ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОФИЛЕЙ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Расчет профилей скважин сводится к определению максимального зенитного угла, длины горизонтальной и вертикальной проекций участков, а также общей длины ствола [4, 5].

Исходные данные для расчета профилей включают геологический разрез, глубину залегания продуктивного горизонта и его геометрию, угол залегания, проектный азимут наклонного участка скважины, конструкцию скважины. При этом, как правило, угол заложения скважины соответствует вертикальному направлению.

Профиль рассчитывается по участкам «сверху-вниз».

Сначала устанавливают длину первого вертикального участка ствола, который чаще всего не бывает меньше глубины спуска кондуктора, которым перекрываются зоны неустойчивых горных пород.

Для расчета второго участка (участка отклонения скважины от вертикального положения и набора зенитного угла) необходимо выбрать требуемый радиус искривления (допустимую по условиям эксплуатации бурильных и обсадных колонн, инструмента и оборудования интенсивность искривления). Выбранный радиус искривления ствола следует увеличить, а интенсивность искривления соответственно уменьшить на 5—10% для учета неточностей исполнения набора кривизны из-за различных несовершенств и возможных ошибок.

Определив радиус искривления ствола, рассчитывают максимальный зенитный угол скважины, при котором может быть достигнуто проектное отклонение забоя от вертикали. При выборе максимального зенитного угла ствола следует иметь в виду, что при больших его значениях работы по проводке скважин сопряжены с определенными трудностями. При зенитных углах ствола 50-60° продвижение геофизических снарядов по стволу под действием силы тяжести прекращается, что вызывает необходимость применения специальных устройств.

При проектировании профилей глубоких наклонно-направленных скважин и скважин с большими отклонениями забоев от вертикали необходимо также провести проверочный расчет нагрузки на крюке при подъеме бурильной колонны и усилия, передаваемого на долото.

Профили скважин в соответствии с известными методиками [4] подразделяются на несколько типов.

Расчет профиля первого типа (рис. 1.8) производится на основании простых формул, приведенных в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Формулы для расчета профиля ствола скважины первого типа

Профиль строят в любом удобном масштабе.

Расстояние а₃ определяют из зависимости а₃ = А — а₂, расстояние h₃ = Я, — h₂, где Я, = Я — А,; А — проектное отклонение ствола от вертикали, м; а₂, а₃ — горизонтальные проекции соответственно второго и третьего участков ствола, м; Я — глубина скважины по вертикали, м; h_x, h₂, h₃ — длина вертикальных проекций первого, второго и третьего участков ствола, м.

Горизонтальные проекции второго а₂ и третьего а₃ участков ствола и вертикальную проекцию h₂ определяют из выражений, приведенных в табл. 1.1.

Зенитный угол для профиля первого типа определяют по формуле

По величине угла 0 и по формулам, представленным в табл. 1.1, рассчитывают вертикальные и горизонтальные проекции отдельных участков и общую длину ствола скважины.

Расчет профиля второго типа (рис. 1.9, а) целесообразно начинать с построения его вертикальной проекции. Для этого сначала определяют длину первого вертикального участка h_x, радиус искривления второго участка /?, и радиус искривления третьего участка R₂.

Профиль строят в любом удобном масштабе.

На вертикальной прямой откладывают отрезок ВС, равный в принятом масштабе глубине скважины по вертикали Я, и отрезок В К, соответствующий длине первого вертикального участка h. Из точек К и С проводят горизонтальные прямые, перпендикулярные прямой ВС, на которых откладывают отрезки ЯО, и С0₂, соответственно равные величине радиуса R_x и отклонению забоя от вертикали А.

Из точки 0₂ радиусом R₂ и из точки 0, радиусом R₀ = (R_x + R₂) проводят линию и получают центр 0₃ окружности, по которой будет происходить искривление на третьем участке ствола скважины.

Рис. 1.9. Расчетные схемы профилей: а — второго типа; 6 — третьего типа

Углы 0 и (р в таком случае можно определить непосредственно на чертеже.

Углы, указанные на схеме (см. рис. 1.9, а), определяются по формулам:

а угол наклона пласта ? = 0 — <р.

Для определения длины участков профиля, их горизонтальных и вертикальных проекций применяют формулы, приведенные в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Формулы для расчета профиля ствола скважины второго типа

Расчет профиля третьего типа (рис. 1.9, б). При расчете этого профиля прежде всего необходимо установить длину пятого вертикального участка h₅ Если бурение наклонно-направленной скважины проводится на многопластовом месторождении нефти и газа, то минимальная длина этого участка должна быть равна расстоянию между кровлей верхнего и подошвой нижнего продуктивных горизонтов.

Радиусы искривлений второго R_l и четвертого R₂ участков определяют так же, как радиусы искривления второго и третьего участков профиля второго типа.

Максимальный зенитный угол ствола определяется из зависимостей А = а₂ + а₃ + я₄; /*₃ = Н₀ — h₂ — h₄, где Н₀ = Н — h_] — h₅ (см. рис. 1.9, б).

Формулы расчета горизонтальных и вертикальных проекций приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Формулы для расчета профиля ствола скважины третьего типа

Максимальную величину зенитного угла 0 определяют по формуле

где Н₀ = Н — h_x — /г₅; R₀= R_x + R₂.

Расчет профиля четвертого типа (рис. 1.10). Расчет профиля ствола четвертого типа аналогичен расчету профиля третьего типа без учета наклонно-прямолинейного участка.

Зенитный угол в данном случае определяется по формуле

Длины участков ствола, их горизонтальные и вертикальные проекции, а также суммарную длину ствола определяют по формулам, приведенным в табл. 1.4.

Расчет профиля пятого типа (рис. 1.11). При расчете этого профиля по известной глубине скважины по вертикали Н, длине первого вертикального участка /г, и проектному отклонению забоя от вертикали А определяют радиус искривления второго участка ствола по формуле

Таблица 1.4

Формулы для расчета профиля ствола скважины четвертого типа

Если кроме указанных величин задан угол входа ствола в пласт у, т.е. угол между осью скважины и плоскостью напластования, то значение зенитного угла ствола в месте входа в пласт 0_О определяют по формуле

где (3 — угол падения пласта, т.е. угол между плоскостью напластования и горизонтальной плоскостью. В этом случае можно записать

Вертикальные и горизонтальные проекции профиля пятого типа рассчитывают по формулам, приведенным в табл. 1.5.

Если полученная по расчету величина вертикального участка /г, окажется недостаточной и малоприемлемой, то изменениям можно подвергнуть угол входа в пласт 0_О.

Таблица 1.5

Формулы для расчета профиля ствола скважины пятого типа

Профиль пятого типа часто является основным при бурении вертикально-горизонтальных скважин, т.е. скважин с горизонтальным окончанием (рис. 1.12). В этом случае угол набора зенитного угла 0 составляет 90°.

При расчете этого профиля по известной глубине скважины по вертикали Я, длине первого вертикального участка /?, и проектному отклонению забоя от вертикали а₂ определяют радиус искривления второго участка ствола с горизонтальным окончанием А по формуле

Для скважин с горизонтальными окончаниями В и С в формуле (1.27) величина отклонения забоя от вертикали а₂ изменится, а радиусы искривления R_B и R_c увеличатся. Как ранее уже отмечалось,

Рис. 1.12. Расчетная схема профиля пятого типа (вариант с горизонтальным окончанием)

при проектировании скважин с горизонтальным окончанием используют три варианта радиусов набора кривизны:

• — малый радиус (10—30 м; интенсивность искривления i — более 2,0 град./м; горизонтальное окончание А на рис. 1.12);
• — средний радиус (60-190 м; интенсивность искривления i — до 1,0 град./м; горизонтальное окончание В на рис. 1.12);
• — большой радиус (> 190 м; интенсивность искривления i — до 0,3 град./м; горизонтальное окончание С на рис. 1.12).

Исходя из значений возможных радиусов кривизны и интенсивности искривления можно определить длину криволинейного интервала:

В качестве значений интенсивности искривления i принимают такие, которые являются допустимыми по условиям эксплуатации бурильных и обсадных труб, а также специальных компоновок и оборудования, например геофизических зондов и аппаратуры.

Расчет профиля шестого типа (рис. 1.13). В практике бурения направленных скважин с горизонтальным окончанием достаточно распространен профиль, который включает наклонный участок и два интервала набора кривизны. Достоинством такого профиля является сглаженный набор кривизны, который разделен на два криволинейных интервала с наклонным участком.

Рис. 1.13. Расчетная схема профиля шестого типа

Расчет такого профиля можно полностью выполнить, используя ранее приведенные формулы, которые предложены для расчета других профилей, например, третьего, пятого и шестого типов.

Расчет профиля волнообразного горизонтального окончания скважины (рис. 1.14). Профиль ствола скважины, пробуренного в пре-

Рис. 1.14. Расчетная схема горизонтального участка профиля скважины:

h — мощность горизонта; А — допустимое смещение скважины вниз; 0, — зенитный угол при входе скважины в пласт; а — расстояние по наклону, на котором вскрыт пласт; /?,, R₂— радиусы набора и снижения зенитного угла; 0₂, 0₃, 0₄— углы набора и снижения зенитного угла; 0₅ — дополнительный угол снижения зенитного угла делах продуктивного пласта, зависит от типа коллектора, так как прежде всего он должен обеспечивать лучшие условия для притока флюида из пласта в скважину. Для решения задачи повышения нефте- и газоотдачи достаточно распространен волнообразный профиль горизонтального участка скважины.

Отличительная особенность проектирования горизонтальных окончаний скважин заключается в необходимости вписывания горизонтального участка в ограниченное пространство. С этой точки зрения в рамках ограниченной мощности нефтяного пласта очень трудно правильно выбрать угол входа в продуктивный горизонт и интенсивность изменения зенитного угла скважины.

Основные размеры профиля скважины рассчитываются в следующем порядке [4]. На рис. 1.14 показаны границы пласта по кровле и водонефтяному контакту. Прежде всего следует определить смещение А профиля в продуктивном пласте от кровли и подъема В от крайнего нижнего положения.

При проектировании ствола предварительно определяют радиус набора зенитного угла, задаваясь интенсивностью искривления /₂ на 10 м проходки:

Расстояние А рассчитывают по зависимости в соответствии с геометрическим построением, показанным на рис. 1.14:

Необходимое условие решения задачи проектирования ствола — h > А. Если это условие не выполняется, в формуле (1.29) меняют значение зенитного угла входа в пласт.

Далее находят проектный зенитный угол 0_пр, обеспечивающий проектное смещение по пласту и допустимую величину подъема профиля В. Для этого при В = А — е задают /₂ — интенсивность снижения зенитного угла на 100 м проходки. В этом случае можно рассчитать радиус искривления:

В соответствии с геометрическими построениями, показанными на рис. 1.14:

Далее определяют проектный зенитный угол по геометрическим параметрам профиля горизонтального участка скважины:

Минимально возможный зенитный угол при смещении на величину, меньшую А, рассчитывают по формуле

Угол 0₅ определяют из выражения

Длина участка, пробуренного по нефтяному пласту:

На основании этих расчетов можно заранее спрогнозировать возможность проводки горизонтального ствола по расчетному профилю с помощью выбранной компоновки низа бурильной колонны.