Основные принципы проектирования скважин

Проектирование скважины начинается с постановки некоей конечной цели, такой как получение притока нефти или газа из геологической структуры. Поэтому первым шагом является выделение и выбор объекта для разбуривания и планирование траектории скважины, ведущей к этому объекту.

Траектория скважины

Выбор траектории скважины - это одна из самых ранних возможностей предотвратить возникновение прихвата. Слишком извилистая траектория увеличивает вероятность прихвата. При планировании траектории скважины нужно учитывать несколько факторов, в т.ч.:

· Местонахождение объекта (объектов)

· Позиция буровой

· Наклон и азимут

· Устойчивость стенок ствола скважины

· Естественное напластование и уход долота

· Горизонтальные участки

· Использование приборов для измерений во время бурения и другой скважинной аппаратуры

Местонахождение объекта (объектов)

Часто причиной прихватов является выбор слишком большого числа объектов для вскрытия одной скважиной. Мы выбрали главный объект, но наши геологи хотят заодно оценить другие возможные объекты. Траектория скважины отклоняется сначала в одну сторону, затем в другую. В результате отклонения становятся больше, а искривления резче, чем необходимо для выхода к главному объекту.

Фактически может оказаться дешевле пробурить несколько скважин для оценки нескольких объектов. Если бурение нескольких скважин не укладывается в смету, у нас появляется искушение пойти на больший риск, чем тот, который можно считать оправданным с учетом возможных выгод. Стоимость оценки нескольких объектов одной скважиной часто искусственно занижается путем недооценки риска возникновения прихватов.

Еще одной возможной проблемой является выбор объекта, который с трудом можно достать с точки, на которой расположена буровая. Такое часто происходит при бурении с морских платформ, а также в горах или в густых лесах. Поскольку перемещать буровую в другое место слишком дорого, операторы идут на риск и бурят скважины с большими отклонениями, подолгу работая в открытом стволе в надежде выйти на объект с той же самой площадки.

Нужно, чтобы долото двигалось к объекту естественным путем, с минимальной коррекцией. Стремление слишком точно следовать запланированной траектории может потребовать слишком частых корректировок и слишком продолжительного контакта пород с буровым раствором в открытом стволе. Целью является выход к объекту. Мы должны суметь довести свои приборы и обсадную колонну до забоя. Для этого мы стараемся свести к минимуму извилистость ствола, иногда отклоняясь от запланированной траектории.

Стараясь уложиться в смету, мы не должны забывать про здравый смысл. Иногда риск бывает оправдан, иногда нет. Именно на этой стадии проектирования нужно сохранять объективность. Мы должны стремиться видеть риски и вероятность успеха такими, какие они есть, а не такими, какими мы хоти их видеть, чтобы оправдать расходы на реализацию проекта. Нет ничего плохого в том, чтобы выйти за обычные рамки, но мы должны быть реалистами и сохранять объективность, оценивая последствия неудач и шансы на успех.

Позиция буровой

В идеале, буровую следует устанавливать в таком месте, чтобы долото могло дойти до объекта естественным путем. Желательно также выбирать такое место, которое предлагает хорошие условия для выполнения вышкомонтажных работ. В зонах больших тектонических напряжений, или при наличии других геологических опасностей буровую можно разместить таким образом, чтобы обеспечить максимальную устойчивость стенок ствола.

Бывает и так, что выбор места для площадки ограничен экологическими и экономическими факторами. Здесь нужно использовать тот же здравый смысл, что и при планировании траектории скважины. При оценке стоимости предлагаемых площадок следует учитывать риск возникновения прихвата.

Наклон и азимут

Зенитные и азимутальные углы в значительной степени определяются траекторией скважины на пути долота к объекту и через объект. Иногда, однако, зенитные и азимутальные углы выбираются с учетом влияния наклона и азимута на устойчивость стенок скважины. На устойчивость стенок влияет как наклон, так и азимут. Кроме того, наклон влияет на эффективность очистки ствола, вероятность возникновения дифференциальных прихватов и, до некоторой степени, на геометрию ствола.

На стадии проектирования нужно внимательно проанализировать наклон будущей скважины. Не рекомендуется осуществлять набор кривизны в интервале проблемных глинистых пород. Если мы обеспокоены возможностью дифференциального прихвата, то следует также избегать набора кривизны в интервале проблемных песков.

Нужно помнить, что:

· Чем больше наклон и извилистость скважины, тем труднее освободить прихваченную бурильную колонну.

· Большое трение о стенки ствола затрудняет перемещение бурильной колонны вниз для ее освобождения от прихвата любого типа.

· По мере выполаживания скважины нужно увеличивать плотность бурового раствора, что может повлиять на глубины спуска обсадных колонн.

Устойчивость стенок скважины

В зонах больших тектонических напряжений нужно выбирать такую траекторию скважины, которая проходит через зоны с минимальной разностью между наибольшим и наименьшим главными напряжениями. При наличии локальных тектонических напряжений, например вокруг соляных куполов и разрывных нарушений, можно выбрать траекторию в обход зон, где действуют большие напряжения. Это позволяет избежать других геологических опасностей, таких как мелкозалегающие скопления газа и рыхлые породы.

Можно запланировать набор кривизны в устойчивых формациях и держать постоянный темп набора кривизны, чтобы ограничить время контакта пород с буровым раствором в открытом стволе. Мы не хотим резких искривлений ствола в проблемных глинистых породах. Мы вращаем бурильную колонну, чтобы взрыхлить скопление шлама на нижней стенке сильнонаклонной скважины. Продвижение колонны через резкое искривление с вращением может привести к развитию дополнительных напряжений и разрушению глинистых пород.

Оседание вследствие отбора жидкости из подстилающих пластов может привести к развитию сильной трещиноватости или местных напряжений в глинистых породах. В результате возможны осложнения в интервалах глинистых пород, которые ранее удалось бы пройти без проблем.

Естественное напластование и уход долота

Естественное напластование в некоторой степени определяет траекторию скважины, поскольку долото стремится отклониться вверх по восстанию в относительно пологих пластах и вниз по падению в крутопадающих пластах. Эта тенденция усиливается, если долото проходит через чередующиеся пласты, характеризующиеся различной буримостью.

Напластование может привести к осложнениям, связанным с потерей устойчивости, поэтому желательно избегать прохождения долота через чередующиеся пласты под слишком большим углом.

Горизонтальные участки

К концу двадцатого века горизонтальное бурение перестало быть редкостью, войдя в обычную практику. Большим преимуществом этой технологии является увеличение продуктивности скважин. Стали также больше распространены многозабойные скважины. Преимущества горизонтальных скважин неоспоримы, а связанные с их использованием проблемы оказались вполне разрешимыми.

Подходы к вертикальному и горизонтальному бурению различны. Эти различия нужно признать и понять. Особенно важно, чтобы члены буровой бригады и бурильщик понимали: то, что работает в одной скважине, может не работать в другой.

Использование приборов для измерений во время бурения и другой скважинной аппаратуры

Необходимость прекратить бурение на время проведения измерений в скважине является предпосылкой к возникновению дифференциального прихвата. При планировании траектории и наклона нужно решить вопрос о том, как будут проводиться измерения.

Следует также избегать слишком продолжительных остановок в проблемных глинистых породах и выработанных песках. По мере истощения продуктивных песчаных пластов вероятность возникновения дифференциальных прихватов возрастает. Это обстоятельство нужно учитывать при планировании траектории скважины.

После выбора траектории скважины разрабатывается конструкция скважины, начиная с нижней колонны и далее вверх. Сначала выбирают размер оборудования для заканчивания скважины, а затем определяют минимальный диаметр эксплуатационной обсадной колонны для установки в ней этого оборудования.

Иногда выбирают следующий больший диаметр обсадной колонны, чтобы получить колонну одинакового диаметра.

Далее нужно определить максимально допустимую длину открытого участка ствола, который будет существовать до спуска этой обсадной колонны. Иногда предыдущую обсадную колонну доводят до кровли продуктивного интервала, чтобы затем можно было быстро, с минимальным загрязнением призабойной зоны или размывом ствола, разбурить продуктивный интервал.

Обычно максимально допустимую длину открытого участка определяет поровое давление и градиент давления гидроразрыва вскрываемых пластов. Плотность бурового раствора в открытом стволе должна быть достаточно большой, чтобы предотвратить выброс, но достаточно малой, чтобы избежать поглощений.

Порядок определения максимально допустимой длины открытого участка ствола таков:

1. Нанести на график значения порового давления и градиента давления гидроразрыва.

2. Отметить на графике башмак эксплуатационной колонны или полную глубину скважины.

3. Выбрать проектную плотность бурового раствора для бурения под эксплуатационную колонну.

• Проектная плотность бурового раствора является наибольшей используемой на данном участке ствола.

• Проектная плотность бурового раствора должна превышать наибольший градиент пластового давления, но при этом быть меньше наименьшего градиента давления гидроразрыва на участке ствола под эксплуатационную колонну.

• Буровой раствор, достаточно плотный для нижнего участка ствола, может оказаться слишком плотным для верхних участков. В таком случает верхние участки нужно изолировать обсадной колонной, чтобы можно было использовать более плотный раствор. Глубина спуска этой обсадной колонны определяется исходя из требования изоляции слабых пластов (рис. 5-1).

4. Эти шаги повторяются до поверхности.

Аналогичный алгоритм можно использовать для разработки конструкции, обеспечивающей защиту от дифференциальных прихватов.1 Глубины спуска обсадных колонн можно выбирать таким образом, чтобы иметь возможность поддерживать репрессию ниже статистически критического уровня, например 1400 фунт/дюйм для Мексиканского залива.

Часто возможность возникновения прихватов обусловлена слишком большим желанием минимизировать затраты на обсадные колонны. Если остается открытым слишком большой участок ствола, то глинистые породы могут контактировать с буровым раствором слишком долго. Возможны также осложнения из-за того, что слишком мал интервал допустимых плотностей бурового раствора (см. главу 8).

Иногда прихваченной оказывается обсадная колонна! Вероятность такого прихвата возрастает с уменьшением зазора между колонной и стенкой ствола. Сложная геометрия ствола, скопление шлама в на нижней стенке сильнонаклонной скважины и дифференциальное давление - вот факторы, способствующие возникновению прихватов обсадных колонн. Действие всех этих факторов ослабляется с увеличением зазора между колонной и стенкой ствола.

Диаметр ствола

Диаметр ствола определяется, главным образом, диаметром обсадной колонны. Между колонной и стенкой скважины должен быть зазор, достаточный для спуска и цементирования обсадной колонны. Зазор должен быть достаточно большим для качественного цементирования. Слишком большой или слишком маленький зазор может стать причиной образования каналов в цементном камне.

Иногда бурят скважины с еще большим диаметром, принимая во внимание подвижность или ползучесть вскрываемых пород. Диаметр скважины влияет на качество очистки ствола, устойчивость стенок ствола, условия возникновения дифференциальных прихватов и возможность образования пробок. Обычно чем больше диаметр ствола, тем труднее очищать скважину, но тем меньше вероятность прихватов.

Долота

Долота выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить оптимальную скорость проходки. Это означает, что долото должно бурить быстро, но служить долго, чтобы число рейсов для замены долота было минимальным. В идеале, желательно пройти весь открытый ствол одним долотом.

При выборе долота нужно обязательно учитывать возможность возникновения прихватов. При неудачном выборе долота потребуются лишние рейсы и произойдет длительный контакт пород с буровым раствором в открытом стволе. В наклонных скважинах выбор долота влияет также на извилистость ствола.

Наматывание на долото глинистого сальника ведет к уменьшению скорости проходки и увеличению продолжительности контакта пород с буровым раствором в открытом стволе. Оно влечет за собой поршневание и образование пробки. Потеря шарошек приводит к непроизводительным затратам времени и лишним рейсам. Изменение вращающего момента из-за потери шарошки может замаскировать осложнение в скважине. Если долото движется не по запланированной траектории, то для коррекции потребуются дополнительные рейсы. При этом возрастет продолжительность контакта пород с буровым раствором в открытом стволе.

В некоторых случаях происходит прихват долота, особенно при бурении забойным двигателем.

КНБК и бурильная колонна

КНБК должна создавать достаточную осевую нагрузку на долото. Масса и диаметр КНБК должны быть достаточны для стабилизации долота и гашения вибраций. Кроме того, КНБК должна обеспечить правильный наклон и азимут в процессе бурения. Стабилизирующие КНБК большого диаметра позволяют получить прямолинейный ствол номинального диаметра. Кроме того, они полностью перекрывают сечение ствола и могут создать большое напряжение на нижней стенке ствола.

Бурить вертикальные скважины нужно с большими КНБК. Жесткость, или сопротивление изгибу, пропорционально четвертой степени диаметра2. Если удвоить диаметр УБТ, то ее сопротивление изгибу увеличится в 16 раз. Благодаря такой жесткости ствол остается прямолинейным, а осевая нагрузка на подшипники долота распределена равномерно.

Масса УБТ создает эффект маховика, поддерживающий вращение долота, и обеспечивает гашение вибраций на участке между долотом и бурильной колонной. Вертикальные, осевые и крутильные вибрации бурильной колонны поглощаются на пути к долоту, и наоборот. В то же время, при подъеме долота с забоя более тяжелые КНБК вызывают большее растяжение бурильной колонны, в результате чего возрастают поперечные нагрузки и вибрации бурильной колонны.

Кроме того, стабилизирующие УБТ большого диаметра способствуют увеличению срока службы долота, поскольку предотвращают его биение и сохраняют постоянной нагрузку на подшипники (рис 5-2) Если произойдет местная потеря устойчивости или изгиб УБТ, нагрузка на одну сторону долота станет больше, чем на другую. В таких условиях нагрузка на подшипники при вращении долота будет периодически изменяться. Результатом является повышенный усталостный износ и уменьшение срока службы подшипников, вооружения и спинок лап долота. В некоторых случаях возможен даже слом шейки долота.

Рис. 5-2 Стабилизация долота

Если долото не стабилизировано должным образом, оно может вращаться со смещением от своей начальной оси. В результате происходит неравномерное поражение забоя и быстрый износ.
Если долото не стабилизировано должным образом, может произойти изгиб в месте соединения долота с УБТ. В результате долото при вращении будет совершать колебания в вертикальной плоскости. Нагрузка на подшипники при вращении долота будет периодически изменяться.

Часто бывает, что УБТ большого диаметра используют неохотно из-за опасения, что стенки ствола будут размываться при высокой скорости потока бурового раствора в кольцевом пространстве.

Однако такое бывает редко. Касательные усилия, создаваемые восходящим потоком бурового раствора в кольцевом пространстве, намного ниже прочности большинства вскрываемых пород.³ Результаты кавернометрии показывают, что на нижних 300 футах почти в любой скважине диаметр ствола всегда соответствует диаметру долота. Размывы встречаются выше по стволу, и они в большей степени обусловлены потерей устойчивости стенок, а не высокой скоростью потока бурового раствора.

УБТ большого диаметра используют неохотно также из-за опасения создать условия для дифференциального прихвата. Однако статистические данные свидетельствуют о том, что чаще всего дифференциальные прихваты происходят с бурильными колоннами, а не с УБТ (см. главу 9).

Использование УБТ большого диаметра может создать проблемы в сильнонаклонных скважинах. При увеличении зенитного угла осевая нагрузка от УБТ на долото становится меньше, а на нижнюю стенку ствола - больше. В результате возрастают вращающий момент и сопротивление продольному перемещению колонны по стволу. При использовании больших УБТ кольцевой зазор будет меньше, сопротивление продольному перемещению колонны через скопления шлама - больше. Больше будет и склонность к образованию пробок. Несмотря на все это, УБТ нужны для гашения вибраций и создания осевой нагрузки на забойный двигатель. Однако по мере увеличения зенитного угла можно использовать УБТ меньшего диаметра и в меньшем количестве.