Техника и технология бурения и навигация сложнопрофильных скважин

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Федеральное агентсво по образование

 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

 

Самостоятельное структурное подразделение

«ИНСТИТУТ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ»

Л. М. Левинсон, Г.К. Чуктуров, М.Л. Левинсон, Ф.Х. Мухаметов

Техника и технология бурения и навигация сложнопрофильных скважин

Учебное пособие

Уфа

Издательство научно-технической литературы «Монография»

УДК 622.247.27

 

 

Утверждено решением Ученого совета

Самостоятельного структурного подразделения ГОУ ВПО УГНТУ

«Институт дополнительного профессионального образования»

в качестве учебного пособия

(протокол от _____________)

Рецензенты:

зам. генерального директора ОАО НПП «Азимут» В.В. Прокшин;

директор департамента сервиса ОАО НПП «Бурсервис» А.И. Мухачёв

Даны основные определения и понятия о наклонно-направленном и горизонтальном бурении. Рассмотрены причины самопроизвольного искривления и механизм их действия при бурении. Рассмотрены способы бурения направленных скважин, наиболее часто встречающиеся профили плоского и пространственного типа, приведены методики их расчета. Подробно описаны навигационные системы отечественного и зарубежного производства, компоновки бурильного инструмента для различных участков профиля скважины, забойные двигатели и области их применения. Впервые приведены формы сечений горизонтальных участков и проблемы создания нагрузки на долото, очистка горизонтальных участков. Предложены варианты их решения. Рассмотрены вопросы бурения боковых стволов, многоярусных и многоствольных скважин. Даны основы управления искривлением скважин и роторные управляемые системы.

Для слушателей Института дополнительного профессионального образования, студентов и аспирантов УГНТУ и специалистов по бурению нефтяных и газовых скважин.

 

 

УДК 622.247.27

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1. Назначение и область применения наклонно-направленного и горизонтального бурения…………………………………………………...………...5

1.1. Основные определения и понятия………………………………………………6

2. Причины и механизм самопроизвольного искривления скважин……………..11

2.1. Геологические факторы самопроизвольного искривления скважины (СИС)…..13

2.2. Технические причины искривления скважин…………………………………14

2.3. Технологические причины самопроизвольного искривления скважин……..14

3. Предупреждение самопроизвольного искривления скважин………………….15

4. Способы бурения наклонно-направленных скважин…………………...………15

4.1. Профили наклонных скважин………………………………………………...16

4.2 расчет трехинтервального профиля с участком стабилизации зенитного угла……………………………………………………………………………………19

4.3. Расчет трехинтервального профиля с участком падения зенитного угла…..21

4.4. Расчет четырехинтервального профиля с участком стабилизации зенитного угла………………………………..………………………………………23

4.5. Проектирование и расчет профилей горизонтальных скважин……………...25

4.5.1. Расчет профиля ГС плоского типа …………………………………………..26

4.5.2 расчет профиля ГС пространственного типа………………………………...28

4. 6. Кустовой метод бурения……………………………………………………….32

4.7. Многозабойные и многоярусные скважины…………………………………..35

5. Основы управления искривлением скважин……………………………………38

6. Технические средства управления искривлением………………………………39

7. Проектирование и расчет профилей горизонтальных скважин………………..50

7.1. Расчет профиля горизонтальной скважины…………………………………...52

7.2. Технология бурения боковых стволов………………………………………..53

7.3. Технология производства работ при ЗБС……………………………………59

7.4. Особенности технологии бурения горизонтальных участков скважины…...71

8. Обоснование режимных параметров при наклонном бурении………………..72

9. Особенности очистки горизонтальных участков ствола скважины…………..73

10. Бурение с применением телеметрических систем…………………………….74

10.1. Каналы связи телеметрических систем в бурении………………………….76

10.2. Телеметрические системы ведущих производителей………………………78

10.2.1 ТС с проводным каналом связи……………………………………………...78

10.2.2. ТС с электромагнитным каналом связи……………………………………88

10.2.3. ТС с гидравлическим каналом связи………………………………………91

10.2.4. ТС с комбинированным каналом связи……………………………………95

10.2.5. Аппаратно-программный комплекс контроля процесса бурения “Волга”………………………………………………………………………………..96

11. Роторные управляемые системы………………………………………………..98

11.1. Бурение с использованием гидравлических забойных двигателей………...99

11.2. Роторные управляемые системы для направленного бурения……………101

11.3. Роторные управляемые системы для бурения вертикальных скважин…...124

Литература…………………………………………………………………………..136

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО И ГОРИЗОНТАЛЬНОГО БУРЕНИЯ

 

Разработка нефтяных и газовых месторождении в труднодоступных районах, на акваториях и шельфах морей и океанов, доразработка старых месторождений, уплотнение сетки разработки, охрана земельных угодий, усиление экологических требований, сложные геологические условия – главные причины бурения наклонных и горизонтальных скважин.

Наклонно направленными считаются скважины, искривление ствола которых предусматривается проектом. Под термином «горизонтальная скважина» следует понимать наклонно направленную скважину, имеющую горизонтальный или субгоризонтальный с углом более 80⁰ участок ствола различной протяженности. Бурение таких скважин ускоряет освоение новых нефтяных и газовых месторождений, увеличивает дебиты и нефтеотдачу пластов, снижает капиталовложения, облегчает и упрощает обслуживание скважин.

В настоящее время практически все эксплуатационные скважины бурятся кустовым методом, когда устья нескольких скважин в кусте расположены близко друг к другу (4–5 м) на одной технологической площадке, а забои находятся в узлах сетки разработки. Число скважин в кусте колеблется от 2 до нескольких десятков.

Самым большим, состоящим из 64 скважин, является куст, построенный в черте города Лос-Анджелес, США. Для этих целей было сооружено специальное здание, в котором размещено буровое и эксплуатационное оборудование. Число морских скважин в кусте на морской платформе может достигать 50 и более.

Искусственное искривление скважин применяется с целью:

1) добычи нефти и газа из труднодоступных участков, занятых на поверхности промышленными и жилыми объектами, оврагами, горами, реками, озерами, болотами, лесами, морями;

2) экономии отводимых под строительство скважин плодородных земельных участков, лесов и др.;

3) экономии затрат на строительство оснований, подъездных путей, линий электропередач, связи, трубопроводов;

4) сокращения средств и времени на строительно-монтажные работы и обслуживание при эксплуатации скважин с близко расположенными устьями;

5) обхода зон катастрофических поглощений, обвалов и аварий в стволе скважины;

6) вскрытия продуктивных пластов, залегающих под пологим сбросом или между двумя параллельными сбросами;

7) проходки стволов на нефтяные пласты, залегающие под соляными куполами, в связи с трудностью бурения через них (соль «плывет», срезает бурильные и обсадные колонны);

8) бурения стволов для глушения открытых фонтанов и тушения пожаров;

9) перебуривания части ствола скважины;

10) вскрытия продуктивного пласта под определенным углом для увеличения поверхности дренажа и увеличения дебита скважины;

11) многозабойного вскрытия продуктивного пласта.

Особого внимания заслуживает опыт по бурению специальных наклонно-горизонтально-восстающих скважин с целью прокладки дюкеров под руслами рек. С этой целью спроектировано специальное оборудование, позволяющее забуривать скважину без вертикального участка, под углом 8°–12° к горизонту. Нагрузка на долото создается гидравлическим домкратом, забойный двигатель – электробур. Скважина проводится под дном реки на глубине 15–20 м. При выходе долота на поверхность на другом берегу реки бурильную колонну соединяют с дюкером и протаскивают всю систему труб обратно к устью скважины.

 

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОНЯТИЯ

 

По величине отклонения скважины делятся на две группы: условно вертикальные и наклонные. К условно вертикальным относятся скважины, оси которых имеют незначительные (до 2–3°) и плавные отклонения от вертикали. Ко второй группе относятся скважины с большими отклонениями (до 60°, 90° и более) от вертикали и со значительными смещениями забоя по горизонтали (от нескольких десятков до тысяч метров). Такие скважины принято называть наклонными.

Отклонение скважины может быть вызвано как природными факторами (геологическое строение разреза), так и технико-технологическими условиями бурения.

Каждая скважина бурится по проекту, предусматривающему вполне определенное положение ее ствола в пространстве, которое может быть достигнуто с помощью различных технических средств. Для проводки скважины строго по проекту необходимо в любой момент с достаточной точностью знать фактическое положение ствола в пространстве, уметь управлять траекторией движения долота в процессе бурения.

Скважины, наклонный ствол которых предусмотрен проектом и осуществляется с помощью специальных технических средств, называются наклонно направленными. Искривленными называются скважины, наклонный ствол которых проектом не предусмотрен, а получен в результате неправильного или недостаточного учета геологических факторов или вследствие технико-технологических упущений.

В настоящее время практически все эксплуатационные скважины как в России, так и за рубежом, бурятся кустовым методом, и являются либо наклонными, либо наклонными с горизонтальными участками в продуктивной части пласта. Пространственное положение любой точки характеризуется тремя ее координатами: X, Y, Z.

Пространственное положение оси скважины оценивают по совокупности координат отдельных ее точек, определяемых по данным измерений геофизическими приборами-инклинометрами.

Координаты устья скважины, т.е. самой верхней точки ее оси, определяют топографической маркшейдерской службой и они известны еще до начала строительства скважины.

Положение любой точки А (Рис.1.2) на оси скважины может быть определено расчетом, если известны ее расстояние от устья скважины по стволу, зенитные a и азимутальные b углы на участке от устья до точки А.

Зенитный угол a есть угол между касательной к оси скважины в точке замера и вертикалью.

Угол h = (90° – a) называется углом наклона и характеризует отклонение оси скважины в точке замера от горизонтали.

Азимут j – угол, измеряемый в горизонтальной плоскости между направлением на север и проекцией на горизонтальную плоскость касательной к оси скважины в точке замера по часовой стрелке. Различают истинный (геофизический) и магнитный азимуты. Географический азимут отсчитывается от направления на северный географический полюс, а магнитный азимут – от направления на северный магнитный полюс. Географические и магнитные полюса Земли не совпадают. Координаты северного магнитного полюса 75°53¢ с.ш. и 100°23¢ з.д.; южного магнитного полюса – 66°06¢ ю.ш. и 139°36¢ в.д. Разница в замерах географического и магнитного азимутов минимальна на экваторе и возрастает с увеличением широты местности. Эта величина называется магнитным склонением, она известна для каждой местности.

Величина магнитного склонения зависит от широты местности, на экваторе она минимальна, к полюсам увеличивается. Магнитные полюса дрейфуют в радиусе 30-40 км. К плоскости эклиптики ось Земли наклонена под углом 66^о34’

Апсидальная плоскость – вертикальная плоскость, проходящая через касательную к оси скважины в точке проведения замера.

Отход (смещение) – расстояние между устьем скважины и забоем по горизонтали.

Круг допуска - круг с центром в проектной точке забоя радиусом R_к на кровле продуктивного пласта, в который должен попасть ствол скважины.

Дирекционный угол – текущее значение азимута на цель (круг допуска)

Альтитуда – абсолютная отметка, уровень воды Финского залива Балтийского моря, принятая за «0» поверхности Земли.

 

 

 

 

Рис.1.1. Местоположения полюсов на земном шаре.

 

Рис.1.2.Схема определения параметров кривизны ствола скважин в точке замера: N – апсидальная плоскость; Р – горизонтальная плоскость; a - зенитный угол; j - азимут.

 

Кривизна – предел отношения угла поворота касательной по дуге к длине этой дуги (Рис.1.3):

где С – кривизна; j – угол поворота между касательными; D S – длина дуги между М и М ₁; М и М ₁ – точки на оси скважины.

 

Рис.1.3.Схема определения понятия кривизны скважины

Зенитное искривление – изменение зенитного угла между двумя точками замера.

Азимутальное искривление – изменение азимутального угла между двумя точками замера.

Пространственный или общий угол искривления – угол между двумя касательными, проведенными к оси скважины в точках замера, лежащих в плоскости искривления скважины. В этом случае принято допущение, что ось скважины на участке между двумя замерами представляет собой плоскую кривую.

Интенсивность искривления – приращение угла на единице длины ствола скважины. За единицу длины принято 10 м. Различают интенсивность i _a зенитного, азимутального i _b и общего искривления i _g:

градус/10 м; (1.1)

градус/10 м. (1.2)

Практически при бурении происходит пространственное искривление скважины, меняются зенитный и азимутальный углы, т.е. имеет место общее пространственное искривление под некоторым углом g.

Пространственное искривление на участке между точками замера n+1 и n выражается уравнением:

 

cos g = cos a _n ×cos a _{n +1} + sin a _n ^. sina _{n +1} ×cos Db. (1.3)

 

95% известных месторождений нефти и газа приурочены к антиклиналям и брахиантиклиналям (Рис.1.4);

Рис.1.4. Антиклиналь.

В зависимости от проницаемости и пористости проектируется сетка разработки. С целью сохранения земельных участков разбуривание месторождений осуществляется кустовым методом.