CC BY
26
УДК 622.243.272
ОБЛАСТИ ЭФФЕКТИВНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ, РЕАЛИЗУЮЩИХ РАЗНЫЕ ПРИНЦИПЫ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРАВЛЕНИЯ СТВОЛОВ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН
1 2 3
© Н.А. Буглов , А.В. Карпиков , П.С.Гриб
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрена зависимость стабилизирующей способности технических средств направленного бурения от горно-геологических условий. Определено влияние носителей анизотропии на выбор принципов стабилизации направления стволов скважин и компоновок нижней части бурильной колонны.
Библиогр. 6 назв. Табл. 2.
Ключевые слова: направленное бурение; геологоразведочная скважина; искривление; анизотропия.
EFFECTIVE OPERATION OF TOOLS FOR DIRECTIONAL DRILLING TO STABILIZE DIRECTION OF EXPLORATION BOREHOLES
N.A. Buglov, A.V. Karpikov, P.S. Grib
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article offers the study on the dependence of stabilizing capacity of directional drilling tools on mining and geological conditions. Besides, it reports the influence of anisotropy carriers on selecting principals to stabilize borehole directions and assembling special drilling tools of the drilling string lower part.
6 references. 2 tables.
Key words: directional drilling; borehole; curve; anisotropy.
Проведенный нами анализ результатов практического применения в различных геологических организациях широкого комплекса технических средств борьбы с естественным искривлением скважин при алмазном бурении [1, 4-6 и др.] показал, что:
- всегда имеет место значительный разброс в их стабилизирующей способности по отношению друг к другу в одних и тех же горно-геологических условиях;
- уменьшение интенсивности естественного искривления скважин на одном и том же участке работ при исполь-
зовании нескольких отличных по конструктивным параметрам компоновок осуществляется с разными технико-экономическими показателями;
- коэффициент стабилизирующей способности (отношение интенсивности искривления при применении обычного колонкового набора к интенсивности искривления при эксплуатации опытного снаряда или способа каждого отдельного технического средства) является величиной непостоянной и зависит от горно-геологических условий место рождения;
- в настоящее время отсутствуют
:Буглов Николай Александрович, кандидат технических наук, проректор по учебной работе, заведующий кафедрой нефтегазового дела, тел.: 8(3952) 405090, e-mail: burenie@istu.edu
Buglov Nikolay, Candidate of technical sciences, Pro-Rector for Academic Affairs, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: 8(3952) 405090, e-mail:dis@istu.edu
2Карпиков Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: 8(3952) 405090, e-mail: burenie@istu.edu
Karpikov Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: 8(3952) 405090, e-mail:burenie@istu.edu
3Гриб Петр Сергеевич, старший преподаватель кафедры нефтегазового дела, тел.: 8(3952) 405090, e-mail: burenie@istu.edu
Grib Petr, Senior Lecturer of the Department of Oil and Gas Business, tel.: 8(3952) 405090, e-mail: burenie@istu.edu
практические рекомендации по определению областей эффективного использования компоновок или способов, реализующих разные принципы стабилизации направления стволов скважин.
Данные выводы убедительно подтверждаются результатами (табл. 1) наших многолетних работ по управлению кривизной скважин на Пограничном флюоритовом месторождении при эксплуатации комплексов КССК-76 [1].
Геологический разрез участка месторождения, на котором проводились исследования, был сложен крутопадающими, перемежающимися породами VII-XI категории по буримости - сланцами различного состава, порфиритами, грейзенами, грейзенезированными гранитами, брекчиями и флюоритовой рудой.
Интенсивное искривление стволов скважин (6-15 градус/100 м) происходило в интервалах, представленных сланцами, мощность которых изменялась от 10 до 420 м. В других породах этот показатель составлял 1-1,5 градус/100 м.
Авторами совместно с технологической службой Артемовской экспедиции и ОМПНТ ГГП «Приморгеология» были апробированы в большом объеме практически все приемлемые для комплекса КССК-76 технические средства и способы снижения интенсивности естественного искривления скважин. Результаты этих работ приведены в табл. 1, из которой видно, что:
- компоновки, реализующие разные принципы стабилизации направления стволов скважин, в одних и тех же горно-геологических условиях имеют
Техническое средство (спо- Средние параметры
№ соб) снижения интенсивности Механическая Длина Проход- Интенсивность
п/п естественного искривления скорость бу- цикла, ка на ко- искривления по
скважин рения, м/ч м ронку, м полному углу, град/100 м
Колонковый набор
1 КССК-76 1.64 1.30 20.22 6.5
2 УБТР-73+ КССК-(3 м) 1.82 1.52 21.20 4.0
3 Центрированные колонковые трубы КССК-76Ц 1.50 1.65 20.22 1.6
Предварительно деформиро-
4 ванные колонковые трубы КССК-76Д 1.65 1.50 20.22 2.5
5 Несимметричные алмазные коронки (по а.с. №1681598) 2.15 2,00 22.62 1.6
6 Профилированные колонковые трубы КССК-76П 1.64 1.65 20.22 3.9
7 Жесткие компоновки
КССК -76 ЖСК 1,45 1,5 20 2,4
8 Использование технологиче-
ских приемов (снижение в 2 раза осевого усилия) 0,75 1,3 13,5 3,3
: Цены на 01.07.91 г.
Таблица 1
Технические показатели применения технических средств и способов снижения интенсивности естественного искривления скважин на Пограничном месторождении
значительный разброс в стабилизирующей способности по отношению друг к
другу;
- конструктивные параметры стабилизирующих компоновок оказывают заметное влияние на производительность бурения;
- в горно-геологических условиях Пограничного месторождения наиболее эффективными являются несимметричные алмазные коронки, гарантирующие в процессе бурения минимально возможное отклоняющее усилие на своих подрезных алмазах, обусловленное действием технико-технологических факторов.
Предварительно деформированные колонковые наборы, обеспечивающие одинаковый с несимметричными коронками принцип стабилизации, имели в вышеописанных условиях неоптимальные параметры, в силу чего результативность их применения оказалась ниже ожидаемых.
Компоновки, снижающие интенсивность естественного искривления скважин за счет центрации и повышения жесткости своего поперечного сечения (КССК-76 ЖСК, КССК-76Ц и КССК-76П), оказались в данной ситуации заметно менее эффективными, чем бессекторный алмазный породоразру-шаюший инструмент.
В табл. 2 представлены результаты использования некоторых известных технических средств на ряде месторождений России и СНГ, отличающихся друг от друга особенностями геологического разреза. При этом все геометрические размеры компоновок (ТСБИС, ЭКТ, ЖК-5) оставались неизменными и соответствовали конструкторской документации разработчиков, а параметры режимов бурения поддерживались в пределах, рекомендуемых правилами их эксплуатации.
Приведенный в табл. 2 материал убедительно свидетельствует о том, что для каждой компоновки существуют благоприятные геологические разрезы,
в которых ее стабилизирующая способность максимальна.
Анализ изложенной выше информации позволяет сделать вывод: в настоящее время как со стороны ученых, так и со стороны специалистов-производственников отсутствуют какие-либо конкретные практические рекомендации по определению областей эффективного применения компоновок или способов, реализующих разные принципы снижения интенсивности естественного искривления скважин, которые бы изначально учитывали структурно-текстурные особенности строения месторождения и физико-механические свойства пород.
Технико-технологическая сложность обеспечения проектной плотности разведочной сети при исследовании недр на каждом конкретном участке работ зависит от неоднородности геологического разреза в целом или числа носителей анизотропии, к основным из которых мы относим перемежаемость слагающих его пород и угол встречи последних с осью стволов скважин.
При этом перемежающиеся породы могут быть изотропными, изотропными и анизотропными, анизотропными. К последним, согласно трудам В.В. Ржевского [3], относятся те из них, которые имеют хотя бы один из перечисленных ниже факторов:
- преимущественную ориентацию зерен (кристаллов) одного и того же минерала (флюидальность); линейное распределение или преимущественную ориентацию пор или плоскостей ослабления (рассланцеватость, кливаж);
- линейное распределение различных минералов (слоистость);
- линейное распределение зерен одного минерала по размерам (сезонная слоистость).
Величина интенсивности естественного искривления в данных породах обуславливается значениями угла встречи оси скважины с плоскостью их наименьшего сопротивления разруше-
Таблица 2
Зависимость величины стабилизирующей способности некоторых технических средств от горно-геологических условий их применения
N п/п Техническое средство или метод снижения интенсивности искривления Объект работ (организация, регион) Диаметр бурения, мм Стабилизирующая способность
1 Техническое средство борьбы с искривлением скважин (ТСБИС) Октябрьское железорудное месторождение (Иркутская область) 76 1,5
Коршуновское железорудное месторождение (Иркутская область) 76 1,85
Холоднинское полиметаллическое месторождение [25] (Республика Бурятия) 76 3,5
2 Эллипсные колонковые трубы (ЭКТ) п/я В-8788[6] (Республика Казахстан) 59 2,35
Майское золоторудное месторождение (Магаданская область) 59 1,73
3 Жесткие компоновки ЖК-5 комплекса ССК-59 Оловорудные месторождения Комсомольского района (Хабаровский край) 59 1,9
Свинцово-цинковое месторождение «Зимнее» (Приморский край) 59 2,23
Свинцово-цинковое месторождение «Восток-2» (Приморский край) 59 1,83
Красногорское полиметаллическое месторождение (Приморский край) 59 1,5
Семипалатинская ГРЭ [19] (Республика Казахстан) 59 6,25
нию и показателя анизотропии по бури-мости.
Из сказанного следует, что трудоемкость технико-технологических мероприятий по поддержанию заданного направления стволов скважин в анизотропном массиве зависит от числа геологических причин, вызывающих их искривление, или носителей его анизотропии (термин предложен М.В. Рацем [2]), которые перечислены выше, а также от количественных показателей последних:
- разности в механических свойствах контактируемых пород;
- показателя анизотропии по бу-римости каждой отдельной породы;
- частоты перемежаемости пород.
Количественные показатели носителей анизотропии массива пород, если они известны, перед началом геологоразведочных работ позволяют нам сделать только предположение о том, каким будет значение интенсивности естественного искривления - высоким, средним или незначительным, а не о
том, какое техническое средство будет наиболее результативным по удержанию первоначального направления стволов скважин в данных условиях.
Превалирующее влияние какого-либо одного или нескольких носителей анизотропии в конкретном геологическом разрезе обуславливает, по мнению авторов, тип его носителя анизотропии в целом, что необходимо учитывать при выборе принципов стабилизации направления стволов скважин, т.к. каждому из них соответствует свой механизм предупреждения естественного искривления.
Определение принципа стабилизации всей скважины или отдельных ее интервалов позволит в свою очередь выбрать тип компоновки наиболее эффективно его реализующий, конструктивные параметры которой должны быть оптимальными для данных технико-технологических условий.
Анализ большого фактического материала по естественному искривлению скважин и горно-геологическим условиям их бурения на многих рудных месторождениях Восточной Сибири, Забайкалья, Дальнего Востока, Якутии, Камчатки и Приморья позволил авторам выделить три основных типа носителя анизотропии их массива пород.
Носителем анизотропии является частая перемежаемость существенно отличающихся по механическим свойствам практически изотропных наклон-нозалегающих пород. В этом случае в местах пересечения скважинами контактов пород разной твердости их стволы получают значительную локальную девиацию (1-4 градус). Величина интенсивности естественного искривления переменна по глубине скважин, прямо пропорциональна частоте перемежаемости пород, разности в механических свойствах, значению осевого усилия и обратно пропорциональна диаметру бурения. Переход на смежный меньший диаметр бурения однотипными снарядами приводит к увеличению кривизны ствола скважины в 1,5-2,1 раза (участок
«Дугуйсин» Байкальского железорудного месторождения, ряд минерализованных участков Забайкалья и др.).
Носителем анизотропии служит частая перемежаемость по буримости анизотропных в различной степени пород, не имеющих горизонтального залегания. Интенсивность естественного искривления также переменна по глубине скважин, прямо пропорциональна частоте перемежаемости пород, значению показателя анизотропии по бури-мости каждой из них, разности в их механических свойствах и значению осевого усилия. Ее средняя величина изменяется в пределах от 3 до 23 градус/100 м, достигая на отдельных интервалах ствола скважины 30 градус/100 м, и не столь ощутимо, как в первом случае, зависит от диаметра алмазной коронки. Переход на последующий меньший диаметр породоразрушающего инструмента однотипного снаряда (например, с 76 на 59 мм) способствует росту интенсивности естественного искривления максимум на 75% (золоторудное месторождение «Сухой Лог», Нежданинское золоторудное месторождение, свинцо-во-цинковые месторождения «Зимнее» и «Восток-2», месторождения Мамско-Чуйского слюдоносного района, Холод-нинское колчеданно-полиметаллическое месторождение, Горкинское железорудное месторождение и др.).
Носителем анизотропии является перемежаемость незначительно отличающихся по механическим свойствам практически изотропных наклоннозале-гающих пород с прослоями различной мощности анизотропных пород. Величина интенсивности естественного искривления, также переменная по глубине скважины, в перемежающихся породах составляет 1,0-2,0 градус/100 м, в анизотропных - 3-15 градус/100 м и мало зависит от диаметра алмазных коронок однотипных снарядов при бурении в этих прослоях. Смена диаметра бурения на следующий приводит к изменению кривизны ствола скважины максимум на 40% в интервалах анизо-
тропных пород (железорудные месторождения «Октябрьское», «Капаевское» и «Коршуновское», оловорудное месторождение «Фестивальное», флюорито-вое месторождение «Пограничное», зоны «Ленинградская» и «Нежданная» Комсомольского оловорудного района и др.).
Тип носителя анизотропии, как следует из вышеизложенного, отражает особенности механизма естественного искривления скважины по ее глубине и служит индикатором выбора технических средств и способов управления кривизной ее ствола на каждом интервале.
Так, при бурении скважин в геологических разрезах, характеризующихся наличием анизотропии первого типа, стабилизацию направления их стволов, исходя из механизма естественного искривления, можно эффективно осуществлять путем применения компоновок, которые одновременно:
- обладают максимально возможной жесткостью поперечного сечения;
- гарантируют устойчивый вид движения призабойного участка бурильной колонны в режиме Ф1 (прямая прецессия) в конкретных горно-геологических и технико-технологических условиях;
- обеспечивают равномерно возможное разрушение забоя под торцом алмазной коронки, представленного контактами пород с разными механическими свойствами;
- имеют минимально допустимый радиальный зазор в стволе скважины.
Стабилизирующие средства, отвечающие этим требованиям, необходимо постоянно включать в компоновку нижней части бурильной колонны.
При строительстве геологоразведочных скважин в массивах пород, имеющих второй тип носителя анизотропии, решение поставленной задачи усложняется тем, что в этой ситуации имеем два постоянно меняющих друг друга по глубине механизма естественного искривления их стволов. Так, с од-
ной стороны, при проходке каждой из анизотропных по буримости пород искривление происходит за счет неравномерного расширения ствола скважины и его постоянной девиации в сторону линии их наименьшего сопротивления разрушению с интенсивностью, пропорциональной отклоняющему усилию, реализованному на породоразрушаю-щем инструменте технико-технологическими факторами.
С другой стороны, при пересечении контакта анизотропных пород разной буримости ствол скважины приобретает существенное локальное искривление вследствие неравномерного разрушения забоя под торцом алмазной коронки. Более сложный механизм искривления скважин в геологических разрезах с носителем анизотропии второго типа по сравнению с первым выдвигает дополнительные требования к конструктивным параметрам технических средств или способам стабилизации направления их стволов, основными из которых являются:
- реализация близкой к нулю отклоняющей силы на боковой поверхности матрицы алмазной коронки при конкретных технико-технологических условиях;
- обеспечение максимально возможных механической скорости бурения и длины рейса (цикла).
При сооружении геологоразведочных скважин в разрезах с данным типом носителя анизотропии обязательным является постоянное включение в состав нижней части бурильной колонны технических средств направленного бурения, отвечающих вышеприведенным требованиям.
Представленный материал убедительно подтверждает вывод авторов о том, что компоновки, эффективно работающие в одних условиях, малорезультативны в других, если меняется тип носителя анизотропии массива пород.
При бурении скважин в разрезах, характеризующихся наличием носителя анизотропии пород третьего типа, ста-
билизацию направления их стволов осуществляют, как правило, только в интервалах, представленных анизотропными прослоями (сланцами, аргиллитами, алевролитами, песчаниками и др.). В данных породах применяемая компоновка должна одновременно:
- реализовать на алмазной коронке отклоняющую силу, близкую к нулю;
- обеспечивать максимально возможные механическую скорость бурения и длину рейса (цикла).
В случае необходимости поддержания проектного направления стволов глубоких скважин, в интервалах перемежающихся и незначительно отличающихся по буримости пород, следует использовать технические средства направленного бурения для месторождений, имеющих первый тип носителя анизотропии.
Таким образом, горногеологические особенности строения месторождения, определяющие тип носителя анизотропии его массива пород, являются основой для выбора принципов стабилизации направления стволов скважин, а также компоновок или способов, эффективно их реализующих. Практическое использование предложенных рекомендаций позволит в производственных условиях оперативно решать поставленные задачи с максимальным экономическим эффектом.
Библиографический список
1. Буглов Н.А., Карпиков А.В., Скрипченко И.А Совершенствование технологии бурения направленных скважин комплексами КССК и ССК в сложных геологических условиях Приморья. Отчет (заключительный). № ГР 01880057715. Иркутск: Изд-во ИПИ, 1992. 91 с.
2. Рац М.В. Неоднородность горных пород и их физических свойств. М.: Недра, 1968. 107 с.
3. Ржевский ВВ., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра, 1984. 359 с.
4. Страбыкин И.Н. Управление процессом искривления разведочных скважин малых диаметров: дис. докт. техн. наук. М.: МГРИ, 1987. 315 с.
5. Сулакшин С.С., Боярко Ю.Л., Рязанов В.И. и др. Искусственное искривление скважин коронками специальной геометрии в анизотропных породах // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1977. №6. С. 38-41.
6. Суслов Г.В. Оценка влияния формы профиля торца импрегнирован-ной коронки на ее износостойкость и интенсивность естественного искривления скважин: дис. канд. техн. наук. М.: МГРИ, 1985. 133 с.
References
1. Buglov N.A., Karpikov A.V., Skripchenko I.A Upgrading drilling technology of directional wells by instruments КССК and ССК under complicated geological conditions of Premorye. [Sovershenstvovanie tehnologii burenia napravlennyh skvazhin komplexami КССК i ССК v slozhnyh geologicheskih usloviyah Premorya]. Otchet (zakljuchite-lniy) - Final report. No. ГР 01880057715. Irkutsk: ISTU, 1992, 91 p.
2. Rats M.V. Heterogeneity of rocks and their physical properties. [Neodnorod-nostj gornyh porod I ih fizicheskih svoistv]. Moscow: Nedra, 1968, 107 p.
3. Rzhevskiy V.V., Novik G.Ya. Basics of rock physics. [Osnovy fiziki gornyh porod]. Moscow: Nedra, 1984, 359 p.
4. Strabykin I.N. Managing the process of distortion of exploration wells of small diameter. [Upravlenie processom iskrivlenia razvedochnyh skvazhin malyh diamterov]. Doct. Dissert. Tech. Sci., Moscow: MGRI, 1987, 315 p.
5. Sulakshin S.S., Boyarko Yu.L., Ryazanov V.I et al. Artificial hole distortion by bits of special geometry in anisotropic rocks. [Iskusstvennoe iskrivlenie skvazhin koronkami specialjnoy geometrii v anisotropnyh porodah]. Izvestia VUZov: Geologia i razvedka - Bull. Izvestia of
Universities: geology and exploration. 1977, no. 6, pp. 38-41.
6. Suslov G.V. Assessment of effect of impregnated bit form on its wear life and intensity of natural hole distortion. [Ocenka vlijania formy impregnirovannoy skvazhiny on eje iznosostoikostj I inten-
sivnostj estestvennogo iskrivlenia skva-zhin. Doct. Dissert. Tech. Sci., Moscow: MGRI, 1985, 133 p.
Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, доцент Иркутского государственного технического университета В.Г. Заливин
