Раздел 3. Причины и закономерности искривления скважин

Искривлением скважины называется ее отклонение от первоначально заданного направления.

Искривлению подвержены в той или иной степени почти все скважины при любом способе бурения. В большей степени искривляются скважины вращательного бурения при работе твердосплавными коронками и шарошечными долотами. Значительно меньше искривляются скважины при ударно-канатном и ударно-вращательном бурении гидроударниками.

С очень малыми искривлениями можно бурить скважины, применяя забойные двигатели (электро-, турбобуры, винтовые двигатели), когда колонна бурильных труб в процессе работы не вращается.

Если не контролировать направление скважин и не учитывать их искривление, данные, полученные о форме, размерах и элементах залегания полезного ископаемого, будут искажены, что может привести к серьезным ошибкам в оценке месторождения и неправильному выбору способа его разработки.

Искривление скважин отрицательно сказывается и на технологии их бурения. Из-за увеличенного трения бурильной колонны о стенки скважины осложняется регулирование нагрузки на породоразрушающий инструмент. Выполнение спуско-подъемных операций в искривленных скважинах затрудняется, что снижает производительность бурения.

Повышенное трение изогнутой бурильной колонны о стенки искривленной скважины приводит к более интенсивному износу бурильных и обсадных труб. Перегиб бурильной колонны в местах сильного искривления ствола скважины является причиной ее частых обрывов, а ликвидировать аварии в таких скважинах сложно из-за эксцентричного расположения ловильного и ловимого инструментов. Значительно осложняется спуск обсадных труб в искривленные скважины.

Таким образом, искривление скважин осложняет процесс их бурения и ухудшает качество геологической документации, снижая достоверность результатов геологоразведочных работ.

Характер и интенсивность искривления скважин зависит от причин геологического, технического и технологического характера, действующих в совокупности или раздельно [2, 8].

3.1. Геологические причины искривления скважин, их механизм и закономерности

Геологические причины искривления скважин, их механизм и закономерности обусловлены тем, что скважина при бурении пересекает горные породы разной твердости и буримости, различной перемежаемости слоев разной твердости, их анизотропности, сланцеватости, трахитоидности, трещиноватости и имеет разные углы встречи своей оси с поверхностями пород (слоев).

Все горные породы можно разделить на три условные группы: однородные, изотропные; неоднородные, но слабо анизотропные и перемежающиеся; сильно неоднородные и перемежающиеся по твердости слоев, их анизотропности, трахитоидности или трещиноватости, поэтому степень искривления скважин в таких породах будет весьма заметно различаться между группами [7-9].

Практически большинство разновидностей горных пород имеет неравномерную твердость по трем осям вырезанного из них кубика. Наименьшую твердость породы имеют в направлении, перпендикулярном напластованиям, гнейсовидности, трахитоидности. Так, по оси Z твердость Н₃ будет минимальной, а по оси X – Н₂ – максимальной (рис. 2, а), поэтому забой скважины при бурении будет разрушаться наиболее интенсивно по линии наименьшего сопротивления разрушению (ЛНСР), соответствующей Н₃ (рис. 2, б).

Характер изменения скорости бурения в зависимости от анизотропии горных пород можно представить схемами (рис. 3). В зависимости от изменения скорости бурения и угла между основными векторами буровой анизотропии можно указать коэффициент буровой анизотропии

. (3.6)

K_аб по опытным данным может изменяться примерно от 0,4 до 1,0 [7].

Индекс буровой анизотропии:

. (3.7)

Неравномерное разрушение поверхности забоя в направлении наибольшей скорости бурения влияет или точнее определяет кинематику вращения колонкового снаряда. Колонковая труба (как концевая часть бурильного вала является по конструкции связующим звеном между бурильными трубами и породоразрушающим инструментом) приобретает кинематику, определяемую сформировавшимся движением нагруженных бурильных труб и силами сопротивления между породоразрушающим инструментом, забоем и формой разрушения забоя [4].

Рис. 3

При отсутствии специальных центрирующих элементов ось колонкового снаряда отклонена от оси скважины. Величина отклонения определяется конструкцией и жесткостью колонкового снаряда и параметрами режима бурения. На рис. 4 схематично изображено произвольное, отклоненное от оси скважины положение колонкового снаряда. По аналогии с любым участком бурильного вала колонковая труба может иметь следующие условные простейшие формы движения (Ф):

Рис. 4

Рис. 4. Условные формы (Ф) движения произвольного сечения снаряда

Ф₁ – колонковая труба вращается с заданной угловой скоростью ω вокруг собственной криволинейной оси, не совпадающей с осью скважины; Ф₂ – колонковая труба, ее отклоненная от оси скважины криволинейная ось вращается вокруг оси скважины в направлении, соответствующем заданному, и с заданной угловой скоростью ω; Ф₃ – колонковая труба, вращаясь вокруг собственной криволинейной оси с некоторой текущей угловой скоростью, одновременно катится по поверхности ствола с относительной (относительно оси скважины) угловой скоростью Ω, причем максимальное значение угловой скорости обращения

,

т.е. вращающийся вокруг собственной оси колонковый снаряд обращается и относительно оси скважины в направлении, противоположном заданной угловой скорости вращения бурильной колонны.

При обычном процессе бурения эти идеализированные формы движения практически могут переходить одна в другую, лишь форма Ф₁ может иметь продолжительное присутствие в сильно перемежающихся анизотропных породах, вызывая интенсивное искривление скважин.

При идеализированных формах движения компоновки нижней части бурильного вала форме Ф₁ соответствует формирование криволинейного ствола в одной фиксированной плоскости с кривизной, определяемой условиями вписываемости, а формам Ф₂ и Ф₃ – формирование в однородной среде относительно его искривленного ствола, но увеличенного диаметра.

В неоднородной среде формы Ф₂ и Ф₃ могут привести к искривлению скважин в различных азимутальных направлениях.

В практике бурения отмечаются комбинированные, смешанные формы движения.

1. Ф₁ = Ф₂ – колонковая труба, вращаясь вокруг собственной криволинейной оси, катится по некоторому участку ствола, далее качение прерывается, наблюдается скольжение и снаряд возвращается в исходное положение. Такая траектория движения некоторой произвольной точки О₁ оси снаряда показана на рис. 4.

2. Ф₁^* = Ф₂^* – деформированная колонковая труба вращается соответственно вокруг собственной оси или оси скважины, но с переменной угловой скоростью, причем отмечаются угловые колебания тела трубы относительно собственной оси (под Ф₁^* и Ф₂^* подразумеваются не идеализированные формы движения, а реальные).

При рассмотрении моделей механизма искривления скважин применяют простейшие формы движения, но при этом следует учитывать, что в реальных условиях происходят более сложные процессы, которые и обуславливают действительную траекторию скважины, ее кривизну. Так, установлено, что при высоких частотах вращения более вероятна форма движения Ф₁ = Ф₃ с большой амплитудой колебания угловой скорости, а при низких частотах вращения форма движения стремится к Ф₁^* или Ф₂^*. Поэтому задаваемая частота вращения бурильного вала, определяя форму движения колонкового снаряда, оказывает влияние на кривизну данного участка ствола, например, i₅₉<i₄₆ в равных условиях.

Таким образом, механизм естественного искривления скважин складывается в результате взаимодействия двух факторов:

– неравномерного асимметричного разрушения поверхности забоя и стенок скважин в направлении наименьшей твердости и сопротивления разрушению при бурении горных пород из-за различия их слоев по минералогическому, петрографическому составу и состоянию, степени метаморфизма и трещиноватости;

– в результате неравномерного разрушения забоя создается возможность постоянного или временного отклонения (ориентации) и вращения отклоненного и изогнутого колонкового набора под углом к оси скважины (форма Ф₁), что вызывает последующее искривление ее ствола под действием опрокидывающего или изгибающего момента М.

Такой механизм искривления скважин, сформулированный Ю.Т. Морозовым [7-9], отвечает существующим закономерностям их естественного искривления применительно к трем указанным группам горных пород.

На этом основании можно дать общее представление о закономерностях искривления скважин (рис. 5). Такие обобщающие схемы дают представление о возможном общем искривлении скважин в однородных, неоднородных и сильно анизотропных, перемежающихся породах в зависимости от их углов встречи γ с напластованиями пород. В перемежающихся породах скважины имеют тенденцию занять направление, перпендикулярное напластованиям. Особенное внимание следует уделять при бурении пород, залегающих под небольшими углами встречи, т.к. при некоторых критических углах γ_кр (обычно от 15 до 35°) скважины могут иметь неопределенное направление искривления, т.е. искривиться как в направлении восстания пород (выполаживаться с увеличением углов), так и по падению (выкручиваться с уменьшением углов), рис. 6.

Это направление искривления на восстание пород определится правильностью выбора компоновки колонкового набора, его длины, выбором породоразрушающего инструмента, а также параметрами режимов бурения. Так, при острых критических углах нагрузка должна быть минимальной.

Искривление вниз по падению пород является нежелательным, так как приводит, как правило, к пропуску рудной зоны и последующим большим работам по искусственному искривлению скважин, в том числе перебурке или бурению дополнительных стволов.

Рис. 5. Схема зенитных искривлений скважин алмазного бурения в зависимости от их углов встречи γ с плоскостями напластований горных пород и направлениями их восстания и падения

1 – в сравнительно однородных изотропных, слабоанизотропных породах; 2 – в анизотропных и перемежающихся породах; 3 – проектные направления скважин.

Рис. 6. Схемы отклонения ствола скважины при смене пород, имеющих различную твердость:

а – на восстание пород; б – по падению пород; в – угол встречи γ<γ_кр

1 – мягкие породы; 2 – твердые породы; 3 – скалывающаяся часть забоя

Причины геологического характера связаны с неоднородностью среды, в которой производится бурение. Так, пересечение буровым снарядом слоистых и перемежающихся пород различной твердости и анизотропности сопровождается изменением зенитного угла скважины и ее азимутального направления (рис. 6). При переходе из мягких пород в более твердые происходит отклонение скважины в сторону твердого слоя, так как в месте перехода коронка интенсивнее разрушает ту часть забоя, которая находится в мягких породах. При обратном переходе (из твердых пород в мягкие) скважина искривляется также в сторону твердых пород, но в меньшей степени, так как в конечной стадии перехода контакта породоразрушающий инструмент под воздействием осевой нагрузки скалывает часть твердой породы.

В результате такой закономерности вертикальная или наклонная скважина, пересекая под острым углом слои пород, перемежающиеся по твердости, стремится постепенно занять положение, перпендикулярное их напластованию.