С увеличением глубины скважины, форсированием режимов бурения (увеличением нагрузок на долото, давлений и расхода промывочной жидкости) и выходом в новые районы проблема предупреждения искривления скважин особенно актуальна, и в первую очередь при геологоразведочных работах.
Во многих организациях, проводящих работы в сложных геологических условиях, накоплен значительный опыт предупреждения искривления скважин при бурении различными КНБК. Однако применение КНБК не всегда эффективно из-за слабого теоретического обоснования схем компоновок и кустарного изготовления их элементов в местных условиях. Теоретические и конструкторские работы и экспериментально-промышленные исследования позволили разработать методики расчета КНБК, создать и испытать технические средства предупреждения искривления скважин. Необходимо помнить, что основным средством предупреждения искривления вертикальных скважин является правильная конструкция КНБК, определяемая осевой нагрузкой на долото, диаметром и глубиной скважины, геологическими условиями, физико-механическими свойствами горных пород, допустимым зенитным углом и другими факторами.
В сложных геологических условиях наиболее распространены методы предупреждения искривления скважин:
- Снижение осевой нагрузки на долото;
- Периодическое использование средств искусственного искривления;
- Бурение вертикального пилот-ствола жесткими КНБК и последующее его расширение;
- Бурение жесткими КНБК;
- Бурение КНБК с максимально приближенным к долоту центром тяжести.
- Метод снижения осевой нагрузки на долото хоть и позволяет проводить скважины в сложных геологических условиях с небольшими искривлениями, без перегибов и минимальной интенсивностью, но приводит к увеличению сроков и стоимости буровых работ из-за низких механической скорости и проходки на долото, особенно в крепких породах.
В США снижение осевой нагрузки на долото используется при комбинированном методе предупреждения искривления скважин, заключающемся в бурении жесткой КНБК с повышенными нагрузками до тех пор, пока угол искривления не приблизиться к установленному пределу. Затем применяют КНБК, обеспечивающие создание эффекта «отвеса» и снижающие нагрузку на долото. Таким образом, при комбинированном методе показатели бурения высокие и скважину проводят с допустимым искривлением, но с неизбежными перегибами ствола из-за различной интенсивности искривления.
Метод бурения с периодическим использованием средств искусственного искривления состоит в том, что бурение производится с КНБК, общепринятой для данного района, с полной нагрузкой на долото да тех пор, пока угол искривления не достигнет 5-7°. Затем в скважину периодически спускают отклонитель и искривляют ствол скважины в противоположную сторону. При этом получаются хорошие показатели бурения (механическая скорость и проходка на долото), но формируется некачественный ствол, с резкими перегибами, что отрицательно сказывается на весь дальнейший процесс проводки скважины. К недостаткам относится также затрата дополнительного времени на ориентирование отклонителей. Этот метод является методом борьбы с уже искривившейся скважиной.
Для скважин большого диаметра применяются два метода:
- Бурение вертикального пилот-ствола жесткой КНБК из серийных элементов и последующее его расширение;
- Бурение долотами большого диаметра.
Первый метод эффективен с точки зрения оптимального разрушения горных пород (создание предварительной зоны разрушения стволом скважины малого диаметра), но требуются большие затраты на расширение скважины из-за отсутствия эффективных средств.
При втором методе наблюдаются невысокие показатели из-за низкого качества долот и подачи недостаточного количества промывочной жидкости. Использование жестких КНБК максимального наружного диаметра заключается в лучшем центрировании и меньшей возможности искривления, что позволяет создавать большие осевые нагрузки на долото, улучшая показатели бурения. Причем интенсивность искривления зависит от величины зазора между КНБК и стенкой скважины. Этот метод эффективен в устойчивых породах при постоянном контакте опорно-центрирующих элементов (ОЦЭ) со стенкой скважины.
Метод максимального приближения центра тяжести к долоту основан на использовании УБТ максимального диаметра в составе КНБК как отвеса (маятниковый эффект). Метод пригоден в слабоустойчивых породах для КНБК без ОЦЭ, когда значительные нагрузки на долото позволяют бурить с высокой скоростью.
Эффективность использования жестких КНБК в предупреждении искривления скважин во многом зависит от их конструктивных особенностей. Анализ условий работы КНБК и результаты теоретических исследований позволили сформулировать основные требования к конструкциям. КНБК должны обладать максимально возможной жесткостью, поэтому следует изготавливать их из круглых УБТ увеличенного диаметра или УБТ специального проката с фигурным поперечным сечением (квадратным, крестообразным и т.п.), чья жесткость больше жесткости круглых УБТ.
Жесткие КНБК должны иметь минимальный первоначальный прогиб, т.к. деформированные компоновки формируют ствол больше диаметра долота. Радиальный зазор между ОЦЭ и стенками скважины увеличивается, создаются благоприятные условия для перекоса КНБК и искривления ствола. КНБК должна иметь как можно меньше резьбовых соединений, увеличивающих первоначальный прогиб, усложняющих сборку-разборку и затрудняющих ловильные работы в случае аварий.
В составе жесткой КНБК должен быть наддолотный калибратор для выравнивания стенок скважины и предотвращения прихватов. При бурении, особенно шарошечными долотами, получаются неровные стенки, форма ствола отличается от цилиндрической. Роль калибратора может выполнять нижний ОЦЭ с усиленным вооружением рабочей поверхности из износостойкого материала.
Для нормальной циркуляции промывочной жидкости на наружной поверхности всех ОЦЭ промывочные каналы должны иметь размеры, близкие кольцевому зазору между УБТ, входящими в состав компоновки, и стенками скважины. Наружный диаметр каждого ОЦЭ должен быть равен диаметру долота, а длина – не меньше 1,5-2 номинальных диаметров. Площадь контакта рабочих поверхностей ОЦЭ со стенками скважины должна обеспечивать надежное центрирование КНБК и не вызывать интенсивного разрушения стенок скважины. Рабочие поверхности всех ОЦЭ должны быть армированы износостойким материалом.
Для успешного предупреждения искривления следует исходить из конкретных геологических условий. Если геологические факторы, влияющие на искривление скважины, весьма слабы, то нужно устранить лишь влияние технических и технологических факторов, т.е. применить достаточное количество УБТ соответствующего диаметра и соблюсти технологические правила бурения. Если влияние геологических факторов велико, то указанных мероприятий для предупреждения искривления будет недостаточно, и необходимо применять жесткие КНБК максимального наружного диаметра.
Таким образом, из всех методов предупреждения искривления скважин в сложных геологических условиях наиболее эффективно использовать жесткие КНБК в устойчивых породах и КНБК с приближенным к долоту центром тяжести, т.е. составленные из УБТ максимальных диаметров, в слабоустойчивых породах.
В настоящее время широко применяются КНБК, работающие на принципе отвеса и обеспечивающие максимально целесообразную длину участка от забоя до нижнего контакта колонны со стенкой скважины. Конструкция КНБК, основанная на принципе центрирования ее в стволе скважины (жесткая КНБК), применяется реже, но в районах, где геологические условия способствуют сильному искривлению скважин, они часто дают наилучший эффект по предупреждению искривления.
Типовая КНБК для большинства скважин включает два ОЦЭ над долотом между маховыми массами (маховиками в виде УБТ) и ОЦЭ над турбобуром или при роторном бурении – над долотом и выше, в некоторых случаях вместо ОЦЭ – УБТ квадратного сечения (КУБТ). Если по расчетам или опытной проверке получены недопустимые по нормам отклонения, то включают несколько ОЦЭ в КНБК.
Приведем ряд конструкций КНБК, применяемых при турбинном и роторном бурении (рис.1 и 2) в сложных геологических условиях. В зависимости от конкретной обстановки бурения можно собирать необходимые КНБК из имеющегося набора элементов: долота, наддолотные калибраторы, турбобуры, сбалансированные трубы – маховики, КУБТ, центраторы, стабилизаторы и обычные УБТ. В качестве первой опоры над долотом можно применять либо шарошечный калибратор, либо трехгранный калибратор-центратор (рис. 3, a, б, в), или центратор типа б, г, в качестве второй опоры – резиноспиральный калибратор (рис. 3, д, е), трехгранный калибратор-центратор (рис. 3, б, в) или калибратор типа г (рис. 3, е) и б. в некоторых случаях можно использовать центраторы трехшарошечные, изображенные на рис. 4. В качестве стабилизирующего устройства при турбинном бурении целесообразно устанавливать сбалансированные тяжелые трубы – маховики (см. рис. 5, б), а при роторном – КУБТ (рис. 5, а). Центрирующие приспособления рекомендуется применять с начала бурения для центрирования ведущей трубы относительно оси вышки. После некоторого углубления центрировать следует саму КНБК относительно оси скважины.
Во всех случаях при бурении вертикальных скважин необходимо применять наддолотный калибратор-центратор, повышающий устойчивость долота на забое и тем самым создающий условия для бурения без снижения нагрузок на долото.
Современные ОЦЭ можно разделить на следующие группы:
- Калибраторы, выполняющие калибрующие и центрирующие функции;
- Стабилизаторы (трубные центраторы, КУБТ);
- Центраторы (планочные жесткие, пружинные, резиновые, каркасно-резиновые).
ОЦЭ, устанавливаемый в нижней части КНБК, длиной в 50-80 диаметров долота, чья ось совпадает с осью скважины, называется стабилизатором. ОЦЭ длиной в 1-2 диаметра долота, ось которого не совпадает с осью скважины, называется центратором.
Стабилизаторы не только центрируют КНБК, но и добавляют её жесткости. При необходимости перекрытия зон трещиноватости или кавернозности следует применять стабилизаторы вместо центраторов. Желательно, чтобы диаметр ОЦЭ был равен диаметру долота, иногда – и больше его. С этой позиции центраторы, особенно резинокаркасные, имеют преимущества перед стабилизаторами.
Как показала практика использования различных типов КНБК, возможно предотвращать искривление скважин и бурить в геологических условиях, способствующих искривлению, без ограничения осевой нагрузки.
Действенный способ предотвращения искривления вертикальных скважин – включение в КНБК шарошечных расширителей, агрегатов реактивно-турбинного бурения (РТБ), особенно для строительства глубоких и сверхглубоких скважин (рис. 5, в, г, д).
Соблюдение минимального зазора между наружным диаметром ОЦЭ и стенкой скважины – один из основных факторов, обеспечивающих центрирование КНБК в стволе скважины.
Для выбора типовой КНБК для бурения в конкретных горно-геологических условиях необходимо апробировать ее в нескольких скважинах в вертикальном стволе как в пределах нормы, так и в отношении повышения показателей работы долот. Надо помнить, что при всех экспериментальных проверках и сопоставлении эффективности тех или иных КНБК необходимо бурить без ограничения осевой нагрузки. В очень сложной геологической обстановке следует бурить вертикальные скважины с учетом как технического (конструкция КНБК), так и технологического (режимы бурения) факторов