Причины естественного искривления скважин

Точные координаты траектории стволов в пространстве необходимо знать, их определение затрудняется отклонением скважин в процессе бурения от первоначального направления. Выяснением причин отклонения скважин и закономерностей, наблюдаемых при искривлении, занимался ряд авторов. Одни видят основную причину искривления в неустойчивом равновесии колонны бурильных труб (длинного скручиваемого стержня). Другие считают причиной искривления влияние геологических условий и неустойчивость равновесия колонны бурильных труб. В зарубежной практике бурения тоже нет единого мнения.

Отсутствие единой точки зрения не позволяет дать исчерпывающий ответ об истинных причинах и механизмах искривления и мешает разработке наиболее эффективных способов, средств и методов борьбы с искривлением скважин или использования их для направленного отклонения. Поэтому выявление причин и закономерностей искривления имеет большое практическое значение.

Основные факторы и причины искривления

Искривление скважин обусловлено основными факторами: геологическими, технологическими и техническими. Они связаны причинно-следственной связью как специфической формой обусловленности явлений в природе, выражающейся в том, что любое отдельное явление или совокупность взаимодействующих явлений порождают другое явление и, наоборот, всякое явление вызвано другим явлением или их группой.

Влияние геологических факторов на искривление скважин

Понятие «геологические причины» или «условия» является в значительной степени обобщающим. Основным фактором искривления скважин следует считать неоднородность механических свойств, в частности, различную твердость в разных направлениях или анизотропию пород. Чем выше эта неоднородность, тем эффективнее действуют геологические причины. Наиболее ярко такая неоднородность выражена у пород слоистых, сланцеватых, разгнейсованных, что легко определяется визуально. Известно, например, что прочность (твердость) сланцев значительно выше в направлении слоистости, чем в направлении, перпендикулярном плоскости напластования, поэтому закономерности искривления и связывают в первую очередь с геологическими признаками.

Анизотропия механических свойств горных пород

Анизотропность пород является основным геологическим условием, способствующим искривлению. Горные породы, слагающие литосферу земли и пересекаемые скважинами, имеют разнообразный минералогический состав, текстуру, структуру. Если порода состоит из минералов с одинаковыми во всех направлениях физико-механическими свойствами, в ней нет плоскостей напластования, то такая порода называется изотропной. Однако большинство пород в процессе своего образования подверглись тем или иным преобразованиям. Породы становятся неоднородными и приобретают разные физико-механические свойства в различных направлениях (слоистость, сланцеватость, трещиноватость и т.д.). Такие породы называются анизотропными. Анизотропность – особенность пород обладать одинаковыми свойствами по параллельным и неодинаковыми – по непараллельным направлениям. Степень анизотропии у различных, а довольно часто у одних и тех же пород может изменяться в широких пределах.

Наиболее высокой анизотропностью обладают слоистые горные породы: песчано-глинистые, кварцито-углисто-глинистые, ороговикованные и другие сланцы различного литологического состава прослоев с резкими колебаниями твердости. Высокую анизотропность имеют метаморфизованные и трещиноватые породы.

Породы магматического происхождения (изверженные) обладают средне выраженной анизотропностью, осадочные – слабо выраженной анизотропией и некоторые изотропные (мел, мергель, глины, известняки).

Трещины и микротрещины в породе есть не что иное, как прослои с нулевой твердостью, поэтому трещиноватая порода, даже изотропная, является слоистой и её физико-механические свойства различны в разных направлениях.

Главным фактором, влияющим на упругие свойства горных пород, является минеральный состав. Только в пределах групп с одинаковым минеральным составом должны рассматривать влияние таких факторов, как пористость и структура. Упругость, например, с увеличением пористости уменьшается по закону прямой линии, а положение этих прямых для различных пород зависит от их минерального состава. Последний оказывает наибольшее влияние на физико-механические свойства горных пород, а затем уже трещиноватость, пористость и т.д.

Многие исследователи считают анизотропию механических свойств горных пород основной причиной искривления скважин.

Ю. Л. Боярко, В. П. Заиненко, Ю. Т. Морозов, А. Г. Калинин считают причиной искривления скважин неравномерное разрушение породы под торцом коронки или различную скорость разрушения породы в разных направлениях.

Анализируя характер искривления скважин, Ю. Л. Боярко установил, что в породах с массивной однородной текстурой, относительно изотропных, интенсивность искривления составляет 0,01 град/м, в доломитах 0,03 град/м, в амфиболитах 0,04 град/м, в гнейсах 0,06 град/м, а в некоторых сланцах достигает величины 0,08 град/м. такое значительное изменение интенсивности искривления скважин нельзя объяснить действием только механических или технологических факторов, которые в среднем близки для всех случаев бурения. Объяснить это можно только анизотропией пород.

При внедрении резца в изотропную породу происходит более или менее равномерное выкалывание некоторых объемов породы за пределами контакта резца с породой. В анизотропной породе наибольший объем пород будет выкалываться в направлении, перпендикулярном напластованию, а наименьший – в параллельном напластованию. При перемещении резца вдоль слоистости будет происходить несимметричный скол (отрыв) с увеличением объема пород в сторону наименьшего сопротивления породы разрушению.

По-разному будет разрушаться порода и при движении породо-разрушающего элемента коронки по направлению падения слоистости и против него. При симметричном разрушении объем отделяемой породы в первом случае будет больше, чем во втором. Таким образом, форма забоя при разрушении анизотропной породы в общем виде будет несимметрична как в разрезе, так и в плане. Более эффективно порода разрушается вверх по восстанию и вправо по простиранию при вращении снаряда вправо. При вращении снаряда влево более эффективно будет разрушаться левая часть скважины (имеется ввиду не в направлении бурения, а в сторону – в стенках скважины), чем и можно объяснить искривление скважин против направления падения слоев влево по простиранию.

В зависимости от положения оси бурового снаряда относительно линии падения слоев пород или линии наименьшего сопротивления разрушению различаются четыре основных случая: вертикальное направление ствола скважины, наклонное положение ствола против падения слоев пород и наклонное положение в сторону падения с висячего или с лежачего бока слоев. При этом для первого случая могут быть варианты с различным углом залегания слоев пород – от горизонтального до вертикального, а для остальных – множество вариантов с разными углами наклона скважин и залегания слоев пород от горизонтального до вертикального.

Если не учитывать действия других факторов, то под действием только геологических условий вследствие анизотропности пород скважины должны отклоняться всегда в направлении линии наименьшего сопротивления разрушению, если угол встречи меньше 90°, но больше нуля. Интенсивность искривления будет при этом определяться степенью анизотропности породы, величиной угла встречи и действием технологических и технических факторов.

При направлении скважины нормально к слоистости или вдоль линии наименьшего сопротивления разрушению она будет искривляться только под действием технических и технологических причин. Если вертикальная скважина пересекает наклонные слои пород, то она будет отклоняться под действием геологических факторов, а интенсивность искривления будет невелика. Как только скважина приобретет наклон, имея направление против падения слоев пород, на искривление будут действовать все факторы вместе. Интенсивность искривления будет резко увеличиваться.

При положении наклонной скважины по падению пород действие геологических факторов прямо противоположно действию всех остальных. Интенсивность искривления таких скважин будет минимальна. При пересечении наклонной скважиной слоев пород под острым углом по падению, но со стороны висячего бока действие геологических и прочих факторов складывается и скважина искривляется более интенсивно.

Очевидно, чем выше разница между сопротивлением породы разрушению в направлении бурения и в направлении линии наименьшего сопротивления разрушению, тем интенсивнее должно быть искривление.

При изучении причин искривления все исследователи обычно пользуются известной схемой отклонения снаряда при переходе из пород твердых в мягкие и наоборот. Одни авторы, исследующие процесс колонкового разведочного бурения, причиной отклонения скважин считают неодинаковую скорость разрушения породы под торцом коронки, а другие, занимающиеся бурением на нефть, объясняют это действием отклоняющей силы или опрокидывающего момента, поворачивающего снаряд в вертикальной плоскости, или стремлением долота скользить по контактам мягкого слоя с твердым. Но приводимые пояснения не раскрывают всей сущности процесса искривления. Как правило, рассматривают случай перехода коронки из мягких пород в твердые.

Основываясь на рассмотренной схеме искривления скважин под влиянием анизотропии свойств горных пород, можно в какой-то степени пояснить и сущность искривления при смене слоев пород разной твердости независимо от угла их падения.

Считая, что осевое усилие равномерно распределяется по торцу коронки, можно утверждать, что породы (при переходе от мягких к твердым в направлении меньшего сопротивления) будут более эффективно разрушаться не только под торцом, но и в стенке скважины. В результате этого забой, а за ним и коронка будут всегда смещаться в сторону мягких пород, т.е. по падению, одновременно пересекая контакт. При переходе из твердой породы в мягкие по тем же причинам смещение будет происходить в обратную сторону, т.е. против падения пород, пока не будет пересечен контакт. Интенсивность отклонения скважины при этом будет зависеть от продолжительности работы коронки по контакту между слоями пород, что в свою очередь определяется углом наклона плоскости контакта (чем он больше, тем длительнее время работы коронки по контакту). Кроме того, на величину отклонения коронки от прежнего направления будут влиять и другие факторы: разница твердости пород, величина зазора между снарядом и стенками скважины, длина снаряда и т.д.

При рассмотрении процесса азимутального искривления скважин в случае пересечения контактов между слоями пород различной твердости можно сделать такие же выводы: скважина отклоняется то влево (при выходе коронки из мягких пород в твердые), то вправо (при выходе коронки из твердых пород в мягкие).

Таким образом, смена слоев пород различной твердости хотя и является причиной отклонения скважин, но не играет решающей роли в приобретении ими общего направления.

Скважины, однако, искривляются при бурении и в сравнительно однородных породах с массивной текстурой. Это связано с разрушением горных пород при соответствующих условиях не только под торцом забойного инструмента, но и в стенках скважины. При этом стенки скважины могут интенсивно разрушаться только в одном направлении, в котором, очевидно, и будет происходить её отклонение. Это может наблюдаться при встрече коронкой твердых включений в сравнительно мягкой толще пород (валунов, крупной гальки, глыб твердых пород, желваков или конкреций повышенной твердости) или, наоборот, участков мягких пород или пустот (полых трещин, крупных пустот или карстовых образований, заполненных песчано-глинистым материалом, зон или участков раздробленных, перемятых пород, гнезд мягких пород в толще твердых пород и т.д.).

При встрече твердых включений скважина может изменить угол наклона и азимутальное направление в любую сторону. Искривление будет тем резче, чем тверже включения.

При пересечении мягких несцементированных или сильно разрушенных пород скважины будут отклоняться в основном в сторону уменьшения зенитного угла или искривляются по одной из рассмотренных ранее схем.

При пересечении пустот и полых трещин скважины могут довольно резко искривляться, так как буровой снаряд стремиться занять вертикальное положение.

Здесь следует отметить, что при бурении обязательно образуется зазор между буровым снарядом и стенками скважины, что приводит к перекосу снаряда и при соответствующих условиях к искривлению скважины. Очевидно, чем больше этот зазор, тем больше величина перекоса снаряда и тем интенсивнее искривление. При этом на величину зазора, кроме технических и технологических факторов, существенно влияет твердость разбуриваемых пород: чем она выше, тем меньше зазор и тем в меньшей степени искривляются скважины.

От твердости горных пород зависит их буримость или механическая скорость бурения; с этим связано время действия различных факторов, обусловливающих искривление скважин. Очевидно, с уменьшением твердости пород будет увеличиваться механическая скорость бурения и уменьшаться соответственно время действия неблагоприятных факторов. Интенсивность искривления в связи с этим должна снижаться.

Влияние устойчивости горных пород на искривление скважин

Устойчивость горных пород (способность не обрушаться при обнажении в стенках скважины) играет важную роль при бурении. От этой особенности пород зависит в определенной мере и искривление скважин.

При бурении в слабоустойчивых или неустойчивых породах в скважине могут образовываться большие каверны, полости или завалы, наличие которых может привести к резкому искривлению скважин. Нередки случаи, когда при образовании завалов забуриваются несколько стволов (в месте завала) в совершенно различных направлениях.

Влияние технических условий на искривление

На отклонение скважины от своего заданного направления значительно влияют технические условия. От применения неправильной конструкции и нерациональных размеров КНБК интенсивно разрабатываются стенки скважины, растет зазор между ней и стенками, следовательно, и возможность перекоса компоновки в стволе. Отклоняется ось скважины, т.е. возникает искривление. К техническим условиям можно отнести неправильную установку ротора бурового станка или направляющей трубы и кондуктора, что ведет к наклонному её заложению по отношению к проектному направлению.

Технические условия, вызывающие искривление скважины в процессе бурения и связанные с конструктивными особенностями КНБК и с неправильными приемами работы, следующие:

1. КНБК с эксцентрично навинченным породоразрушающим инструментом или переводниками. Несоосность инструмента в скважине ведет к интенсивному разбуриванию стенок. Эксцентриситет определяет степень разбуривания. При бурении погнутыми бурильными трубами, особенно в мягких породах, наблюдается усиленная разработка стенок скважины.
2. Бурильный инструмент несоответствующий конструкции, особенно при смене диаметра скважины. Если при переходе с большого диаметра на меньший применить обычную КНБК, то случается эксцентричная забурка ствола меньшего диаметра.
3. КНБК несоответствующий конструкции при расширении ствола приводит к его отклонению от требуемого направления, что может возникнуть при отсутствии пилот-направления в компоновке.
4. КНБК, не подходящая по длине и диаметру для данных условий.
5. Неправильная установка ротора или бурового станка. Непрочный фундамент грозит оседанием при забуривании и отклонением от заданного направления.
6. Неправильная установка направляющей трубы или кондуктора. Плохо отцентрированные и закрепленные обсадные трубы (направление или кондуктор) отклоняют ось скважины в самом начале бурения.

Влияние технологических условий на искривление скважин

Технологические условия связаны со способами и режимами, применяемыми при бурении. Они в основном определяются осевыми нагрузками на забой и числами оборотов породоразрушающего инструмента, которые ведут к неравномерной разработке стенок скважины и к неравномерному разрушению забоя. В свою очередь неравномерная разработка элементов скважины вызывает увеличение сил, отклоняющих низ бурильного инструмента от оси скважины, и уменьшение механических скоростей бурения.

К основным технологическим условиям, ведущим в конечном счете к искривлению ствола скважины относятся в основном неравномерность разбуриваемости стенок скважины, величина сил, действующих на низ бурильного инструмента, и некоторые другие факторы.

Неравномерная разбуриваемость стенок скважин относится ко всем видам бурения и связана с тем, что породы, слагающие стенки скважины, различны по своему минералогическому составу и, следовательно, в разной степени сопротивляются воздействию на них режущих частей породоразрушающего инструмента.