7 Проектирование профилей скважин пространственного типа
В последние годы на месторождениях Западной Сибири широкое распространение получило строительство пологих и горизонтальных скважин (ГС), ствол которых вскрывает продуктивный пласт под углом 50-70 или горизонтально протяженностью 500 метров и более.
Практическое внедрение горизонтальное бурение скважин получило при разбуривании месторождений по дополнительной сетке разработки, причем бурение ГС с кустовых площадок в проектном азимуте горизонтального ствола требует использования профилей пространственного типа (Федоровское месторождение). Граничные условия, предъявляемые к профилю ГС (ограничения величины максимального зенитного угла в интервале набора и стабилизации параметров кривизны, интенсивности искривления ствола на 10 или 100 м интервала, глубина вертикального участка, величина зенитного угла входа в продуктивный пласт, «коридор» допуска бурения горизонтального ствола, изменение азимутального направления скважины от первоначального до 90 и др.) в первую очередь определяются требованиями по созданию крепи повышенной надежности, увеличению сроков межремонтного периода работы глубиннонасосного оборудования и безопасной проходимости бурильных и обсадных колонн по стволу в процессе бурения и заканчивания скважин.
Подавляющее большинство наклонно направленных скважин, проектируемые в одной плоскости, в процессе бурения естественно искривляются в пространстве, при этом интенсивность пространственного искривления ствола достигает значительных величин.
Естественное пространственное искривление связано в первую очередь с геологическими и технологическими условиями бурения, а также несовершенством применяемых КНБК с опорно-центрирующими элементами. Кроме того, пространственное искривление ствола является необходимым условием для выполнения сетки разработки месторождения горизонтальными скважинами (рисунок 13).
В связи с этим представляет практический интерес решение вопросов проектирования оптимального профиля пологих и ГС пространственного типа, отвечающих требованиям надежности скважин как технического сооружения и эффективности их эксплуатации.
При расчете профиля пространственного типа используются данные анализа естественного зенитного и азимутального искривления стволов ранее пробуренных скважин, проектное начальное и конечное азимутальное направление ствола ГС, требования к профилю и конструкции скважины, предъявляемые заказчиком проекта на их строительство.
Таблица – 11
№ |
Интервал по вертикали, м |
Длина интервала по вертикали, м |
Зенитный угол, град |
Горизонтальное отклонение, м |
Длина по стволу, м |
Радиус искривления, м |
Интенсивность искривления |
Интервал профиля |
|||
начальный |
конечный |
за интервал |
общее |
за интервал |
общая |
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
1 |
4-интервальный профиль обычной наклонной скважины |
||||||||||
0-210 |
210 |
0 |
0 |
0 |
0 |
210 |
210 |
- |
- |
Вертикальный |
|
210-357 |
147 |
0 |
22,5 |
29 |
29 |
150 |
360 |
382 |
1,5 |
Набор кривизны |
|
357-394 |
37 |
22,5 |
22,5 |
15 |
44 |
40 |
400 |
- |
- |
Стабилизация кривизны |
|
394-1440 |
1048 |
22,5 |
22,5 |
433 |
477 |
1132 |
1532 |
- |
- |
То же |
|
1440-1459 |
19 |
22,5 |
22,5 |
8 |
485 |
21 |
1553 |
- |
- |
То же |
|
1459-1900 |
441 |
22,5 |
7,0 |
115 |
600 |
456 |
2009 |
1688 |
3,39* |
Спад кривизны |
|
1900-1940 |
40 |
7,0 |
5,5 |
4 |
604 |
41 |
2050 |
1688 |
- |
То же |
|
2 |
4-интервальный профиль пологой скважины |
||||||||||
0-1377 |
1377 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1377 |
1377 |
- |
- |
Вертикальный |
|
1377-1723 |
346 |
0 |
65 |
220 |
220 |
433 |
1810 |
382 |
1,5 |
Набор кривизны |
|
1723-1900 |
177 |
65 |
65 |
380 |
600 |
419 |
2229 |
- |
- |
Стабилизация кривизны |
|
1900-1940 |
40 |
65 |
65 |
86 |
686 |
95 |
2324 |
- |
- |
То же |
|
Продолжение таблицы 11
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
2 |
0-1255 |
1255 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1255 |
1255 |
- |
- |
Вертикальный |
1255-1774 |
519 |
0 |
65 |
330 |
330 |
650 |
1905 |
573 |
1,0 |
Набор кривизны |
|
1774-1900 |
126 |
65 |
65 |
270 |
600 |
298 |
2203 |
- |
- |
Стабилизация кривизны |
|
1900-1940 |
40 |
65 |
65 |
86 |
686 |
95 |
2298 |
- |
- |
То же |
|
3 |
5-интервальный профиль пологой скважины |
||||||||||
0-637 |
637 |
0 |
0 |
0 |
0 |
637 |
637 |
- |
- |
Вертикальный |
|
637-783 |
146 |
0 |
22,5 |
29 |
29 |
150 |
787 |
382 |
1,5 |
Набор кривизны |
|
783-1700 |
917 |
22,5 |
22,5 |
380 |
409 |
993 |
1780 |
- |
- |
Стабилизация кривизны |
|
1700-1900 |
200 |
22,5 |
65,0 |
191 |
600 |
283 |
2063 |
382 |
1,5 |
Набор кривизны |
|
1900-1940 |
40 |
65,0 |
65,0 |
86 |
686 |
95 |
2158 |
- |
- |
Стабилизация кривизны |
|
0-732 |
732 |
0 |
0 |
0 |
0 |
732 |
732 |
- |
- |
Вертикальный |
|
732-951 |
219 |
0 |
22,5 |
44 |
44 |
225 |
957 |
573 |
1,0 |
Набор кривизны |
|
951-1600 |
649 |
22,5 |
22,5 |
269 |
313 |
702 |
1659 |
- |
- |
Стабилизация кривизны |
|
1600-1900 |
300 |
22,5 |
65,0 |
287 |
600 |
425 |
2084 |
573 |
1,0 |
Набор кривизны |
|
1900-1940 |
40 |
65,0 |
65,0 |
86 |
686 |
95 |
2179 |
- |
- |
Стабилизация кривизны |
|
Продолжение таблицы 11
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
||
4 |
4-интервальный профиль пологой скважины Акр = 1200 м |
||||||||||||
0-1097 |
1097 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1097 |
1097 |
- |
- |
Вертикальный |
|||
1097-1443 |
346 |
0 |
65 |
220 |
220 |
433 |
1530 |
382 |
1,5 |
Набор кривизны |
|||
1443-1900 |
457 |
65 |
65 |
980 |
1200 |
1081 |
2611 |
- |
- |
Стабилизация кривизны |
|||
1900-1940 |
40 |
65 |
65 |
86 |
1286 |
95 |
2706 |
- |
- |
То же |
|||
5 |
4-интервальный профиль пологой скважины Акр = 1800 м |
||||||||||||
0-818 |
818 |
0 |
0 |
0 |
0 |
818 |
818 |
- |
- |
Вертикальный |
|||
818-1164 |
346 |
0 |
65 |
220 |
220 |
433 |
2151 |
382 |
1,5 |
Набор кривизны |
|||
1164-1900 |
736 |
65 |
65 |
1580 |
1800 |
1743 |
2994 |
- |
- |
Стабилизация кривизны |
|||
1900-1940 |
40 |
65 |
65 |
86 |
1886 |
95 |
3089 |
- |
- |
То же |
|||
6 |
4-интервальный профиль пологой скважины Акр = 2400 м |
||||||||||||
0-538 |
538 |
0 |
0 |
0 |
0 |
538 |
538 |
- |
- |
Вертикальный |
|||
538-884 |
346 |
0 |
65 |
220 |
220 |
433 |
971 |
382 |
1,5 |
Набор кривизны |
|||
884-1900 |
1016 |
65 |
65 |
2180 |
2400 |
2405 |
3376 |
- |
- |
Стабилизация кривизны |
|||
1900-1940 |
40 |
65 |
65 |
86 |
2486 |
95 |
3471 |
- |
- |
То же |
|||
- Интенсивность искривления о/100 м.
Таблица – 12
№ |
Обсадная колонна |
Интервал установки колонны, мм |
Наружный диаметр обсадной колонны, мм |
Диаметр ствола скважины под спуск обсадной колонны, мм |
Высота подъема цемента за колонной |
||
по вертикали |
по стволу |
||||||
|
Наклонная скважина (обычная), 4-интрервальный профиль, Акр = 600 м |
||||||
1 |
Направление |
0-40 |
0-40 |
323,9 |
393,7 |
До устья |
|
2 |
Кондуктор |
0-394 |
0-400 |
244,5 |
295,3 |
||
3 |
Эксплуатационная |
0-1940 |
0-2050 |
168,3/146,1 |
215,9 |
||
|
Пологая скважина, пятиинтервальный профиль, Акр = 600 м |
||||||
1 |
Направление |
0-40 |
0-40 |
323,9 |
393,7 |
До устья |
|
2 |
Кондуктор |
0-400 |
0-400 |
244,5 |
295,3 |
||
3 |
Эксплуатационная |
0-1940 |
0-2158 |
168,3/146,1 |
215,9 |
||
|
Пологая скважина, четырехинтервальный профиль, Акр = 1200 м |
||||||
1 |
Направление |
0-40 |
0-40 |
323,9 |
393,7 |
До устья |
|
2 |
Кондуктор |
0-550 |
0-550 |
244,5 |
295,3 |
||
3 |
Эксплуатационная |
0-1940 |
0-2706 |
146,1/127,0 |
215,9 |
||
|
Пологая скважина, четырехинтервальный профиль, Акр = 1800 м |
||||||
1 |
Направление |
0-40 |
0-40 |
323,9 |
393,7 |
До устья |
|
2 |
Кондуктор |
0-300 |
0-300 |
244,5 |
295,3 |
||
3 |
Промежуточная |
0-1164 |
0-1250 |
117,8/168,2 |
215,9 |
||
4 |
Эксплуатационная |
0-1940 |
0-3089 |
114,1/102 |
151,0/139,7 |
||
|
Пологая скважина, четырехинтервальный профиль, Акр = 2400 м |
||||||
1 |
Направление |
0-40 |
0-40 |
323,9 |
393,7 |
До устья |
|
2 |
Кондуктор |
0-300 |
0-300 |
244,5 |
295,3 |
||
3 |
Промежуточная |
0-1192 |
0-1700 |
168,3 |
215,9 |
||
4 |
Эксплуатационная |
0-1940 |
0-3471 |
114,1/102 |
139,7 |
||
Рисунок 13 - Профиль ствола скважины с пространственным
искривлением
Отличительной особенностью проектирования профиля пологой скважины является то, что здесь предварительно в зависимости от толщины продуктивного пласта hпл и требуемых значений длины ствола lпл (или проекции ствола на горизонтальную плоскость aпл) задается зенитный угол = кр, под которым вскрывается продуктивный пласт [9].
Для ГС значение кр задается в зависимости от расстояния между кровлей пласта и осью ствола горизонтального участка hкр, а так же радиуса искривления R2 на втором участке набора зенитного угла (рисунок 14).
В таблице 13 с учетом схемы (рисунок 14) приведены расчетные данные по lпл, и апл, вычисленные для пологих скважин с кр=60-80 при hкр=10-80 м. В таблице 14 приведены расчетные lпл, aпл, кр, вычисленные для различных величин hкр и радиусов искривления R.
Рисунок 14 - Расчетная схема вскрытия продуктивного пласта
Таблица 13 – Расчетные данные для пологой скважины
Толщина продуктивного пласта, hпл, м |
Параметры искривления пологой скважины в продуктивном пласте в зависимости от зенитного угла маx |
|||||
60 |
65 |
70 |
||||
апл |
lпл |
апл |
lпл |
апл |
lпл |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
10 |
17,3 |
20 |
21,4 |
23,6 |
27,5 |
29,2 |
20 |
34,6 |
40 |
42,9 |
47,3 |
54,9 |
58,5 |
40 |
69,3 |
80 |
85,8 |
94,6 |
109,9 |
117 |
60 |
103,9 |
120 |
128,6 |
141,8 |
164,8 |
175,4 |
80 |
138,6 |
160 |
171,5 |
189,1 |
219,8 |
233,9 |
Продолжение таблицы 13
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
75 |
80 |
85 |
|||
апл |
lпл |
апл |
lпл |
апл |
lпл |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
37,2 |
38,5 |
56,4 |
57,4 |
113,3 |
113,8 |
74,4 |
77,0 |
112,9 |
114,7 |
226,6 |
227,5 |
148,9 |
154,1 |
225,9 |
229,4 |
453,2 |
455,0 |
223,3 |
231,2 |
338,8 |
344,1 |
679,9 |
682,5 |
297,8 |
308,3 |
451,8 |
458,8 |
906,5 |
910,0 |
Таблица 14 - Расчетные данные для горизонтальной скважины
Расстояние от кровли продуктивного пласта, Нкр, м. |
Параметры искривления горизонтальной скважины в продуктивном пласте в зависимости от радиуса кривизны R, м. |
||||||||
250 |
300 |
350 |
|||||||
апл |
lпл |
|
апл |
lпл |
|
апл |
lпл |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
5 |
49,7 |
50,1 |
78,5 |
54,5 |
54,8 |
79,5 |
58,9 |
59,2 |
80,3 |
10 |
70 |
70,9 |
73,7 |
76,8 |
77,7 |
75,2 |
83,1 |
83,3 |
76,3 |
15 |
85,3 |
87 |
70,1 |
93,7 |
95,3 |
71,8 |
101 |
103 |
73,2 |
20 |
98 |
100 |
66,9 |
107 |
110 |
69 |
117 |
119 |
70,5 |
30 |
119 |
123 |
61,6 |
130 |
135 |
64,2 |
142 |
146 |
66,1 |
Продолжение таблицы 14
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
||||||
400 |
450 |
500 |
||||||||||||
апл |
lпл |
|
апл |
lпл |
|
апл |
lпл |
|
||||||
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
||||||
63 |
63,3 |
80,9 |
66,9 |
67,1 |
81,5 |
70,5 |
70,8 |
81,9 |
||||||
88,9 |
89,6 |
77,2 |
94,3 |
95 |
77,9 |
99,5 |
100,2 |
78,5 |
||||||
108,5 |
109,9 |
74,3 |
115,2 |
116,5 |
75,2 |
121,6 |
122,8 |
75,9 |
||||||
124,9 |
127 |
71,8 |
132,7 |
134,7 |
72,9 |
140 |
141,9 |
73,7 |
||||||
152 |
155,9 |
67,7 |
161,6 |
165,2 |
69 |
170,6 |
174,1 |
70,1 |
||||||
Зенитный угол 1 и радиус искривления R1 принимаются в зависимости от условий бурения, конструкции скважины, а также требований по надежной эксплуатации глубинно-насосного оборудования.
Кроме того, значение зенитного угла в начале интервала стабилизации можно определить по следующей формуле:
, (81)
где Атвп - горизонтальное отклонение на кровле продуктивного пласта для
пологих скважин, горизонтальное отклонение скважины без
учета длинны горизонтального участка (для горизонтальных
скважин);
H - вертикальная проекция участка искривления скважины, м;
Н=Нкр-h1;
h1 - глубина точки зарезки первоначального искривления
скважины, м;
Нкр - глубина по вертикали до кровли продуктивного пласта, м.
Расчет профиля ведется в трех проекциях – вертикальной (ось Z, направлена вниз) и двух горизонтальных (оси X и Y), где ось Х является касательной к магнитному меридиану в направлении магнитного севера, а ось Y направлена в сторону магнитного востока.
На рисунке 15 изображен пространственный профиль ствола скважины и углы пространственного искривления.
R = 380
м
Рисунок 15 - Проектный профиль наклонно направленной пологой
скважины Федоровского месторождения
Рисунок 16 - Углы пространственного искривления скважин
Исходными данными для расчета являются: начальный зенитный угол (0); зенитный угол на участке стабилизации (1); угол входа в продуктивный горизонт (2); конечный зенитный угол в продуктивном горизонте (3); начальный азимутальный угол (φ0); азимутальное изменение за каждый интервал бурения (Δφ1, Δφ2, Δφn); проектное смещение (AТВП); глубина скважины по вертикали до кровли продуктивного пласта (Нкр); глубина вертикального участка (h1); глубина продуктивного пласта (hпл); смещение в продуктивном горизонте (апл) для наклонно направленных скважин или длина горизонтального участка (lГ) для горизонтальных скважин.
Если изменение азимутального угла не происходит, то оно приравнивается к нулю и расчет профиля сводится к плоскостному типу.
Главным элементом расчета пространственного профиля является определение азимутального угла поправки, необходимого для коррекции профиля непосредственно перед началом бурения относительно круга и коридора допуска, который рассчитывается по формуле:
, (82)
где - азимутальное искривление за i интервал, град;
Атвп - расстояние от вертикали до точки входа ствола в пласт, м.
Начальный азимутальный угол с учетом поправки (п) определяется по следующей формуле:
н = п, (83)
где п - поправка азимутального угла, град;
- начальный азимутальный угол, град.
Начальный зенитный угол с учетом поправки на изменение азимутального направления (п) определяется по формуле 69, где вместо Атвп используется А́ - отклонение с учетом азимутальной поправки:
, (84)
где А́ - отклонение забоя от вертикали с учетом п, м;
, (85)
где - суммарное изменение азимутального угла, град.
Расчетные формулы для определения элементов профиля приведены в таблице 15.
Таблица 15 – Расчетные формулы элементов пространственного профиля скважины
Длина скважины по стволу, L, м |
Смещение А, м |
Проекции |
||||
вертикальная Z, м |
горизонтальная |
|||||
Х, м |
Y, м |
|||||
Вертикальный |
||||||
l1 = h1 |
a1 = 0 |
z1 = h1 |
x1 = 0 |
y1 = 0 |
||
Набор зенитного угла |
||||||
|
a2 = R1(cos0 - - cos1) |
z2 = R1(sin1 - - sin0) |
|
|
||
Наклонно прямолинейный |
||||||
|
|
z3 = Hкр - z1 - - z2 - z4 |
|
|
||
Набор зенитного угла |
||||||
|
a4 = R2(cos1 - - cos2) |
z4 = R2(sin2 - - sin1) |
|
|
||
Участок набора зенитного угла в продуктивном пласте |
||||||
|
а5 = R2(cos2 - - cos3) |
z5 = R2(sin3 - - sin2) |
|
|
||
Горизонтальный участок |
||||||
|
|
z6 = 0 |
|
|
||
Примечание: В графе проекции (Х) 1, 2, 3, 4 – азимутальные углы в конце интервала с учетом начального азимута 0.
В качестве примера приведем расчет рассмотренного пятиинтервального профиля при следующих исходных данных: глубина скважины по вертикали Н=1890 м; отклонение А=662 м; длинна вертикального участка h1=1250 м; радиусы кривизны равны R1=R2=380 м. Скважина искривлена в пространстве на 52; 1 = 27, 2 = 7, 3 = 13, 4 =5, 5 =0. Начальный азимут 0 =30.
Расчет профиля ведется с определения величины зенитного угла. В зависимости от толщины пласта (hпл=4 м.) по данным таблицы 13 принимаем зенитный угол при входе в пласт равным 2=82. Конечный зенитный угол 3=90. Длина горизонтального участка lГ =500 м.
Далее определяем значение начального зенитного угла по формуле 81.
Результаты расчета пятиинтервального пространственного профиля на примере наклонно направленной пологой скважины Федоровского месторождения приведены в таблице 16.
Строительство наклонно направленных скважин с пологим и горизонтальным окончанием ствола пространственного типа выдвигает дополнительные требования к качеству буровых растворов при первичном вскрытии продуктивных горизонтов, к программе промывки и очистки ствола скважины от выбуренной породы, сохранению устойчивости его стенок, а так же снижению коэффициента трения и сил адгезии.
В интервалах установки внутрискважинного оборудования (тангенциальный участок), кривизна ствола ограничивается как правило величиной 0,25/10 м проходки. Для выполнения данного требования в настоящее время отсутствуют эффективные многоцентраторные КНБК, методики расчета геометрических размеров, их выбора и конструирования в условиях буровой (кустовой площадки).