Бурение наклонно направленных скважин при современных способах разведки и разработки месторождений полезных ископаемых позволяет сократить объем основных операций (многозабойное бурение) и вспомогательных операций (бурение кустовых скважин), повысить эффективность буровых работ за счет пересечения пластов полезных ископаемых под заданным углом, проводить разведку и разработку месторождений под неудобьями (зоны отчуждения, заповедники, различные водоемы, в том числе шельф). Одной из основных задач при бурении наклонно направленных скважин являет проведение их по проектной трассе.
При механическом вращательном бурении всегда присутствует естественное (самопроизвольное) искривление ствола скважины [1, 2], что снижает эффективность этих работ. Существующие способы проведения скважин по проектной трассе можно подразделить на три группы:
- дополнительные работы по направленному искривлению ствола скважины в том случае, если продолжение бурения приведет к превышению допустимых значений отклонения от проектной трассы;
- применение специальных компоновок низа бурильной колонны (КНБК) или технических средств для управления трассой скважины, вплоть до дорогостоящих роторных управляемых систем (РУС).
- забуривание скважины с учетом характера и закономерностей самопроизвольного искривления скважины с целью приведения ее в заданную проектом точку.
Работы по направленному искривлению отдельных участков скважины приводит к ее удорожанию, повышает вероятность аварий в местах локального искривления ствола скважины. Применение специальных компоновок низа бурильной колонны так же приводит к удорожанию применяемого инструмента и оборудования, повышению гидравлических сопротивлений в месте установки центраторов. Наиболее эффективным и мало затратным является заложение скважины с учетом выявленного характера и закономерностей её естественного искривления.
Факторы, которые приводят к самопроизвольному (естественному) искривлению скважин, условно можно разделить на: геологические, организационно-технические и технологические. К геологическим причинам самопроизвольного искривления можно отнести: бурение пород анизотропных, перемежающей твердости, слоистых, сланцеватых и с ориентированной трещиноватостью (кливаж).
Для выявления закономерностей естественного искривления, вызванных геологическими причинами, необходима статистическая обработка фактических профилей скважин, пробуренных на данном участке месторождения. При низком коэффициенте корреляции выявить достоверные закономерности самопроизвольного искривления скважин бывает затруднительно, а при начале работ на новых объектах и вовсе невозможно.
В данной статье разработана математическая модель искривления ствола скважины в результате воздействия основных технологических факторов. Выявленные закономерности позволяют построить вероятной профиль ствола скважины. Анализ влияния отдельных технологических параметров может быть использования для подбора их оптимального сочетания.
Рассмотрена стандартная компоновка низа бурильной колонны, состоящая из породоразрушающего инструмента (ПРИ) с калибратором или алмазным расширителем и компоновкой низа бурильной колонны. К основным технологическим параметрам отнесены: осевая нагрузка на забой; диметр ПРИ и его фрезерующая способность; диаметр, вес 1 метра и жесткость бурильных труб; зенитный угол и кривизна оси ствола скважины; направление вращения ПРИ.
Процесс искривления скважин определяется характером движения участка компоновки низа бурильной колонны от торца ПРИ до первой точки касания со стенкой скважины (далее – компоновка). Деформацию колонны бурильных труб на участках скважины с зенитным углом более 16 градусов с достаточной для инженерных расчетов точностью можно представить, как плоский изгиб балки под действием продольных и поперечных сил [2].
Деформация компоновки длиной l, находящегося в стволе скважины кривизной K с зенитным углом α происходит под действием следующих сил: Р – реакции забоя на торец ПРИ, H; R – реакции стенки скважины на боковую поверхность ПРИ, Н; – нормальная составляющая рассредоточенной нагрузки от веса бурильных труб, Н/м. Расчетная схема деформации компоновки в вертикальной плоскости, в которой начало системы координат находится в центр ПРИ, ось Х направлена по его оси, а ось Y перпендикулярна оси Х и направлена вверх, приведена на рисунке 1.
В результате деформации ось ПРИ составляет с осью скважины угол 
, а компоновка на расстоянии 
касается стенки скважины. В месте контакта ось бурильных труб параллельна оси скважины , а величины их кривизны K принимаются равными.
Параметры стенки скважины в месте касания с компоновкой в данной системе координат [4]:
Используя приближенное дифференциальное уравнение изогнутой оси балки под действием продольных и поперечных сил [3] для следующих граничных условий:
составим систему дифференциальных уравнений:
где EI – жесткость бурильных труб компоновки, Нм2.
Длина компоновки в результате решения данной системы уравнений находится методом дихотомии из уравнения:
Величина смещения точки касания бурильной колонны со стенкой скважины:
Величина угла между осью ПРИ и осью скважины:
Реакции стенки скважины на боковую поверхность ПРИ:
Искривление ствола скважины происходит в результате действия двух процессов:
- асимметричного разрушения забоя под действием осевой нагрузки Р за счет отклонения оси породоразрушающего инструмента от оси скважины на величину угла ;
- фрезерования стенки скважины боковой поверхностью ПРИ с силой R с учетом его фрезерующей способности f.
Схема векторов скоростей движения центра породоразрушающего инструмента приведена на рисунке 2. Величины сил откладываются в одном масштабе.
При бурении следующего интервала скважины ось ПРИ поворачивается на угол:
а верхний конец направляющего участка на угол
Кривизна оси ствола следующего участка будет равна:
Расчетный зенитный угол оси долота при бурении следующего участка составит:
Полученные расчетные данные могут быть использованы при определении деформации компоновки при бурении следующего интервала.
Кроме зенитного искривления скважины в апсидальной плоскости вращение инструмента приводит к азимутальному искривлению ствола скважины. Вращающийся ПРИ, прижатый с силой R к лежачей стенки скважины, за счет силы трения накатывается на правую стенку [1]. Отклонение оси ПРИ от оси скважины показано на рисунке 3.
Отклонившись на угол δ относительно центра забоя ПРИ остается в равновесии при условии:
из которого следует:
Смещение центра ПРИ ориентировочно можно оценить по формуле:
где Ктр – коэффициент трения боковой поверхности ПРИ о стенку скважины, Н.
Опыт бурения наклонных скважин подтверждает выявленные зависимости. Наклонные скважины, как правило, отклоняются в сторону снижения величины зенитного угла и увеличения азимута.
Интенсивность азимутального искривления можно рассчитать по формуле:
Моделирование профиля скважины с учетом влияния технологических параметров на процесс самопроизвольного искривления ствола скважины можно произвести по упрощенному методу хорд:
Выводы
Предложенная методика моделирования деформации стандартных компоновок низа бурильной колонны в наклонных криволинейных стволах скважины, учитывающая технологические параметры режима бурения позволяет: использовать выявленные закономерности при проектировании профиля наклонно направленных скважин; используя анализ влияния отдельных технологических параметров, управлять характером и интенсивностью искривления ствола скважины вплоть для подбора такого их сочетания, когда будет достигнута стабилизация направления при бурении наклонных скважины.
