МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ

СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ОРИЕНТИРОВАНИЯ ОТКЛОНИТЕЛЕЙ. РАСЧЕТ УГЛА УСТАНОВКИ ОТКЛОНИТЕЛЯ

Ориентирование отклонителя — этап цикла искусственного искривления, выполняемый с целью установки отклонителя в скважине перед искривлением в то положение, которое соответствует заданию по изменению угловых параметров (зенитного и азимутального углов) забоя буримой скважины.

При ориентировании необходимо прежде всего твердо знать направление действия отклонителя, т.е. в каком направлении относительно собственной конструкции отклонитель производит искривление скважины. Из рассмотренных выше конструкций отклонителей возможны следующие варианты направлений их действия:

• — по ложку клина — все клиновые съемные и стационарные отклонители;
• — в направлении перекоса, если применяется кривой переводник;
• — в противоположную сторону от накладки на корпусе гидродвигателя и др.

Процесс ориентирования, или установка отклонителя в скважине в заданное положение, выполняется тремя основными способами:

• 1) ориентированным спуском до забоя отклонителя, установленного в соответствующее направлению искривления скважины положение (по азимуту);
• 2) вращением установленных над забоем скважины бурильной колонны с отклонителем;
• 3) проворотом спущенного в скважину и установленного над забоем отклонителя вокруг его оси механизмом ориентирования или самоориентатором, размещаемыми непосредственно над отклонителем.

К отдельному разделу способов ориентирования, безусловно, самому современному и высокофункциональному, следует отнести процесс формирования направления скважины с помощью телеметрической системы, при использовании которой осуществляется бурение скважины по заданной траектории с помощью следующих систем:

• — забойных датчиков, определяющих положение забоя скважины;
• — передачи информации с забоя скважины на пульт информационно-вычислительного центра и от управляющего пульта через компьютер в электронный блок управления отклонителем;
• — информационного вычислительного центра и программ работы управляющего компьютера, который и задает направление искривления скважины забойной компоновкой через электронный блок управления и приводные двигатели отклонителя, с помощью которых осуществляется или направленное фрезерование стенки скважины боковым вооружением долота (push-the-bit), или заданный фиксированный перекос долота (point-the-bit).

Таким образом, операция ориентирования исключена из перечня работ цикла искусственного искривления скважины в случае использования систем телеметрии, поскольку процесс ориентирования происходит постоянно по мере поступления информации с забоя о его положении и управляющих команд, задающих координаты подземного пространства, через которые должна пройти скважина.

В определенных случаях, когда телеметрия отсутствует, применяются простые методы ориентирования отклонителей.

Ориентированный спуск — крайне медленный и неточный способ ориентирования, но тем не менее он применяется в некоторых случаях при выполнении работ по искусственному искривлению в вертикальных скважинах. Способ управления ориентированным спуском состоит в выверенном, без проворотов при наращивании колонны спуске отклонителя с целью его постановки на забой в то положение, которое ему было задано на поверхности перед спуском. В целях реализации способа часто применяют геодезическую аппаратуру (теодолиты и нивелиры) для более точного отслеживания положения спускаемой бурильной колонны, но точность такого ориентирования все же достаточно мала (±50—80° на 1000 м), что ограничивает его применение малыми глубинами — в пределах 500-800 м [4].

Ориентирование вращением всей бурильной колонны вместе с отклонителем с поверхности производится с целью поиска требуемого положения отклонителя, т.е. положения, которое соответствует заданию по искривлению скважины. Поиск заданного положения может производиться с помощью специальных устройств — ориентаторов [9, 10]:

• — механического;
• — электромеханического;
• — гидромеханического.

В качестве ориентаторов применяются инклинометры, которые позволяют проводить ориентирование при следующих условиях:

• — возможности спуска в скважину отклонителя через колонну бурильных труб;
• — возможности определения азимутального направления в бурильной колонне, что, например, предполагает использование диамагнитных труб (алюминиемых и из диамагнитных сталей).

Ориентирование отклонителей происходит с помощью телеметрических систем, которые по сути являются встроенными в буровую компоновку ориентаторами, как правило, выполненными на основе современных инклинометров. Электроэнергия для работы встроенных в буровую компоновку ориентаторов подается или с поверхности (что затруднительно), или от автономного источника электроэнергии — аккумулятора, питаемого генератором с гидротурбиной. Гидротурбина работает под воздействием потока промывочной жидкости.

В ряде случаев (при малой глубине положения забоя при реализации технологий горизонтального направленного бурения (ГНБ)) ориентирование производится дистанционно — путем распознавания приемником на поверхности радиосигнала от специального датчика, встроенного в отклонитель.

Ориентирование проворотом отклонителя вокруг его оси механизмом ориентирования применяется при ориентировании отклонителей в системе геологоразведочного бурения скважин малых диаметров на твердые полезные ископаемые. Например, подобные системы применяются в отклоняющих комплексах «КЕДР» [9, 10].

Проворотом бурильной колонны добиваются установки отклонителя в заданное положение, соответствие которому определяется или по определенному сигналу (динамическому, электрическому или гидравлическому), или по показаниям наземных приборов, указывающих азимутальное положение отклонителя или непосредственно угол установки отклонителя. В этих случаях средства получения сигнала (скважинные датчики-ориентаторы) опускаются в скважину перед ориентированием через внутреннюю полость бурильной колонны.

Работа по ориентированию отклонителя включает несколько этапов:

• — расчет угла установки отклонителя со₀ и внесение поправок в его значение, например, при учете погрешности работы отклонителя А (см. п. 4.4.2) или угла закручивания бурильной колонны (см. параграф 4.4);
• — ориентирование отклонителя на поверхности на заданный угол установки со₀ (совместная настройка отклонителя и ориента- тора);
• — ориентирование отклонителя в скважине.

В ряде случаев при реализации длинных интервалов искривлений может предусматриваться повторное ориентирование отклонителя на каком-либо интервале углубления скважины, осуществляемого с набором кривизны.

Расчет угла установки отклонителя. На первом этапе выполнения работ по ориентированию определяют:

• — значения углов установки отклонителя со₀;
• — угол набора кривизны 5 по имеющимся данным начальных зенитного 0_Н и азимутального ос_н углов и запроектированных как результат искусственного искривления, конечных зенитного 0_К и азимутального а_к углов.

Угол установки со₀ и угол набора кривизны 8 могут быть определены:

• 1) аналитически;
• 2) графически;
• 3) по специальным таблицам¹.

Аналитически угол установки отклонителя может быть рассчитан по формуле [7]

где а_н, а_к — начальное и конечное (запланированное) значения азимутального угла, град.; 8 — запроектированный угол пространственного искривления скважины, град.; 0_Н— значение начального (до искривления) зенитного угла скважины, град.

Из полученных по формуле (5.1) значений угла установки один соответствует искривлению скважины по азимуту с уменьшением зенитного угла, второй — случаю с увеличением зенитного угла. Выбирается тот угол установки отклонителя, который соответствует поставленной перед искривлением скважины задаче.

Для расчета угла установки могут использоваться и более простые формулы [7]:

См., например: Методические указания по определению полного утла искривления и фактического угла установки отклонителя при бурении направленных и многоствольных скважин / сост. А.Я. Анищенко, С.Д. Эрен- дженов, Г.Г. Ращупкин [и др.]. Алма-Ата: КазИМС, 1983.

при увеличении зенитного угла:

при уменьшении зенитного угла:

где 0_К — заданный конечный зенитный угол скважины, град.

Значение угла установки отклонителя принимается со знаком плюс при увеличении азимута скважины в процессе искусственного искривления, а со знаком минус при его уменьшении.

Определение угла установки со₀ и полного угла искривления 8 графоаналитическим методом [7, 9, 10] предназначено для практических расчетов и рекомендуется для использования исполнителями работ по направленному бурению, если под рукой нет специальных таблиц.

Работа по определению необходимых параметров со₀ и 8 производится следующим образом. Задают направление на север (рис. 5.1) и масштаб отображения зенитных углов, например Г равен 1 см.

Рис. 5.1. Графоаналитическая диаграмма, используемая для расчета угла установки отклонителя со₀ и полного угла искривления 8

Далее с помощью транспортира откладывают от стрелки, обозначающей направление на север, значение начального азимутального угла а_н и проводят линию ОА, причем длина этой линии в выбранном масштабе должна соответствовать значению начального зенитного угла 0_Н. Далее таким же образом проводят линию О В, но используя при этом заданные конечные значения азимутального а_к и зенитного углов 0_К. Конечные значения зенитного и азимутального углов принимают как желаемый результат искусственного искривления.

Длина линии АВ с учетом выбранного масштаба будет равна значению угла набора кривизны 8, который удовлетворяет условиям решения задачи по корректировке направления скважины. Этот угол (8) практически аналогичен ранее представленному полному углу искривления Ау (формула (1.7)), который позволяет определить значение угла искривления по величинам изменения зенитного А0 и азимутального Да углов.

Углы установки отклонителя можно определить измерением углов у основания треугольника — со и Г| (см. рис. 5.1). Из двух полученных значений угла установки со и г первый соответствует искривлению скважины по азимуту с уменьшением зенитного угла, второй — случаю с увеличением зенитного угла. Выбирается тот угол установки отклонителя, который соответствует поставленной перед искривлением скважины задаче. Например, требуется увеличение зенитного угла, поэтому в качестве угла установки отклонителя принимаем острый угол ц.

Графоаналитический метод определения угла установки и угла набора кривизны уступает по точности аналитическому расчету или определению названных параметров по таблицам, но в то же время существенно проще и доступнее. Этот метод может очень просто использоваться в полевых условиях.

Ориентирование отклонителя на поверхности на заданный угол установки со₀ требует представления этой операции в воображаемом пространстве. С этой целью рассмотрим схему, представленную на рис. 5.2.

Отсчет угла установки отклонителя со₀ производится от апси- дальной плоскости скважины (вправо, если необходимо увеличение азимута, влево, если требуется уменьшение азимута).

На рис. 5.2 положение апсидальной плоскости строго совпадает с вертикальной линией (стрелки 0 и 180°).

Угол установки отклонителя со₀ = 0°, принятый за начало отсчета, соответствует положению отклонителя, ориентированного строго на выполаживание (осуществляется увеличение зенитного

Рис. 5.2. Схема отсчета углов установки отклонителя со₀

угла без изменения азимута скважины). При начальном угле 0)_о = 0° плоскость искривления скважины совпадает с положением ап- сидальной плоскости по направлению вверх.

Как следует из рис. 5.2, возможны четыре случая, при которых будет осуществляться плоское искривление скважины (изменяется только зенитный или только азимутальный углы):

• — угол установки отклонителя равен нулю, если решается задача только выполаживания скважины без изменения азимутального угла; положение отклонителя в скважине соответствует решению именно такой задачи;
• — угол установки отклонителя равен 180°, если решается задача только выкручивания скважины без изменения азимутального угла (искривление также осуществляется строго в апсидальной плоскости скважины по направлению вниз);
• — угол установки отклонителя равен 90°, если требуется только изменение азимутального угла в сторону увеличения (вправо) без изменения зенитного угла;
• — угол установки равен 270°, если требуется только уменьшение азимутального угла (отклонение влево) без изменения зенитного угла.

При плоском искривлении скважины (корректировке подлежит только зенитный или только азимутальный угол) значение угла набора кривизны 5 равно значением Да или Д0, т.е. разности между начальным (исходное значение) и конечным (угловой параметр, который следует получить в результате искривления) значениями зенитного или азимутального угла.

Если нужно изменить одновременно азимутальный и зенитный углы, то значения угла со₀ будут находиться в том или ином диапазоне в зависимости от условий решаемой задачи (на схеме рис. 5.2 возможные диапазоны значений угла установки со₀ в зависимости от условий решаемой задачи приведены в виде четырех четвертей), и необходимо провести точный расчет угла установки отклонителя.

При этом углы установки отклонителя в соответствии с рис. 5.2 будут положительными, если их отсчет производится от со₀ = 0° по направлению движения часовой стрелки и изменяться этот угол будет соответственно от 0 до 180°. Положительными будут углы установки отклонителя, соответствующие задаче искривления скважины вправо и определенные по диаграмме, представленной на рис. 5.1. Например, если по диаграмме (см. рис. 5.1) получено, что для искривления скважины вправо с одновременным уменьшением угла угол установки отклонителя со = 120° (рис. 5.3, направление I), значит, это и будет реальный и окончательный угол установки отклонителя, т.е. со₀ = со = 120°.

Если ставится задача искривления скважины влево, то угол установки отклонителя, определенный в соответствии с диаграммой, представленный на рис. 5.1, берется со знаком минус, а реальное

Рис. 5.3. Схема, используемая для определения угла установки отклонителя со₀

значение угла установки определяется в соответствии с выражением со₀ - 360° — со или со₀ = 360° — г).

Например, скважину нужно направить с увеличением зенитного угла, т.е. выположить и одновременно направить влево, т.е. с уменьшением азимута. Угол, полученный графоаналитическим методом в соответствии с решением по диаграмме, г = —30°. Значит, угол установки отклонителя будет со₀ = 360° — г = 360° — 30° = 330° (см. рис. 5.3, направление II).

Пример. После проведения инклинометрии установлено, что зенитный угол скважины 0_Н = 30°, азимутальный угол а_н = 210°. Требуется изменить зенитный угол в сторону выкручивания до значения 0_К = 25°, а азимут скважины — до а_к = 200°. С этой целью следует определить угол установки отклонителя со₀ и полный угол набора кривизны 5.

Для графоаналитического решения принимаем масштаб отображения значений зенитного угла Г = 3 см и строим диаграмму (рис. 5.4) в следующей последовательности:

• — от вертикальной линии N (условно северное направление) откладываем угол а_н = 210° и проводим линию ОА, равную в масштабе Г = 3 см значению 0_М = 30°;
• — от вертикальной линии N откладываем угол а_к = 200° и проводим линию ОВ, равную в масштабе значению 0_К = 25°;
• — полученные точки А и В соединяем и определяем в масштабе единиц величину 5 = 7,3°;

Рис. 5.4. Пример определения угла установки отклонителя и полного угла искривления графоаналитическим методом

— определяем угол установки отклонителя со_(> исходя из того, что по условию задачи нам следует направить скважину в четверть III диаграммы, показанной на рис. 5.2 (искривление следует провести на выкручивание (-0) и влево (-а)), а значит, угол для расчета угла установки отклонителя со₀ будет больше 90° и равен со = —129°. Далее по формуле определяем: со₀ = 360° — 129° = 24Г.

Для понимания связи между системами углов установки отклонителя и ориентации скважины в пространстве в системе пространственных координат и стран света можно рассмотреть схему, представленную на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Схема, показывающая связь системы отсчета углов установки отклонителя со₀ с системой ориентирования скважины по странам света:

0 — зенитный угол; ос — азимутальный угол

Из данной схемы следует, что основой системы ориентирования отклонителей является апсидальная плоскость, которая служит репером для измерения азимутального угла а, а зенитный угол скважины 0 измеряется всегда строго в апсидальной плоскости. Положение апсидальной плоскости строго совпадает с направлениями изменения зенитного угла 0 (углы установки отклонителя 0° — выполаживание и 180°— выкручивание). Изменение азимутального угла а производится или вправо, или влево от апсидальной плоскости (углы установки отклонителя от 0 до 180° — увеличение азимута, 180—360° — уменьшение азимута).

На рис. 5.6 показано изображение на мониторе компьютера забойной телеметрической системы с указанием схемы углов установки отклонителя. В данном случае видно, что первоначальный угол установки отклонителя был 202°, затем в процессе проходки этот угол менялся и достиг 249°. То есть первоначально ставилась задача бурить скважину с преимущественным уменьшением зенитного угла с умеренным отклонением влево, а затем потребовалось увеличить отклонение скважины влево с некоторым, уже более умеренным уменьшением зенитного угла. Подобные условия искривления скважины рассмотрены в примере (см. рис. 5.4).

Рис. 5.6. Графическое изображение диаграммы отсчета углов установки отклонителя со₀ в телеметрической системе

Настройка ориентатора и отклонителя на рассчитанный угол установки. Определив значения угла установки со₀ и полного угла искривления 8, далее следует произвести настройку ориентатора и отклонителя на рассчитанный угол установки.

Ориентирование отклонителя в скважине производится после настройки отклонителя и ориентатора на поверхности и спуска отклонителя в скважину.

Если используются ориентаторы-сигнализаторы, т.е. ориента- торы, дающие тот или иной сигнал об установке отклонителя на заданный угол, а для получения сигнала следует вращать отклонитель вместе с бурильной колонной в скважине, то отклонитель на бурильной колонне подвешивают над забоем и через внутренную полость колонны спускают скважинный прибор — ориентатор или инклинометр. После спуска ориентирующего прибора до заданного над отклонителем места медленным вращением колонны бурильных труб вместе с отклонителем добиваются такого его положения, при котором поступает необходимый сигнал о правильной установке отклонителя на заданный угол установки или в соответствии с требуемым азимутом бурения скважины. Для более высокой точности ориентирования процедуру повторяют и стремятся, чтобы полученные при повторных попытках ориентирования положения отклонителя совпадали.

При ориентировании с помощью инклинометров (УОО, система с магнитным репером) или телеметрических систем ориентирование производится по азимуту, который определяется по прибору на поверхности и так или иначе соотносится с положением отклоняющей системы [4].