Искривление вертикальных скважин при бурении

Степень анизотропности у различных, а довольно часто и у одних и тех же пород, может изменяться в широких пределах. Наиболее высокой анизотропностью обладают слоистые горные породы, такие, как песчано-глинистые, кварцито-углисто-глинистые, ороговикованные и другие сланцы, имеющие различный литологический состав прослоев и резко колеблющуюся твердость. Высокую анизотропность имеют также метаморфизованные и трещиноватые породы.

Породы магматического происхождения (изверженные) обладают средней, а осадочные – слабой анизотропией, и некоторые из последних можно отнести даже к изотропным (например, мел, мергель, некоторые типы глин, известняков и т.д.). Вопросами анизотропности горных пород много занимались Г. В. Тохнуев и А. А. Титлянов, которые экспериментально подтвердили, что твердость минералов по различным кристаллографическим направлениям неодинакова. Они установили, что твердость минералов криворожских руд и вмещающих пород в направлении, перпендикулярной длинной оси, на 30-50% меньше, чем вдоль нее.

Анизотропность является постоянным условием, способствующим отклонению ствола скважины в процессе бурения от своего заданного направления.

Относительная разница между буримостью (или твердостью) в направлении, параллельном плоскости напластования, и в направлении, перпендикулярном ему, можно назвать показателем степени анизотропности горных пород. Американские исследователи Г. Вудс и А. Лубинский подобный показатель назвали буровым индексов анизотропии.

Вследствие одностороннего разрушения забоя искривление происходит в каждый момент времени ступенчато. Механизм искривления ствола можно представить следующим образом. В пространстве, выбуренном по контуру эпюры разрушения, торец породоразрушающего инструмента стремится занять такое положение, при котором его центральная ось совпала бы с серединой овала. Инструмент будет передвигаться в сторону наиболее интенсивно разбуриваемой стенки скважины по мере возникновения свободного пространства, образовывающегося после каждого оборота породоразрушающего инструмента по линии наименьшего сопротивления в породе.

Описываемый процесс должен продолжаться до тех пор, пока под торцом долота или коронки не прекратится асимметричное разрушение породы забоя и стенок скважины. По-видимому, это может наблюдаться лишь в том случае, если ось скважины займет положение, перпендикулярное к плоскости слоистости.

С явлением анизотропности горных пород связываются основные условия искривления скважин.

Таким образом, в настоящее время существует мнения о влиянии угла наклона пластов и анизотропности пород на степень искривления скважин. В первом случае однородные породы значительных мощностей могут залегать под большими углами друг к другу, однако при этом сильных искривлений стволов скважин не наблюдается.

Во втором случае породы однородны, залегают под небольшими углами, но сильно анизотропны, так как имеют значительную микрослоистость. В этих породах скважины сильно отклоняются от первоначально заданного направления.

Значительное влияние на искривление скважин оказывают слоистость, перемежаемость пород различной твердости и степень наклона пластов к горизонту.

По мере углубления скважина все больше искривляется по восстанию пластов до тех пор, пока в конце концов ствол ее не станет перпендикулярным к плоскости напластования, а угол наклона не станет равным углу падения пластов.

При высоких осевых нагрузках трещины в породе проникают на большую глубину, и клинья породы будут иметь большие размеры. Боковая реакция со стороны этих своеобразных отклонителей увеличится, и скважина будет искривляться более интенсивно.

При переходе из мягких пород в более твердые и наоборот скважина может также отклоняться от заданного азимутального направления.

2.1.2 Влияние технологических условий  на искривление скважин

Технологические условия связаны со способами и режимами, применяемыми при бурении. Они в основном определяются осевыми нагрузками на забой и числами оборотов породоразрушающего инструмента, которые ведут к неравномерной разработке стенок скважины и к неравномерному разрушению забоя. В свою очередь неравномерная разработка элементов скважины вызывает увеличение сил, отклоняющих низ бурильного инструмента от оси скважины, и уменьшение механических скоростей бурения.

К основным технологическим условиям, ведущим, в конечном счете, к искривлению ствола скважины, относится в основном неравномерность разбуриваемости стенок скважины, величина сил, действующих на низ бурильного инструмента, и некоторые другие факторы.

Неравномерная разбуриваемость стенок скважин относится ко всем видам бурения и связана с тем, что породы, слагающие стенки скважины, различны по своему минералогическому составу и, следовательно, в разной степени сопротивляются воздействию на низ режущих частей породоразрушающего инструмента.

Например, при бурении алмазным инструментом разрушение стенок скважины происходит наиболее равномерно. Кроме того, резцы алмазных коронок выступают за боковые стороны незначительно, поэтому зазоры между алмазным инструментом и стенками скважин в процессе бурения невелики. При колонковом бурении они достигают 1-1,5 мм, а при мелкоалмазном – 0,2-0,5 мм. Поэтому скважины при алмазном бурении искривляются довольно умеренно.

Бурение шарошечными долотами характеризуется больше степенью разработки стенок скважины. При этом чем мягче порода и больше величина зубьев шарошек, тем больше диаметральная разбуриваемость стволов скважин. При бурении шарошечными штырьевыми долотами в крепких породах разбуриваемость стенок, а, следовательно, и величина искривления скважин значительно понижаются.

Бурение коронками, армированными твердыми сплавами, осуществляется в породах мягких и средней крепости. В этих условиях неоднородность механических свойств пород проявляется не так резко, как при бурении алмазными коронками и долотами. Но в этом случае на величину зазора между боковой поверхностью бурильного инструмента и стенками скважин оказывают большое влияние расположение резцов и величина их выхода на сторону.

При неоднородной твердости разбуриваемых пород и симметричном раположении резцов на диаметрально противоположных сторонах коронки или долота последние будут отклоняться в сторону, противоположную твердой породе. В процессе бурения бурильная колонна до некоторой степени вибрирует и возникающее толчки и удары усиливают разбуриваемость стенок скважины. Увеличенный выход на сторону резцов при бурении коронками, армированными твердыми сплавами, приводит к более интенсивному искривлению скважин при твердосплавном бурении, чем при алмазном.

Другим фактором технологического порядка, влияющим на искривление скважин, является величина сил, действующих на низ бурильного инструмента. Она связана с такими основными режимными параметрами, как осевая нагрузка и числа оборотов породоразрушающего инструмента.

Для уяснения механизма действия этих факторов на искривление скважин рассмотрим работу колонны бурильных труб при вращательном бурении.

Известно, что бурильный инструмент приводится во вращение двигателем при помощи гибкой системы бурильных труб, поэтому в первую очередь необходимо уяснить, как располагается бурильная колонна в скважине во время вращения и какие силы действуют на её низ. От действия этих сил зависит расположение низа бурильного инструмента в скважине во время бурения, от чего, в свою очередь, зависит степень искривления скважины.

На низ бурильной колонны действуют в основном такие силы, как: а) сжимающие – от осевой нагрузки; б) изгибающие – от совместного действия центробежных усилий веса труб; в) скручивающие – от передачи вращательного момента породоразрушающему инструменту на забое.

На низ бурильной колонны, вероятно, оказывает влияние и гидростатическое давление, а также внутреннее избыточной давление промывочной жидкости, хотя этот вопрос в настоящее время является спорным.

Возможен также изгиб колонны бурильных труб в результате совместного действия центробежных и продольных сил. Колонна труб в процессе бурения подвергается воздействию центробежных и продольных сил.

Следует отметить, что потеря устойчивости влечет за собой отклонение колонны от оси скважины, и это является одной из причин перекоса породоразрушающего инструмента, приводящих к искривлению скважин.

2.1.3 Влияние технических  условий на искривление скважин

На отклонение скважин от своего заданного направления значительно влияют также технические условия. В результате применения бурильных компоновок неправильных конструкций, нерациональных размеров, плохого качества и т.д. в процессе бурения происходит интенсивная разработка стенок скважины, в результате чего увеличивается зазор между стенками скважин и низом бурильных компоновок, а, следовательно, и возможность перекоса последних в стволе. Это в свою очередь ведет к отклонению оси скважины во время ее проходки, т.е. возникает искривление ствола. К техническим условиям можно до некоторой степени отнести неправильную установку ротора бурового станка или направляющей трубы и кондуктора. Однако эти условия ведут собственно не к искривлению скважины, а к неправильному заложению ее по отношению к заданному проектом направлению.

Технические условия, вызывающие искривление скважины в процессе бурения, в основном связаны с конструктивными особенностями компоновок низа бурильного инструмента, а также с неправильными приемами работы.

Ниже перечислены технические условия, вызывающие образование увеличенных зазоров между стенками скважины и низом бурильного инструмента и приводящие, в конечном счете, к искривлению ствола скважины.

1. Бурение скважин бурильной компоновкой с эксцентрично навинченным породоразрушающим инструментом или переводниками. При этом несоосность инструмента в скважине ведет к интенсивному разбуриванию стенок. Величина эксцентриситета в этом случае определяет степень разбуривания.

При бурении погнутыми ведущими трубами, особенно в мягких породах наблюдается также усиленная разработка стенок скважины.

2. Использование бурильного инструмента несоответствующих конструкций, особенно при смене диаметра скважины.

При переходе с большого диаметра на меньший, если применить обычную компоновку низа бурильного инструмента, ствол меньшего диаметра может быть забурен эксцентрично.

3. Применение бурильного инструмента несоответствующих конструкций при расширении ствола скважины также может привести к отклонению ствола скважины от требуемого направления. Причем, такое положение может возникнуть, если в компоновке отсутствует направляющий шпиндель.
4. К другим техническим условиям, способствующим возникновению искривления, относится, например, бурение не соответствующими для данных условий по длине компоновками бурильного инструмента (короткими турбобурами или колонковыми трубами, особенно в часто перемежающихся породах различной твердости и т.д.), компоновками несоответствующих поперечных размеров, а также породоразрушающими затупившимися инструментами или не соответствующими по конструкции проходимым породам.

К техническим условиям, вызывающим неправильное начальное направление скважины, относятся следующие.

1. Неправильная установка ротора или бурового станка. При бурении вертикальных скважин небольшой перекос ротора во время монтажа может привести к неправильной забурке скважины. На забуривание в строго заданном направлении ствола скважины особенно большое влияние оказывает качество установки бурового геологоразведочного вала может вызвать сильное изменение азимутального направления, особенно при малых зенитных углах, а также изменение зенитного угла. Если станок установлен на непрочном фундаменте, то в процессе забуривания скважины возможна его осадка и, следовательно, отклонение вращателя от заданного направления.

Подобные начальные отклонения оси скважины часто встречаются при бурении как вертикальных, так и наклонно-заданных скважин.

При этом величина отклонений может быть различной, а направление носить случайный характер.

2. Бурение скважины с неисправленным ротором или вращателем. Подработка различных втулок, образование люфтов и т.д. Довольно значительное отклонение шпинделя во вращателе наблюдается, если при большой подработке втулки шпинделя над ним выступает длинный конец бурильной трубы с сальником и нагнетательным шлангом.
3. Неправильная установка направляющей трубы или кондуктора. Плохо отцентрированные и закрепленные обсадные трубы (направление или кондуктор) также могут вызвать отклонение оси скважины в самом начале бурения.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1. Основной причиной, непосредственно вызывающей искривление вертикальных скважин, является неравномерная разработка площади забоя в разных направлениях, что приводит в процессе бурения к смещению забоя в пространстве. В отношении наклонно-заданных скважин такой причиной искривления является неравномерная разработка площади забоя по окружности и стенок скважин в призабойной зоне.
2. Неравномерное разрушение забоя происходит при определенных геологических и технологических условиях.
3. Неравномерное разрушение стенок наклонно-проходимых скважин в призабойной зоне вызывается действием силы тяжести бурильного инструмента.
4. Необходимым условием, которое приводит к искривлению скважины, является несовпадение оси низа бурильного инструмента с осью скважины по действием отклоняющего усилия. Последнее возникает в нижней части бурильного вала при взаимодействии в основном изгибающих (от совместного действия центробежных сил и усилий веса)  и скручивающих (от передачи вращательного момента породоразрушающему инструменту на забое) сил.
5. Первопричиной, вызывающей искривление вертикально заданных скважин, являются главным образом геологические условия.
6. Технические условия, хотя и не приводят непосредственно к неравномерному разрушению забоя, играют большую роль в выполнении задач, поставленных перед скважиной.