§ 2. Предупреждение искривления вертикальных скважин

Вследствие многообразия одновременно действующих причин, способствующих искривлению скважин, практически невозможно бурить их в строго вертикальном направлении. Поэтому все вертикальные скважины в той или иной степени искривлены. Следовательно, первоочередной задачей становится предупреждение их значительного искривления. В этой связи рассмотрим условия работы долота не в вертикальной, а в искривленной скважине.

Предположим, что скважина отклонилась от вертикали на угол а и направляющий участок¹ бурильной колонны касается стенки скважины в точке Т (рис. 56). При отсутствии нагрузки на забой единственной силой, действующей на долото, является вес направляющего участка бурильной колонны Р_н.

Во время бурения скважины под влиянием веса направляющего' участка бурильной колонны Р_н долото стремится занять вертикальное положение, а под влиянием веса сжатой части бурильной колонны переместиться вдоль ее оси. Результирующая этих двух сил Р₃ может быть разложена на две составляющие: силу P1, действующую вдоль оси бурильной колонны, и силу Р2 перпендикулярную ей. Если Р₂ направлена к вертикали, долото стремится уменьшить зенитный угол скважины а и сила Р₂ может быть названа выпрямляющей силой (см. рис. 56, а). Если Р₂ направлена от вертикали, долото стремится увеличить зенитный угол скважины а и Р2 может быть названа отклоняющей силой (см. рис. 56, в). Если Р₂ равна нулю, наступит стабилизация зенитного угла скважины а и, следовательно, скважина будет буриться наклонно (см. рис. 56,6).

Рис. 56. Схема действия сил, влияющих на искривления скважины при бурении в изотропных породах: а — уменьшение а; б —стабилизация а; в — увеличение а

При бурении в изотропных породах значение Р2 зависит от нагрузки на забой, диаметра скважины, зазора между УБТ и стенкой скважины, диаметра УБТ и зенитного угла скважины. С повышением нагрузки на забой увеличится прогиб нижней части бурильной колонны, точка Т приблизится к долоту и составляющая веса направляющего участка бурильной колонны РН уменьшится. Это приведет к уменьшению выпрямляющей силы Р₂. При дальнейшем повышении нагрузки на забой может наступить стабилизация (Р₂ становится равной нулю), а затем и прирост зенитного угла скважины а (Р₂ становится отклоняющей силой).

Приведенный анализ действия сил на нижний участок бурильной колонны справедлив для условий бурения в изотропной породе, т. е., когда не влияют геологические причины, способствующие искривлению скважин.

Из геологических причин наибольшее влияние на искривление скважин оказывают анизотропность горной породы и степень наклона чередующихся по твердости и мощности пластов.

Для предупреждения искривления скважины наиболее благоприятны условия, когда долото занимает перпендикулярное или параллельное положение по отношению к плоскостям слоистости анизотропной породы и к плоскостям напластования наклонно залегающей породы. Во всех других случаях долото, стремясь занять одно из этих положений, отклоняет скважину от вертикали при одновременном изменении азимута.

В сложных геологических условиях наряду с силой Р₃ действует сила, значение и направление которой зависят от анизотропности пород, угла наклона пластов и других трудно учитываемых геологических причин. Равнодействующая этих сил и определит направление бурящейся скважины.

Еще большие возможности регулирования силы Р₂ можно получить, если использовать в нижней части бурильной колонны, составленной из УБТ одного диаметра, одно или два центрирующих приспособления, или УБТ не одного, а, например, двух диаметров. В этом случае секция расчетной длины из УБТ большего диаметра устанавливается над долотом, а над ней, также расчетной длины, устанавливается секция из УБТ меньшего диаметра. Эффект возрастает, если на границе перехода от УБТ большего диаметра к УБТ меньшего диаметра установить первое центрирующее приспособление, а затем на расчетном расстоянии в колонне УБТ меньшего диаметра установить второе центрирующее приспособление. При этом желательно диаметры центрирующих приспособлений иметь равными диаметру долота.

Результаты решения ряда задач с применением центрирующих приспособлений и ступенчатых колонн УБТ сведены в графики ², пользуясь которыми можно определить значение силы Р2 при любых встречающихся в практике бурения конструкциях нижней части бурильной колонны и нагрузках на забой. В отличие от рассмотренных конструкций нижней части бурильной колонны, использующих «эффект отвеса», при бурении в сложных геологических условиях широко применяют конструкции нижней части бурильной колонны, в которых достигается ее центрирование в скважине. В этом случае непосредственно над долотом, а затем на расчетном расстоянии от него (рис. 57) устанавливают центрирующие приспособления с диаметром, равным диаметру долота. В результате ось нижней части бурильной колонны и ось скважины совмещаются, что создает условия для бурения скважины без изменения ее зенитного угла. Однако вследствие износа центрирующих приспособлений и большего диаметра скважины по сравнению с диаметром долота центрирование нижней части бурильной колонны нарушается и дальнейшее бурение при таком положении колонны приведет к увеличению зенитного угла скважины.