсидальній площині, для розмикання електричного кола. Крім того, існують механічні та гідравлічні сигналізатори-орієнтатори. Широко застосовуються відхиляючі снаряди СНБ-КО діаметрами 89, 75 і 57 мм.

Комплект снарядів для спрямованого буріння складається зі ступінчастого колонкового набору, відхиляючого снаряда СНБ-КО та снаряда для повільного викривлення свердловини.

Ступінчастий колонковий снаряд слугує для забурювання в забої свердловини циліндричного заглиблення меншого діаметра для закріплення в ньому відхиляючого клина-ложка снаряда СНБ-КО. Снаряд СНБ-КО складається з двох вузлів: корпусу та снаряда для відбурювання. Корпус являє собою клин-ложок, який у верхній частині несе втулку. В нижній скошеній частині ложка приварюється косинка, покрита твердим сплавом.

Набір для відбурювання складається з долота, подовжувача, шарніра, бурильної труби зменшеного діаметра й перехідників. Снаряд для відбурювання кріпиться у втулці штифтами. Після спускання його орієнтують у заданому напрямку, опускають без обертання на забій. Під дією осьового зусилля штифти зрізаються, і снаряд для відбурювання стовбура дістає можливість обертатися й переміщуватися вниз. Розкришення клина-ложка забезпечується втисканням його нижнього кінця в циліндричне заглиблення на забої свердловини. Вмонтовані в косинку різці врізаються в породу, тіло ложка входить у заглиблення й упирається боковими краями в стінки, надійно утримуючи корпус від обертання. При підніманні після відбурювання пілот-свердловини відбурювальний набір упирається у втулку-перехідник і витягує снаряд зі свердловини.

Наступні кілька рейсів буріння виконують снарядом для повільного викривлення. Снаряд складається з двох жорстких ланок: верхньої та нижньої, які з'єднуються між собою шарніром. Нижня ланка являє собою короткий снаряд, який складається з шарошкового долота, перехідника-розширника, короткого патрубка й перехідника. Верхня ланка зібрана з двох перехідників-розширників і колонкової труби. Ланки з'єднані між собою шарніром. Довжина нижньої ланки снаряда береться в межах 0,75—1,0 м залежно від планованої інтенсивності викривлення свердловини. Верхня ланка має бути в 1,5—2 рази більшою за нижню. З'єднання снаряда для повільного викривлення з колоною бурильних труб залежить в основному від інтенсивності викривлення та діаметра свердловини. Наприклад, при діаметрі свердловини 59 мм і кривизні більше як 0,3 (1° на 1 м) з'єднання снаряда з колоною бурильних труб проводять за допомогою шарніра діаметром 55 мм, а за меншої інтенсивності та більшого діаметра свердловини — за допомогою бурильної труби діаметром 42 мм і завдовжки 4,5 м.

Забурювання спочатку проводиться при низькому осьовому навантаженні та малих обертах. Після пробурювання близько 300 мм переходять на нормальний режим буріння.

Для спрямованого викривлення свердловини використовують також безклинові снаряди безперервної дії, які забезпечують повільне відхилення стовбура.

Практика свідчить про високі показники застосування снаряда ТЗ (тарбаган забайкальський). Він складається з двох основних вузлів: ротора й статора. Його опускають у свердловину на колоні бурильних труб, орієнтують у необхідному напрямку, після чого встановлюють на забій і починають буріння. Під дією осьового навантаження верхня частина вала зміщується вниз у шліцовій втулці, висуваючи та притискаючи повзун до стінки свердловини з зусиллям, яке залежить від жорсткості пружини та осьового навантаження. Нижня частина ротора й долото відхиляються в протилежний бік від повзуна, напрямок якого стабілізується катком (роликом). При навантаженні на долото 19,6—14,7 кН досягають інтенсивності викривлення близько 1° на 1 м при проходженні за' рейс 3—5 м.

Безклинові відхилювачі безперервної дії найперспективніші. Слід підкреслити, що ефективність проходження додаткових спрямованих стовбурів при бурінні багатозабійних свердловин досягається легше, якщо вони проходять у напрямі природного викривлення свердловини.

Останнім часом розроблено апаратуру, за допомогою якої проводиться забурювання додаткових стовбурів у свердловині.

Для спрямованого буріння свердловин алмазними коронками серійно випускаються відхилюючі конструкції.

Відхилюючі снаряди СО-73/46 і СО-57/36 призначаються для штучного викривлення свердловини в будь-якому заданому напрямі: на виположення, викручування, зміну азимута. Вони встановлюються на природному забої свердловини й слугують для відбурювання пілот-свердловини, яка після піднімання снаряда розширюється спеціальними розширниками.

Для забурювання додаткових стовбурів у багатозабійній свердло­вині застосовуються: пробка — штучний забій марки ПЗ з гідроприводом діаметром 57 і 73 мм як опора для стаціонарних клинів КОС-57 — 2,5°; КОС-73 2,5° (57 і 73 — діаметри; 2,5° — точність орієнтації).

Для орієнтування штучних відхилювачів застосовуються: апсидо-скоп штирьовий АШ-3 — орієнтатор епізодичної дії, який опускається всередину колони бурильної труби тільки при орієнтуванні, та орієнтувальна апаратура «Курс» (орієнтатор безперервної дії), що складається з пульта керування свердловинного датчика та лебідки. Апаратуру «Курс» використовують також для орієнтованого під­німання керна подвійними колонковими трубами.

Поиск по сайту: