Определение допустимой интенсивности искривления скважин

 

Выбор необходимой интенсивности искривления ствола производится с учетом нескольких факторов. Очевидно, что при значительной интенсивности искривления, ухудшаются условия эксплуатации всего оборудования и инструмента, при спуске бурильных и обсадных колонн возможны посадки и образование желобов. Однако длина интервала искривления в этом случае сокращается, что приводит к уменьшению дополнительных затрат времени на бурение с отклонителем. При малой интенсивности искривления затраты за счет увеличения длины интервала бурения с отклонителем существенно выше.

Допустимый радиус кривизны определяется с различных точек зрения. Во-первых, минимально допустимый радиус кривизны ствола рассчитывается исходя из условий проходимости всего инструмента и оборудования по скважине. При этом учитывается возможен ли спуск инструмента под действием веса, например, колонны бурильных труб. В этом случае допускается изгиб спускаемого инструмента, в частности турбобура, но, естественно, без остаточных деформаций. Если принудительный спуск невозможен (спуск на кабеле, тросе), то между инструментом и стенками скважины должен быть зазор, величина которого согласно инструкции принимается равным 1,5 - 3 мм. В общем случае достаточно точно минимальный радиус кривизны R_min с этой точки зрения определяется по формуле [1]

R_min = L²/ [8 ^. (D - d - k)], (27)

 

где L - длина спускаемого инструмента, м; d - его диаметр, м; D - диаметр скважины или внутренний диаметр соответствующей обсадной колонны в зависимости от исходных условий расчета, м; k - необходимый зазор, м.

Во-вторых, чтобы не происходило разрушение стенок скважины при спуско-подъемных операциях, т.е. для исключения желобообразования, минимальный радиус искривления R должен удовлетворять следующему условию [1]

 

R > P ^. l/ F_доп, (28)

 

где P - натяжение бурильной колонны при подъеме инструмента, кН; l - расстояние между замками, м; F_доп - допустимая сила прижатия замка к стенке скважины, кН.

Для условий Западной Сибири при глубинах до 1000 м F_доп = 10 кН, а при больших глубинах F_доп = 20-30 кН. В крепких породах F_доп = 40-50 кН. [1]

В-третьих, для нормальной эксплуатации бурильных и обсадных колонн, т.е. для того, чтобы напряжение в трубах за счет изгиба в искривленных интервалах не превышали допустимых, минимальный радиус кривизны R_min должен быть следующим

R_min ³ E^. d/2 [s_изг], (29)

 

E - модуль упругости, МПа/мм²; d - наружный диаметр труб, мм; [s_изг] - допустимое напряжение изгиба, МПа/мм².

Определив минимальные радиусы по формулам (27) - (29), выбирают наибольший, по которому и ведут дальнейшее проектирование.

Нередко минимальный радиус кривизны оговаривается инструкциями. Так, например, до недавнего времени в Западной Сибири максимальная интенсивность искривления была ограничена величиной в 2 град/10 м, что соответствует радиусу кривизны около 285 м, затем эта величина была уменьшена до 1,5 град/10 м.

Значительно ограничивается интенсивность искривления ствола в интервале установки насосного оборудования (900 - 1400 м в зависимости от глубины залегания продуктивного горизонта). Согласно инструкции [4] она должна быть не более 3 град/100 м. Это ограничение связано с тем, что в искривленных участках существенно снижается межремонтный период (МРП) насосного оборудования, который является одним из основных показателей его работы.

 

Расчет профиля скважины

 

Общий порядок расчета профиля скважины сводится к следующему.

1. По ранее пробуренным на месторождении скважинам определяются закономерности искривления и влияние на него различных факторов. Эти данные позволяют определить интенсивность естественного искривления на отдельных интервалах.

2. По схеме кустования или структурной карте и геологическим разрезам определяются проектный азимут скважины, глубина скважины по вертикали и проектное смещение (отход).

3. Определяется конечная глубина верхнего вертикального участка. Очевидно, что чем меньше глубина, на которой производится искусственное искривление скважины, тем меньше общие затраты средств и времени на бурение. С этой точки зрения длина верхнего вертикального участка должна быть минимальной. С другой стороны, искусственное искривление ствола в рыхлых породах затруднено, хотя в Западной Сибири есть опыт искривления, начиная с глубины 20 м.

В ряде районов страны длина рассматриваемого интервала принимается такой, чтобы насосное оборудование в процессе эксплуатации скважин находилось в вертикальном участке. Длина его в этом случае доходит до 1000 м.

При бурении скважин с кустовых площадок на длину верхнего вертикального участка накладывается еще ряд требований, связанных с необходимостью исключения пересечения стволов. Эти требования будут рассмотрены ниже в разделе 8.1.

4. Выбирается КНБК, обеспечивающая необходимую интенсивность искусственного искривления, которая не должна превышать ранее рассчитанную максимальную интенсивность искривления. В ряде случаев, наоборот, сначала может быть принята КНБК и по ней определяется интенсивность искусственного искривления.

Интенсивность искривления на участках естественного уменьшения зенитного угла устанавливается исходя из практического опыта.

5. По величине интенсивности искусственного искривления определяются радиусы кривизны R соответствующих интервалов по формуле (3).

Полученные величины радиусов сравниваются с минимально допустимыми и при необходимости корректируются.

6. Производится расчет профиля, т. е. определяется необходимый зенитный угол скважины в конце интервала набора кривизны, проекции всех интервалов на горизонтальную и вертикальную плоскость, их длины, глубина скважины по вертикали, отход (смещение) и глубина скважины по стволу. Рассчитанные глубина по вертикали и смещение сравниваются с заданными, что является проверкой правильности всех расчетов.

В приведенных ниже формулах приняты следующие условные обозначения:

h - глубина скважины по вертикали, м;

S - общий отход скважины (смещение), м;

H_n - вертикальная проекция n- го интервала, м;

S_n - горизонтальная проекция n- го интервала, м;

l_n - длина n- го интервала, м;

R_n - радиус кривизны n- го интервала, м;

L - глубина скважины по стволу, м;

Q_n - зенитный угол скважины в конце n- го интервала, град.

 

Трехинтервальный профиль

 

При третьем прямолинейном интервале профиля (рис. 10, а) расчет ведется по следующей схеме

Рис. 10. Трехинтервальный профиль

 

Q₂ = arccos {[R₂ ^. (R₂ - S)] + H ^. [(H² +S² - 2R₂ ^. S)]^0,5}/ [(R₂ - S)² + H²], (39)

где H = h - H₁.

l₂ = 0,01745^. R₂ ^. Q₂, (40)

H₂ = R₂ ^. sin Q₂, (41)

S₂ = R₂ ^. (1 - cos Q₂), (42)

l₃ = (H - H₂)/cos Q₂, (43)

Рис. 11. Четырехинтервальный профиль

H₃ = h - H₁ - H₂, (44)

S₃ = (H - H₂). tg Q₂, (45)

L = H₁ + l₂ + l₃. (46)

Четырехинтервальный профиль

 

При проектировании скважин с четырехинтервальным профилем (рис. 11) в качестве исходных данных, кроме глубины скважины по вертикали h, отхода S, глубины вертикального участка H₁, радиусов кривизны R₂ и R₄, вводится зенитный угол скважины в конце второго интервала Q₂. Его величина определяется либо нормативно (в ряде случаев зенитный угол скважины не может превышать определенной величины, например, 20^О), либо берется несколько больше, рассчитанной по формуле (39). Далее определяется длина третьего прямолинейного участка по формуле

 

l₃ = A - B, (47)

где A = [(h - H₁ - R₂ ^. sin Q₂) / cos Q₂] -ôS - Bô^. sin Q₂, (48)

В = R₂ (1 - cos Q₂) + (h - H₁ - R₂ ^. sin Q₂) tg Q₂. (49)

Зенитный угол скважины на конечной глубине Q₄ определяется по формуле

 

Q₄ = Q₂ - arctg [C/(R₄² - C²)^0,5], (50)

где C = [ 2R₄ ôS - Bô cos Q₂ - (S - B)² cos² Q₂]^0,5. (51)

 

Параметры второго интервала определяются по формулам (40), (41) и (42).

Для третьего интервала глубина по вертикали h₃ и отход S₃ определяются из выражений

h₃ = l₃ ^. cos Q₂, (52)

S₃ = l₃ ^. sin Q₂. (53)

 

Для четвертого интервала параметры профиля определяются по формулам

 

l₄ = 0,01745 ^. R₄ (Q₂ - Q₄), (54)

S₄ = R₄ (cos Q₄ - cos Q₂). (55)