Проектирование профилей скважин пространственного типа

В последние годы на месторождениях Западной Сибири широкое распространение получило строительство пологих и горизонтальных скважин (ГС), ствол которых вскрывает продуктивный пласт под углом 50-70° или горизонтально протяженностью 500 метров и более.

Практическое внедрение горизонтальное бурение скважин получило при разбуривании месторождений по дополнительной сетке разработки, причем бурение ГС с кустовых площадок в проектном азимуте горизонтального ствола требует использования профилей пространственного типа (Федоровское месторождение). Граничные условия, предъявляемые к профилю ГС (ограничения величины максимального зенитного угла в интервале набора и стабилизации параметров кривизны, интенсивности искривления ствола на 10 или 100 м интервала, глубина вертикального участка, величина зенитного угла входа в продуктивный пласт, «коридор» допуска бурения горизонтального ствола, изменение азимутального направления скважины от первоначального до 90° и др.) в первую очередь определяются требованиями по созданию крепи повышенной надежности, увеличению сроков межремонтного периода работы глубиннонасосного оборудования и безопасной проходимости бурильных и обсадных колонн по стволу в процессе бурения и заканчивания скважин.

Подавляющее большинство наклонно направленных скважин, проектируемые в одной плоскости, в процессе бурения естественно искривляются в пространстве, при этом интенсивность пространственного искривления ствола достигает значительных величин.

Естественное пространственное искривление связано в первую очередь с геологическими и технологическими условиями бурения, а также несовершенством применяемых КНБК с опорно-центрирующими элементами. Кроме того, пространственное искривление ствола является необходимым условием для выполнения сетки разработки месторождения горизонтальными скважинами (рисунок 13).

В связи с этим представляет практический интерес решение вопросов проектирования оптимального профиля пологих и ГС пространственного типа, отвечающих требованиям надежности скважин как технического сооружения и эффективности их эксплуатации.

При расчете профиля пространственного типа используются данные анализа естественного зенитного и азимутального искривления стволов ранее пробуренных скважин, проектное начальное и конечное азимутальное направление ствола ГС, требования к профилю и конструкции скважины, предъявляемые заказчиком проекта на их строительство.

Таблица – 11

№	Интервал по вертикали, м	Длина интервала по вертикали, м	Зенитный угол, град	Горизонтальное отклонение, м	Длина по стволу, м	Радиус искривления, м	Интенсивность искривления	Интервал профиля
начальный	конечный	за интервал	общее	за интервал	общая
1	4-интервальный профиль обычной наклонной скважины
0-210								-	-	Вертикальный
210-357			22, 5						1, 5	Набор кривизны
357-394		22, 5	22, 5					-	-	Стабилизация кривизны
394-1440		22, 5	22, 5					-	-	То же
1440-1459		22, 5	22, 5					-	-	То же
1459-1900		22, 5	7, 0						3, 39*	Спад кривизны
1900-1940		7, 0	5, 5						-	То же
	4-интервальный профиль пологой скважины
0-1377								-	-	Вертикальный
1377-1723									1, 5	Набор кривизны
1723-1900								-	-	Стабилизация кривизны
1900-1940								-	-	То же

	0-1255								-	-	Вертикальный
1255-1774									1, 0	Набор кривизны
1774-1900								-	-	Стабилизация кривизны
1900-1940								-	-	То же
3	5-интервальный профиль пологой скважины
0-637								-	-	Вертикальный
637-783			22, 5						1, 5	Набор кривизны
783-1700		22, 5	22, 5					-	-	Стабилизация кривизны
1700-1900		22, 5	65, 0						1, 5	Набор кривизны
1900-1940		65, 0	65, 0					-	-	Стабилизация кривизны
0-732								-	-	Вертикальный
732-951			22, 5						1, 0	Набор кривизны
951-1600		22, 5	22, 5					-	-	Стабилизация кривизны
1600-1900		22, 5	65, 0						1, 0	Набор кривизны
1900-1940		65, 0	65, 0					-	-	Стабилизация кривизны

	4-интервальный профиль пологой скважины Акр = 1200 м
0-1097								-	-	Вертикальный
1097-1443									1, 5	Набор кривизны
1443-1900								-	-	Стабилизация кривизны
1900-1940								-	-	То же
5	4-интервальный профиль пологой скважины Акр = 1800 м
0-818								-	-	Вертикальный
818-1164									1, 5	Набор кривизны
1164-1900								-	-	Стабилизация кривизны
1900-1940								-	-	То же
	4-интервальный профиль пологой скважины Акр = 2400 м
0-538								-	-	Вертикальный
538-884									1, 5	Набор кривизны
884-1900								-	-	Стабилизация кривизны
1900-1940								-	-	То же

· - Интенсивность искривления ^о/100 м.

№	Обсадная колонна	Интервал установки колонны, мм	Наружный диаметр обсадной колонны, мм	Диаметр ствола скважины под спуск обсадной колонны, мм	Высота подъема цемента за колонной
по вертикали	по стволу
	Наклонная скважина (обычная), 4-интрервальный профиль, Акр = 600 м
	Направление	0-40	0-40	323, 9	393, 7	До устья
	Кондуктор	0-394	0-400	244, 5	295, 3
	Эксплуатационная	0-1940	0-2050	168, 3/146, 1	215, 9
	Пологая скважина, пятиинтервальный профиль, Акр = 600 м
	Направление	0-40	0-40	323, 9	393, 7	До устья
	Кондуктор	0-400	0-400	244, 5	295, 3
	Эксплуатационная	0-1940	0-2158	168, 3/146, 1	215, 9
	Пологая скважина, четырехинтервальный профиль, Акр = 1200 м
	Направление	0-40	0-40	323, 9	393, 7	До устья
2	Кондуктор	0-550	0-550	244, 5	295, 3
	Эксплуатационная	0-1940	0-2706	146, 1/127, 0	215, 9
	Пологая скважина, четырехинтервальный профиль, Акр = 1800 м
	Направление	0-40	0-40	323, 9	393, 7	До устья
	Кондуктор	0-300	0-300	244, 5	295, 3
	Промежуточная	0-1164	0-1250	117, 8/168, 2	215, 9
	Эксплуатационная	0-1940	0-3089	114, 1/102	151, 0/139, 7
	Пологая скважина, четырехинтервальный профиль, Акр = 2400 м
	Направление	0-40	0-40	323, 9	393, 7	До устья
	Кондуктор	0-300	0-300	244, 5	295, 3
	Промежуточная	0-1192	0-1700	168, 3	215, 9
	Эксплуатационная	0-1940	0-3471	114, 1/102	139, 7

Рисунок 13 - Профиль ствола скважины с пространственным

искривлением

Отличительной особенностью проектирования профиля пологой скважины является то, что здесь предварительно в зависимости от толщины продуктивного пласта h_пл и требуемых значений длины ствола l_пл (или проекции ствола на горизонтальную плоскость a_пл) задается зенитный угол a = a_кр, под которым вскрывается продуктивный пласт [9].

Для ГС значение a_кр задается в зависимости от расстояния между кровлей пласта и осью ствола горизонтального участка h_кр, а так же радиуса искривления R ₂ на втором участке набора зенитного угла (рисунок 14).

В таблице 13 с учетом схемы (рисунок 14) приведены расчетные данные по l_пл, и а_пл, вычисленные для пологих скважин с a_кр =60-80° при h_кр =10-80 м. В таблице 14 приведены расчетные l_пл, a_пл, a_{кр ,} вычисленные для различных величин h_кр и радиусов искривления R.

Рисунок 14 - Расчетная схема вскрытия продуктивного пласта

Таблица 13 – Расчетные данные для пологой скважины

Продолжение таблицы 13

Таблица 14 - Расчетные данные для горизонтальной скважины

Продолжение таблицы 14

Зенитный угол a ₁ и радиус искривления R ₁ принимаются в зависимости от условий бурения, конструкции скважины, а также требований по надежной эксплуатации глубинно-насосного оборудования.

Кроме того, значение зенитного угла в начале интервала стабилизации можно определить по следующей формуле:

, (81)

где А_твп - горизонтальное отклонение на кровле продуктивного пласта для

пологих скважин, горизонтальное отклонение скважины без

учета длинны горизонтального участка (для горизонтальных

скважин);

H - вертикальная проекция участка искривления скважины, м;

Н=Н_кр-h ₁;

h ₁ - глубина точки зарезки первоначального искривления

скважины, м;

Н_кр - глубина по вертикали до кровли продуктивного пласта, м.

Расчет профиля ведется в трех проекциях – вертикальной (ось Z, направлена вниз) и двух горизонтальных (оси X и Y), где ось Х является касательной к магнитному меридиану в направлении магнитного севера, а ось Y направлена в сторону магнитного востока.

На рисунке 15 изображен пространственный профиль ствола скважины и углы пространственного искривления.

Рисунок 15 - Проектный профиль наклонно направленной пологой

скважины Федоровского месторождения

Рисунок 16 - Углы пространственного искривления скважин

Исходными данными для расчета являются: начальный зенитный угол (a ₀); зенитный угол на участке стабилизации (a ₁); угол входа в продуктивный горизонт (a ₂); конечный зенитный угол в продуктивном горизонте (a ₃); начальный азимутальный угол (φ ₀); азимутальное изменение за каждый интервал бурения (Δ φ ₁, Δ φ ₂, Δ φ _n); проектное смещение (A_ТВП); глубина скважины по вертикали до кровли продуктивного пласта (Н_кр); глубина вертикального участка (h ₁); глубина продуктивного пласта (h_пл); смещение в продуктивном горизонте (а_пл) для наклонно направленных скважин или длина горизонтального участка (l_Г) для горизонтальных скважин.

Если изменение азимутального угла не происходит, то оно приравнивается к нулю и расчет профиля сводится к плоскостному типу.

Главным элементом расчета пространственного профиля является определение азимутального угла поправки, необходимого для коррекции профиля непосредственно перед началом бурения относительно круга и коридора допуска, который рассчитывается по формуле:

, (82)

где D j - азимутальное искривление за i интервал, град;

А_твп - расстояние от вертикали до точки входа ствола в пласт, м.

Начальный азимутальный угол с учетом поправки (D j_п) определяется по следующей формуле:

D j_н = j ± D j_п, (83)

где D j_п - поправка азимутального угла, град;

j - начальный азимутальный угол, град.

Начальный зенитный угол с учетом поправки на изменение азимутального направления (D j_п) определяется по формуле 69, где вместо А_твп используется А́ - отклонение с учетом азимутальной поправки:

, (84)

где А́ - отклонение забоя от вертикали с учетом D j_п, м;

, (85)

где D j - суммарное изменение азимутального угла, град.

Расчетные формулы для определения элементов профиля приведены в таблице 15.

Таблица 15 – Расчетные формулы элементов пространственного профиля скважины

Длина скважины по стволу, L, м	Смещение А, м	Проекции
вертикальная Z, м	горизонтальная
Х, м	Y, м
Вертикальный
l 1 = h 1	a 1 = 0	z 1 = h 1	x 1 = 0	y 1 = 0
Набор зенитного угла
	a 2 = R 1(cos a 0 - - cos a 1)	z 2 = R 1(sin a 1 - - sin a 0)
Наклонно прямолинейный
		z 3 = Hкр - z 1 - - z 2 - z 4
Набор зенитного угла
	a 4 = R 2(cos a 1 - - cos a 2)	z 4 = R 2(sin a 2 - - sin a 1)
Участок набора зенитного угла в продуктивном пласте
	а 5 = R 2(cos a 2 - - cos a 3)	z 5 = R 2(sin a 3 - - sin a 2)
Горизонтальный участок
		z 6 = 0

Примечание: В графе проекции (Х) j ₁, j ₂, j ₃, j ₄ – азимутальные углы в конце интервала с учетом начального азимута j ₀.

В качестве примера приведем расчет рассмотренного пятиинтервального профиля при следующих исходных данных: глубина скважины по вертикали Н =1890 м; отклонение А =662 м; длинна вертикального участка h ₁=1250 м; радиусы кривизны равны R ₁= R ₂=380 м. Скважина искривлена в пространстве на 52°; j ₁ = 27°, j ₂ = 7°, j ₃ = 13, j ₄ =5°, j ₅ =0°. Начальный азимут j ₀ =30°.

Расчет профиля ведется с определения величины зенитного угла. В зависимости от толщины пласта (h_пл =4 м.) по данным таблицы 13 принимаем зенитный угол при входе в пласт равным a ₂=82°. Конечный зенитный угол a ₃=90°. Длина горизонтального участка l_Г =500 м.

Далее определяем значение начального зенитного угла по формуле 81.

Результаты расчета пятиинтервального пространственного профиля на примере наклонно направленной пологой скважины Федоровского месторождения приведены в таблице 16.

Строительство наклонно направленных скважин с пологим и горизонтальным окончанием ствола пространственного типа выдвигает дополнительные требования к качеству буровых растворов при первичном вскрытии продуктивных горизонтов, к программе промывки и очистки ствола скважины от выбуренной породы, сохранению устойчивости его стенок, а так же снижению коэффициента трения и сил адгезии.

В интервалах установки внутрискважинного оборудования (тангенциальный участок), кривизна ствола ограничивается как правило величиной 0, 25°/10 м проходки. Для выполнения данного требования в настоящее время отсутствуют эффективные многоцентраторные КНБК, методики расчета геометрических размеров, их выбора и конструирования в условиях буровой (кустовой площадки).