Зенитный угол скважины: основные понятия, общие закономерности

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.

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.

Общие закономерности

При буре все углубления по разнообразным причинам в той или иной мере отходят от изначально заданного пути. Этот процесс именуется искривлением. Непреднамеренный процесс именуется естественным, а искривление углублений при помощи разного рода инновационных техприёмов – искусственным.

Вообще, искривление углублений в породе проходит с осложнениями, такими как:

• Наиболее интенсивное изнашивание труб бура;
• Увеличенное расходование мощности;
• Трудности при осуществлении спуско-подъёмных мероприятий;
• Обрушение стен скважины и др.

Но иногда искривление углублений в породе дает возможность в разы сократить траты средств и времени при разработке месторождений нефти и газа. Так, если искривление углубления нежелательно, то его стараются предотвратить, а если оно требуется, то его осуществляют. Этот процесс именуется направлением бура, которое определяется как бурение углублений с применением закономерностей естественного процесса и при помощи искусственных приемов для выведения углубления в точку, которая задана. При этом искривление обязательно контролируется и управляется.

При бурении скважины обязательно нужно вычислить точные координаты

В процессе бура направленного углубления нужно знать расположение каждой координаты в пространстве. Для этого надо определить точки её устья и параметры пути, в которые входит зенит Q, азимутный угол углубления и длина L. Анализ искривления углублений показывает, что оно подчиняется особым законам, но для различных месторождений они разные и могут значительно различаться.

Но можно выделить такие общие законы искривления:

1. В большем количестве ситуаций углубления стремятся занять путь по перпендикуляру слоям горных пород. По ходу приближения к нему сила искривления сокращается.
2. Сокращение зазора между стенами углубления и специнструментом ведет к сокращению искривления. Области монтажа центральных элементов и их диаметр оказывают влияние на направление и интенсивность зенита.
3. Повышение жёсткости инструмента сокращает искривление углубления, поэтому скважины большего размера искривляются меньше, чем узкие.
4. Повышение нагрузки оси ведет к увеличению интенсивности искривления, а более сильное развитие частоты работы труб бура – к её сокращению.
5. Движение и сила азимут-искривления находятся в зависимости от геологических критериев.

Абсолютная апсидальная величина, наклонно направленная, зависит от интенсивности азимута искривления. С его повышением интенсивность азимут-наклона сокращается.

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.

Как рассчитать азимутальный угол

Азимутальным углом, или азимутом бi горной выработки, именуется угол, высчитываемый по часам (в северном полушарии), пролегающий горизонтально и сформированный каким-либо ориентиром направления, принятым за изначальный отсчёт, к примеру, 0x и проекцией оси горной выработки по горизонтали (вектора скорости бура) в любой координате Ai.

Для расчета азимутального угла лучше пользоваться вспомогательными материалами

В зависимости от выбора изначального направления отсчёт азимутального угла может быть:

• Истинный;
• Магнитный;
• Условный.

В первой ситуации отсчёт проводится от географического, во второй — от магнит-меридиана, а в третьей — от направления на случайно взятый репер, географические точки которого специалист уже знает. При повышении азимута идет правое «+», а при сокращении левое «-» азимутальное искривление горной выработки круглого сечения.

Глубины ствола замеряют по инструменту во время его поднятия из скважины и при финишных замерах, которые выполняются регулярно по мере углубления скважины. Замерять азимутальный угол следует перед установкой искусственного отклонителя в углублении, а также когда будут устранены аварийные ситуации и любые сложности.

Шарнир.

Параметр	Забойный двигатель
ДГ-95.	ДГ-108	ДГ-155
Верхние шарниры
Длина, мм	500	550	800
Диаметр, мм	100	112	172
Вес, кг	250	320	800
Максимальная нагрузка на растяжение, кН	100	250	400
Присоединительная резьба	З-76	З-88	З-133

Корпусные шарниры
Длина, мм	300	330	400
Диаметр, мм	100	112	172
Вес, кг	100	120	400
Максимальная нагрузка на растяжение, кН	80	200	300
Присоединительная резьба	МК 84*4*1:16	МК 97.5*4*1:12	МК 140*6*1:16

Муфта шарнирная ( НПК ТОБУС ).

Параметры	МШ-229	МШ-178	МШ-172	МШ-145	МШ-95	МШ-95м
Диаметр наружный (D), мм	229	178	172	145	95	95
Длина(L), мм	1221	1078	1053	1009	839	839
Угол перекоса осей, град	2	2	2	2	2	2
Осевое сжимающее усилие при вращении (без вращения), кН	350(750)	250(500)	250(500)	200(400)	125(250)	125(250)
Осевое растягивающее усилие при вращении (без вращения), кН	75(500)	500(300)	500(300)	38(240)	25(160)	25(160)
Передаваемый крутящий момент при вращении (без вращения), кН	15(30)	10(20)	10(20)	7,5(15)	3,8(7,6)	3,8(7,6)
Рабочее давление в канале, МПа	12,5	12,5	12,5	12,5	10	10
Диаметр проходного отверстия(d), мм	60	40	40	40	20	20
Присоединительная резьба: муфта (верх) ниппель (низ)	З-147 З-171	З-117 З-147	МК110*6*1:8 З-121	З-117 З-121	З-66 З-76	МК50*4* 1:16 З-76
Масса, кг	295	180	170	126	48	48

ДЕЦЕНТРАТОР ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ  ( НПК ТОБУС ).        

Рис. № 3.

Децентратор упругий забойного двигателя.

                        1
– корпус, 2 – децентратор,

                        3
– обрезиненная нижняя опора, 4 – упорная гайка.

Децентратор упругий забойного двигателя предназначен
для отклонения оси бурильной колонны в процессе роторного бурения с целью
искривления ствола скважины.

Децентратор упругий забойного двигателя ( НПК ТОБУС ).

Параметры	ДЗД-295/240	ДЗД-215/172	ДЗД-190/145	ДЗД-151/127	ДЗД-139/105	ДЗД-120/105	ДЗД-120/95
Диаметр долота, мм	295,3	215,9	190,5	151	139,7	120,6	120,6
Диаметр двигателя, мм	240	172	145	127	105	105	95
Расстояние от основания кольца до края планки в ненагруженном состоянии (l), мм	300	220	200	155	145	130	126
Длина децентратора без удлинителя (L), мм	1460	1180	1100	1190	1375	1645	1345
Диаметр проходного отверстия удлинителя, мм	108	48	40	25	25	25	25
Присоединительная резьба: на корпусе: на удлинителе	РКТ218*6,35*1:16  З-147	МК156* 5,5*1:32 МК110*6*1:8	МК130*5*1:32 З-76	МК112*4*1:32 З-66	МК94*4*1:32 З-66	МК94*4*1:32 З-66	МК84*4*1:16 МК50*4*1:16
Масса, кг	840	105	84	35	38	45	38

1.9. Расчёт угла перекоса кривого переводника.

Определить угол перекоса кривого переводника можно по
следующей формуле:

a = LDx 57,3;

(20)

где :       L – разность наибольшего и
наименьшего расстояния от торца  муфты КП до упорного уступа резьбы ниппеля,
мм;

D – диаметр КП, мм.

Полезные советы

Нюансы, которые надо учитывать при бурении

Во время бурения скважин шахты имеют разные причины, которым отклоняются от первоначальной траектории, которую задали. Это называется искривление. Если это случается незапланированно, то значит искривление естественного типа, если процесс происходит с применением определенных технологий, то его называют искусственным.

Как правило, искривление зависит от наличия осложнений. К основным причинам относят:

1.изношенность трубы бура.

2.слишком высокий уровень мощности при бурении.

3. сложности во время мероприятий спуска с подъемом.

4.стены шахты обрушаются.

В некоторых ситуациях искривление скважин сокращает время и деньги, которые уходят во время разработки нефтяного месторождения. В итоге, естественное искривление стараются не допустить, а при необходимости специально достигают искривления углублений.

Методику называют направление бура, в котором используют естественные процессы бурения, либо применяют искусственные приемы, чтобы вывести углубление в специально заданную координату. В данном случае процесс строго контролируют, им управляют.

Внимание! При искусственном типе искривления обязательно проводят вычисление точных координат. При направленном углублении необходимо определять каждую координату в пространстве

Важно знать координаты устья, точки пути, куда проходит зенитный угол Q, азимут скважины с длиной L. Согласно проведенным анализам искривлений ясно, что они подчиняются определенным законам, но они могут быть разными в зависимости от типа месторождения. При направленном углублении необходимо определять каждую координату в пространстве

Важно знать координаты устья, точки пути, куда проходит зенитный угол Q, азимут скважины с длиной L. Согласно проведенным анализам искривлений ясно, что они подчиняются определенным законам, но они могут быть разными в зависимости от типа месторождения

При направленном углублении необходимо определять каждую координату в пространстве

Важно знать координаты устья, точки пути, куда проходит зенитный угол Q, азимут скважины с длиной L. Согласно проведенным анализам искривлений ясно, что они подчиняются определенным законам, но они могут быть разными в зависимости от типа месторождения

Особенности законов искривления

Интенсивность азимутального искривления влияет на абсолютную зенитную (апсидальную) величину, которая направлена наклонно. Если азимут искривления повышается, то происходит снижение интенсивности азимута наклона.

Назначение направленного бурения

Главной целью выработки, которая имеет искривления, то есть проходки направленного бурения, является попадание конечного отрезка выработки в точку, указанную в проекте на водоносном пласте. Обычно это место находится в верхней отметке горизонта и является центральной точкой круга допуска. Для выполнения проектного задания проходка должна окончиться в пределах этого круга допуска. В зависимости от назначения забоя, горно-геологических характеристик породы диаметр этого круга может быть от 15 до 60 м. Также на радиус круга влияет глубина скважины по вертикали. Главной задачей горизонтальных скважин является не выйти за пределы пространства, ограниченного условными горизонтальными и вертикальными плоскостями. Это пространство задаётся проектом и называется проектным коридором.

Главные задачи направленного бурения:

1. Уменьшение расходов на разработку источников при кустовом бурении.
2. Выработка, которая имеет направленные искривления, позволяет вскрыть водоносный горизонт под заданным углом, что обеспечит увеличение площади фильтрации.
3. Направленное бурение позволяет выполнять сразу несколько забоев с платформ или эстакад, находящихся на водной поверхности.
4. Проходка, которая имеет искривления, может добраться до водоносной жилы, располагающейся под местностью с пересечённым рельефом, например, когда на поверхности слишком много оврагов, гор или холмов.
5. Метод позволяет вскрывать источники, расположенные под поверхностными водными объектами (реками, озёрами, морями, океанами).
6. Если старая скважина стала малопродуктивной или аварийной, то при помощи наклонно-направленного бурения можно забурить в сторону боковой ствол.
7. Направленное бурение позволяет добраться до нужных горизонтов, находящихся межу параллельно расположенными или пологими сбросами.
8. Можно выполнить отклонение ствола скважины в нужную сторону, минуя зону сброса.
9. Направленная проходка позволяет вскрывать водоносные горизонты, расположенные под соляными куполами ввиду затруднения проходки через них.

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.

Общие сведения

Зенитный угол, его описание, определение

Здесь стандартно выполняют вычисления:

1.изначальных координатных точек, заложенные в углубления: X0, У0, Z0.

2.Xi, Уi, Zi являются промежуточными координатами в i. Оси У и Х перпендикулярны друг другу, Х идет к магнит – востоку, ось Z движется по направлению, которое определяется под влиянием вектора силы тяжести.

3.во время работы особенности направления углубления определяют по значениям, указанным в инклинометрии координатной системы полярного типа. Практически все съемки делают прямые определения координатных точек по вертикальным и горизонтальным плоскостям по основным полярным показателям: по вертикальной зенит иi, либо угол уклона д, по горизонтальной азимут (бi). Глубина измеряется во всех текущих координатах, допустим, в точке Аi.

Зенит считается углом между вертикалью, чертой 0Z в какой-то координатной плоскости, и скважинной осью 0Аi, это вектор, обозначающий скорость бурения, либо касательной к этой вертикальной, проходящей в данной координате. Наклоненным углом д считают угол, который составляет ось скважины в грунте, либо касательная к этой оси, с горизонталью в данной координате. Сумму зенита с наклоненным углом прямой можно записать так: и + д =p / 2.

Внимание! Если зенитный угол повышается, значит углубление в породах выполаживается, если сокращается, то выкручивается

Определение азимутальных показателей

Выбор первоначального движения отсчета влияет на угол азимута, который бывает:

1.истинным.

2.магнитным.

3.условным.

Если точка отсчета ведется от географического, то азимут истинный, если от магнит – меридиана, то магнитный, если направление взято случайно от любого репера, у которого специалист знает географические координаты – условный.

Если азимут повышается, значит правое ,,+,,; если сокращается, то левое ,, – ,, искривление азимута скважины с круглым диаметром. Азимут представлен в виде интервала по стволу от забоя Кi до устья 0, либо какой- то координаты i измерения углов.

Заглубление ствола замеряется с помощью инструмента, когда его поднимают из скважины, и, когда делают итоговые замеры по мере того, как углубляется скважина. Азимут определяют перед тем, как установить искусственный отклонитель в скважине, или во время устранения аварий, других проблем.

Апсидальная плоскость

Вертикаль, проходящая по оси углубления, и в любой координатной точке оси называется апсидальной, по-другому зенитной плоскостью. Чтобы сделать вычисление двугранного угла, надо отсчитать по движению часов между углом и зенитной плоскостью.

Понятие апсидальной плоскости

Для того чтобы изобразить расположение горного углубления в пространстве, в координатах его точки высчитываются для определенных осей.

А именно:

• X;
• Y;
• Z.

Так, к примеру, координата Аi дает проекцию на плоскость в горизонтали осей X, Y (координата А1 с точками С1, С1), на плоскость в вертикали осей X, Z (координата А2 с точками С1, С2) и вертикаль осей Y, Z (координата А3 с точками С2, С3). При постройке геологических разрезов ось ведут на 2 плоскости — вертикаль и горизонталь и именуют вертикальной ОА2-профиль и горизонтальной ОА1-план проекцией углубление в породе, а величины линий А1 С1 и Аi А1 показывают собой отведение или смещение забоя горной выработки круглого сечения от плоскостей (горизонталь и вертикаль). Вертикаль, которая проходит через ось углубления, и вертикаль в любой координате оси именуется апсидальной (зенитной) плоскостью, а двугранный угол отсчитывается по ходу часов между апсидальной плоскостью и углом.

Азимут – искривление

Азимут искривления определяется между направлением на магнитный север и горизонтальной проекцией оси скважины, направленной в сторону увеличения глубины скважины.
 

Варианты бурения направленны ч скважин.

Азимут искривления – это угол, измеренный в горизонтальной плоскости между направлением на север и точкой, лежащей на траектории скважины. Таким образом, точка с азимутом 50 означает, что направление искривления скважины в этой точке – 50Q от севера.
 

Определения азимута искривления скважины с указанными приборами возможны только в необсаженных скважинах. Определение азимута искривления в обсаженных скважинах возможно с помощью гироскопических инклинометров, которые из-за своей сложности не получили широкого применения на практике.
 

Электрические схемы каверномеров для работы с трех-жнльным ( а, б и одножильным ( в кабелем.

Угол и азимут искривления можно измерять только в необсаженных скважинах, тогда как в обсаженных стальными колоннами возможно измерение только угла искривления.
 

Для изменения азимута искривления скважины применяется кривой переводник и УБТ.
 

Схема геологических условий, когда бурение направленных скважин имеет преимущества перед бурением вертикальных. скважин.| Кривая труба.

Углы искривления и азимуты искривления подбирают, исходя из опыта бурения направленных скважин.
 

Проекция участка ствола скважины на горизонтальную плоскость ( б и участок оси скважины в.

Измерение угла и азимута искривления скважин осуществляется специальными приборами – инклинометрами, которые можно объединить в три группы: 1) инклинометры с дистанционным электрическим измерением; 2) фотоинклинометры и 3) гироскопические инклинометры. В инклинометрах первых двух групп элементы искривления скважины определяются с помощью земного магнитного поля и силы тяжести. Работа инклинометров третьей группы основана на гироскопическом эффекте.
 

Эффективность контроля угла и азимута искривления с помощью отклонителей резко снижается с глубиной скважины. На больших глубинах ориентирование специальных отклонителей в нужном направлении затрудняется, а в отдельных случаях их применение приводит к нежелательным последствиям, связанным с возникновением осложнений, аварий при спуско-подъемных операциях. Устранение перечисленных недостатков и повышение технико-экономических показателей бурения скважин возможно при тщательном изучении и использовании на1, практике закономерностей естественного искривления.
 

Погрешности определения угла и азимута искривления скважин связаны с нарушением изоляции цепей и жил кабеля, отклонением силы тока питания от требуемого значения, непараллельностью осей инклинометра и скважины, недостаточно точной регулировкой механических и электрических схем прибора. Непараллельность осей скважины и прибора обусловлена наличием каверн и глинистой корки неравномерной толщины на стенках скважин. Для уменьшения погрешностей измерений ty и ф в последнем случае увеличивают длину прибора путем присоединения к нему удлинителя, который служит в качестве груза и позволяет сохранить положение прибора, параллельное оси скважины.
 

Результаты измерений угла и азимута искривления скважины записывают в журнал, где должны быть указаны район работ, скважина, дата замера, тип и номер прибора.
 

В тех случаях, когда азимут искривления на всем протяжении ствола остается постоянным или меняется в незначительных пределах, колонна насосно-компрессорных труб в интервале с увеличением кривизны касается стенки эксплуатационной колонны и располагается в ней эксцентрично. Такое взаимное расположение обеих колонн может в дальнейшем нарушиться из-за уменьшения кривизны скважины, когда насосно-компрессор-ные трубы вследствие своей жесткости и сравнительно малого веса оставшейся части колонны зависают в скважине, пересекая под небольшим углом ее ось и касаясь противоположной стенки.