РАСЧЁТ ПРОЕКТНОГО ПРОФИЛЯ НАПРАВЛЕННЫХ И

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ухтинский государственный технический университет»
(УГТУ)
РАСЧЁТ ПРОЕКТНОГО ПРОФИЛЯ НАПРАВЛЕННЫХ
И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН
Методические указания
Ухта, УГТУ, 2014
УДК 622.243.2(075.8)
ББК 33.131 я7
Б 69
Б
Близнюков, В. Ю.
Расчёт проектного профиля направленных и горизонтальных скважин
[Текст] : метод. указания / В. Ю. Близнюков, А. С. Повалихин, С. А. Кейн. –
Ухта : УГТУ, 2014. – 40 с., ил.
Методические указания предназначены для изучения дисциплин «Бурение горизонтальных скважин» и «Технология бурения нефтяных и газовых скважин». Содержание указаний полностью соответствует Федеральному государственному
образовательному стандарту по подготовке магистров направления 131000 – Нефтегазовое дело.
Методические указания также предназначены работникам нефтяной и газовой
промышленности, аспирантам и студентам нефтегазовых вузов.
В методических указаниях изложена методика расчёта различных видов профиля наклонных и горизонтальных скважин. Представлены основные положения расчёта пространственного профиля горизонтальных скважин и боковых стволов.
Приведены примеры расчёта типовых видов профиля наклонных и горизонтальных
скважин.
УДК 622.243.2(075.8)
ББК 33.131 я7
Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры бурения
10.01.2014, протокол №01.
Рецензент: В. В. Дуркин, начальник лаборатории буровых материалов, промывки и
заканчивания скважин Регионального отдела технологий строительства скважин филиала ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в г. Ухта, доцент, к.т.н.
Корректор: К. В. Коптяева.
Технический редактор: Л. П. Коровкина.
План 2014 г., позиция 378.
Подписано в печать 30.04.2014. Компьютерный набор.
Объем 40 с. Тираж 100 экз. Заказ №284.
© Ухтинский государственный технический университет, 2014
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.
Типография УГТУ.
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.
Оглавление
1. Основные понятия, термины и определения.................................................... 4
2. Основные положения.......................................................................................... 5
3. Виды проектного профиля наклонных скважин.............................................. 7
3.1 Общие положения ....................................................................................... 7
3.2 Область применения и выбор профиля наклонных скважин ................. 9
3.3 Расчёт параметров проектного профиля наклонных скважин ............. 10
3.3.1 Расчёт тангенциального профиля наклонной скважины .............. 11
3.3.2 Расчёт S-образного профиля наклонной скважины ...................... 14
3.3.3 Расчёт J-образного профиля наклонной скважины....................... 16
4. Виды проектного профиля горизонтальных скважин ................................... 19
4.1 Профиль направляющей части горизонтальных скважин.................... 19
4.2 Формы горизонтального участка в продуктивном пласте.................... 22
4.3 Выбор направления бурения и расположения
горизонтального участка скважины в продуктивном пласте ........................... 23
4.4 Расчёт горизонтального участка скважины ........................................... 24
4.4.1 Расчёт участка Т1-Т2 горизонтального ствола................................ 24
4.4.2 Расчёт наклонно прямолинейного горизонтального участка....... 25
4.4.3 Расчёт криволинейного горизонтального участка ........................ 25
4.5 Выбор профиля горизонтальной скважины ........................................... 26
4.6 Расчёт направляющей части типового профиля
горизонтальной скважины.................................................................................... 27
5. Принципы расчёта пространственного профиля
горизонтальных скважин...................................................................................... 31
6. Профиль боковых стволов скважин ................................................................ 34
6.1 Общие положения ..................................................................................... 34
6.2 Расчёт пространственного профиля наклонного бокового ствола ...... 36
Библиографический список.................................................................................. 40
3
1. Основные понятия, термины и определения
Скважина – горная выработка, образуемая в результате бурения, с расположенными в ней обсадными колоннами и внутрискважинным технологическим
(эксплуатационным) оборудованием.
Забой скважины – дно скважины, углубляемое в результате воздействия
породоразрушающего инструмента на горную породу.
Ствол скважины – пространство в массиве горных пород от устья до забоя, образованное породоразрушающим инструментом в процессе бурения.
Устье скважины – начало скважины, расположенное на земной поверхности.
Стенка ствола скважины – боковая поверхность ствола скважины.
Основной ствол скважины – ствол скважины, из которого забуривается
один или несколько боковых стволов (ответвлений).
Проектный профиль скважины – запланированная траектория бурения,
состоящая из сопряжённых прямолинейных и искривлённых участков.
Вертикальная скважина – скважина, у которой устье и центр круга допуска расположены на вертикальной прямой.
Наклонная скважина – зенитный угол вскрытия продуктивного пласта
менее 60°.
Пологая скважина – зенитный угол вскрытия пласта составляет 60°÷70°.
Горизонтальная скважина – вскрывает продуктивный пласт в продольном
направлении с зенитным углом более 70°.
Боковой ствол – это ответвление от основного ствола скважины с началом
в точке забуривания.
Пилотный ствол – часть основного ствола скважины, необходимая для
проведения геофизических исследований, после проведения которых ликвидируется путём установки отсекающего цементного моста.
Плоский профиль – профиль наклонной, горизонтальной скважины или
бокового ствола с постоянным азимутом.
Пространственный профиль – профиль наклонной, горизонтальной
скважины или бокового ствола с изменяемым азимутом.
Зенитный угол ствола скважины – угол между касательной к оси скважины и вертикалью в точке замера.
Азимут ствола скважины – угол в горизонтальной плоскости между направлением, принятым за начало отсчёта (Север), и проекцией на горизонтальную плоскость касательной к оси скважины в точке замера.
4
2. Основные положения
Профиль ствола наклонной и горизонтальной скважины включает вертикальный участок, участок начального искривления, сопряжённые между собой
тангенциальные и искривлённые интервалы.
Профиль скважин характеризуется коэффициентом (КОТ) отклонения:
КОТ = А/Н,
где А – проектное смещение ствола от вертикали, проходящей через устье;
Н - проектная глубина скважины по вертикали.
Верхняя точка интервала начального искривления ствола скважины называется точкой забуривания наклонного ствола.
Кривизна отдельного участка пространственного проектного профиля
скважины характеризуется зенитным углом α и азимутом φ в двух крайних
точках данного участка.
Отдельный искривлённый участок проектного профиля имеет
постоянную кривизну и расположен в одной плоскости, т. е. является дугой
окружности.
Поскольку одни геометрические параметры характеризуют профиль
скважины в отдельных точках, а другие – интервал, то принимается следующая
система обозначений принадлежности параметра к точке или интервалу.
Каждой точке профиля скважины присваивается порядковый номер в
направлении увеличения глубины скважины. Рядом с буквенным обозначением
параметра, характеризующего точку профиля скважины, указывается цифра,
соответствующая порядковому номеру точки, а после буквенного обозначения
параметра, относящегося к интервалу профиля скважины, в индексе
записываются две разделённые тире цифры, обозначающие крайние точки
интервала, например П1-2 = П2 – П1.
Некоторые параметры могут принимать положительное и отрицательное
значение, поэтому установленная очерёдность символов должна соблюдаться.
Углы обозначаются буквами греческого алфавита, линейные величины –
латинскими, а индексы – цифрами и русскими буквами.
Все углы измеряются в градусах (радианах), линейные величины – в
метрах, а интенсивность искривления – в градусах на 10 м длины ствола
скважины.
Зенитный угол ствола скважины равен углу между касательной к оси
скважины и вертикальной прямой в данной точке.
5
Геометрическими параметрами, характеризующими участок профиля
скважины между точками 1 и 2 (рисунок 2.1), являются:
- изменение зенитного угла (α1-2);
- изменение азимута (φ1-2);
- угол пространственного искривления (γ1-2), равный углу поворота
касательной на участке;
- радиус кривизны (R) участка профиля скважины, м;
(I),
равная
приращению
угла
- интенсивность
искривления
пространственного искривления на интервале ствола; интенсивность
искривления в градусах на 10 метров проходки определяется по формуле:
573
I=
;
R
- длина участка (L1-2) ствола скважины.
Рисунок 2.1 – Геометрическое изображение участка профиля ствола
скважины и его параметров α, β, ϕ, γ
К параметрам, характеризующим пространственное положение каждой
точки профиля скважины, кроме зенитного угла и азимута, относятся:
- суммарный угол (γ) пространственного искривления или суммарный
угол охвата (поворота касательной) по всей длине профиля скважины до
рассматриваемой точки;
- азимут (φ) радиуса кривизны, т. е. азимут горизонтальной проекции
радиуса кривизны в направлении к центру кривизны участка профиля
скважины;
- Xi, Yi, Zi – пространственные координаты i-ой точки профиля скважины;
6
- радиус-вектор (RГ) горизонтального смещения точки профиля скважины
в плане;
- полярные координаты (Lr, φr) точек профиля скважины в плане,
смещение горизонтальной проекции точки профиля от центра и азимут
смещения соответственно;
- угол (β) ориентации искривления (приведённый азимут радиуса кривизны) – это угол между апсидальной (вертикальной) плоскостью и плоскостью
искривления участка профиля скважины. Отсчитывается в нормальной плоскости (перпендикулярной к касательной плоскости) по направлению движения
часовой стрелки от верхней до главной нормали. Этот угол характеризует ориентацию плоскости, в которой расположен забойный двигатель-отклонитель в
процессе бурения.
Апсидальной плоскостью является вертикальная плоскость, проходящая
через касательную к траектории скважины в данной точке.
Кривизна отдельного участка пространственного проектного профиля
скважины характеризуется зенитным углом α и азимутом φ в двух крайних точках данного участка. Ось ствола скважины между данными точками является дугой окружности и расположена в одной плоскости.
3. Виды проектного профиля наклонных скважин
3.1 Общие положения
Проектный профиль ствола наклонной скважины включает вертикальный
участок, участок начального искривления и сопряжённые между собой тангенциальные и искривлённые интервалы.
Профиль наклонной скважины определяют три его точки (рисунок 3.1):
- устье скважины;
- точка вскрытия продуктивного пласта;
- конечный забой скважины.
Основными параметрами профиля скважины являются:
- глубина скважины, H;
- длина ствола, Σli, – сумма длин всех участков скважины;
- смещение от вертикали, А;
- количество участков, i;
- длина вертикального участка, HB;
- интенсивность искривления участков, Ii;
- радиус кривизны участков, Ri;
- угол вскрытия продуктивного пласта, α2.
7
Рисунок 3.1 – Проектный профиль наклонно направленной скважины:
R1, R2 – радиусы кривизны участков профиля;
α1, α2 – зенитные углы по концам искривлённых участков профиля
По форме завершающего интервала все профили наклонно направленной
скважины разделяются на три типа (рисунок 3.2):
- S-образный;
- J-образный;
- тангенциальный.
Проектирование профиля скважины заключается в выборе типа и вида
профиля, а также в определении необходимого для его расчёта комплекса
параметров, включающего:
- проектные значения глубины и смещения ствола скважины от вертикали;
- длину вертикального участка;
- значения предельных радиусов кривизны и зенитных углов ствола скважины в интервале установки и работы внутрискважинного эксплуатационного
оборудования и на проектной глубине.
8
а)
б)
в)
Рисунок 3.2 – Типы профиля наклонно направленных скважин:
а – тангенциальный; б – S-образный; в – J-образный;
Н – проектная глубина; А – проектное смещение; НВ – длина вертикального участка;
R1 – радиус кривизны участка начального искривления; α1 – зенитный угол в конце
участка начального искривления; L – длина тангенциального участка; R2, R3 – радиус
кривизны второго и третьего участков профиля соответственно; α2, α3 – зенитный
угол в конце третьего участка профиля и на проектной глубине соответственно
3.2 Область применения и выбор профиля наклонных скважин
S-образный вид профиля наклонной скважины применяется
преимущественно в тех случаях, когда вскрытие продуктивного пласта стволом
планируется с минимальным зенитным углом, а также при проектировании
глубоких скважин.
J-образный профиль наклонной скважины целесообразно применять:
- в целях уменьшения зенитного угла ствола скважины в интервале размещения промежуточных обсадных колонн, а также в интервале установки и
работы внутрискважинного эксплуатационного оборудования;
- для увеличения угла вскрытия продуктивного пласта при проектировании пологих скважин;
- с целью уменьшения сил трения и нагрузок на спускоподъёмное оборудование буровой установки;
- при строительстве кустовых скважин для обеспечения проектного смещения забоя скважины от вертикали и, соответственно, рационального количества скважин в кусте при выполнении требований к величине максимального
зенитного угла в интервале расположения внутрискважинного оборудования
для добычи нефти.
9
При тангенциальном профиле достигается максимальное смещение забоя
скважины при минимальной величине зенитного угла ствола скважины. Этот
профиль применяют для проектирования наклонно направленных скважин с
большим смещением забоя от вертикали.
3.3 Расчёт параметров проектного профиля наклонных скважин
При расчёте профиля скважины кроме проектных значений глубины и
смещения ствола задаётся также длина вертикального участка и радиус кривизны участка начального искривления.
Для определения проекций каждого участка профиля на вертикальную и
горизонтальную оси необходимо знать радиус кривизны участка профиля, значения зенитных углов по его концам, длину и угол наклона тангенциального
участка, если он имеется. Указанные параметры профиля могут быть найдены
из решения системы уравнений, которые в общем виде выглядят следующим
образом:
Σhi = H 
(3.1)
,
Σai = A 
где hi, ai – вертикальная и горизонтальная проекции i-го участка профиля соответственно, м;
Н, А – проектная глубина и смещение ствола скважины соответственно, м.
Значение зенитного угла в верхних интервалах, где располагается внутрискважинное эксплуатационное оборудование, ограничивается некоторой
предельной величиной. Поэтому при расчёте параметров профиля скважины
следует задавать максимальную величину зенитного угла скважины в конце
участка начального искривления, а также в конце расположенного ниже участка увеличения зенитного угла. Поскольку зенитный угол скважины на проектной глубине при проектировании наклонно направленной скважины жёстко не
регламентируется, то этот угол целесообразно принять в качестве одной из неизвестных величин. Второй неизвестной величиной в системе уравнений (3.1)
может быть радиус кривизны одного из участков профиля, расположенного
ниже участка начального искривления или длина тангенциального участка
профиля.
В таблице 3.1 приведены формулы для расчёта вертикальной и горизонтальной проекций участков плоского профиля наклонных скважин.
10
Таблица 3.1 – Формулы расчёта проекций участков проектного профиля
Вид участка
профиля
Вертикальный
Начального
искривления
Малоинтенсивное
увеличение угла
Малоинтенсивное
уменьшение угла
Тангенциальный
(известна длина L)
Проекция участка, м
Горизонтальная
Вертикальная
0
HB
R ⋅ (1 − cos α )
R ⋅ sin α
R ⋅ ( cos α1 − cos α 2 )
R ⋅ ( sin α 2 − sin α1 )
R ⋅ ( cos α 2 − cos α1 )
R ⋅ ( sin α1 − sin α 2 )
L ⋅ sin α L
L ⋅ cos α L
Длина участка,
м
HB
α⋅π⋅ R
180
( α 2 − α1 ) ⋅ π ⋅ R
180
( α1 − α 2 ) ⋅ π ⋅ R
180
L
Примечание к таблице:
НВ – длина вертикального участка профиля, м;
R – радиус кривизны искривлённого участка профиля, м;
α – зенитный угол в конце участка начального искривления, град.;
α1, α2 – зенитный угол в начале и в конце искривлённого участка профиля
соответственно, град.
3.3.1 Расчёт тангенциального профиля наклонной скважины
Тангенциальный трёхинтервальный профиль (рисунок 3.3) включает вертикальный участок, участок начального искривления и тангенциальный участок.
Исходными данными для расчёта
трёхинтервального профиля являются параметры: Н, А, НВ, R1.
Уравнения проекций участков профиля на вертикальную и горизонтальную
оси:
НВ + R1 sinα1 + L cosα1 = H. (3.2)
R1 (1 – cosα1) + L sinα1 = A. (3.3)
В системе уравнений (3.2) и (3.3)
две неизвестные величины – L и α1.
Значение зенитного угла α1, при котором обеспечивается проектное смещение ствола скважины на проектной
Рисунок 3.3 – Трёхинтервальный
глубине Н, получается в результате решетангенциальный профиль
ния системы уравнений (3.2) и (3.3) и может быть выражено формулой:
11
H 0 − H 02 − A ⋅ (2 ⋅ R1 − A)
α1 = 2 ⋅ arc tg
,
2 ⋅ R1 − A
где
(3.4)
H0 = H – HB.
Длина тангенциального участка определяется по формуле:
A − R ⋅ (1 − cos α1 )
L=
.
sin α1
Пример расчёта трёхинтервального тангенциального профиля наклонной
скважины.
Исходные данные:
- глубина спуска направления – 150 м;
- глубина спуска кондуктора – 600 м;
- глубина спуска эксплуатационной колонны – 1691 м;
- проектная глубина до кровли пласта Н = 1649 м;
- проектное смещение на кровле пласта А = 500 м;
- радиус кривизны участка начального искривления R1 = 382 м;
- мощность продуктивного пласта – 42 м.
С целью улучшения спуска и повышения герметичности крепи направления и кондуктора, составленных из обсадных труб большого диаметра, длину
НВ вертикального участка принимаем равной 620 м. При этом направление и
кондуктор будут расположены в вертикальном стволе скважины.
На основании исходных данных по формуле (3.4) определяется величина
угла α1 в конце участка начального искривления ствола:
1029 − 1029 2 − 500 ⋅ (2 ⋅ 382 − 500)
α1 = 2 ⋅ arc tg
= 28,18 град.
2 ⋅ 382 − 500
Длина участка начального искривления:
28,2
L1 = 10
= 188 м.
0,15
Длина тангенциального участка:
500 − 382(1 − cos 28,2)
L=
= 962,4 м.
sin 28, 2
Длина эксплуатационного участка:
HП
42
LЭ =
=
= 47,6 м.
cos α1 cos 28, 2
Полученные параметры проектного профиля заносятся в таблицу 3.2.
12
Таблица 3.2 – Расчётные параметры тангенциального трёхинтервального
профиля наклонной скважины с проектным смещением 500 м
Вид участка
Направление
Кондуктор
Вертикальный
Начального
искривления
Тангенциальный
Эксплуатационный
150,0
600,0
620,0
Длина
ствола,
м
150,0
600,0
620,0
Длина
интервала,
м
150,0
450,0
620,0
800,0
808,0
188,0
45,0
28,2
1,5
1649,0
1691,0
1770,4
1818,0
962,4
47,6
500,0
522,5
28,2
28,2
0,0
0,0
Глубина, м
Сме- Зенитный
щение,
угол,
м
град.
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
Интенсивность,
1°/10 м
0,0
0,0
0,0
Тангенциальный трёхинтервальный профиль наклонной скважины с проектным смещением 500 м приведён на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 – Трёхинтервальный профиль наклонной скважины
с проектным смещением 500 м
13
3.3.2 Расчёт S-образного профиля наклонной скважины
S-образный четырёхинтервальный профиль включает вертикальный участок, участок начального искривления, тангенциальный участок и участок малоинтенсивного уменьшения зенитного угла (рисунок 3.5).
НВ
R1
α1
Н
α3
А
Рисунок 3.5 – S-образный четырёхинтервальный профиль
Исходными данными для расчёта S-образного профиля (рисунок 3.5) являются параметры: H, A, HВ, R1, R3, α1.
Длина L тангенциального участка и зенитный угол α3 ствола скважины на
проектной глубине определяются из выражений:
L = C – Q,
(3.5)
Q
α 3 = α1 − arctg
(3.6)
R2 − Q2 ,
3
где
C=
H − H В − R1 ⋅ sin α1
− A − B ⋅ sin α1 ;
cos α1
B = R1 ⋅ (1 − cos α1 ) + ( H − H В − R1 ⋅ sin α1 ) ⋅ tg α1 ;
Q = 2 ⋅ R3 ⋅ A − B ⋅ cos α 1 − ( A − B ) ⋅ cos 2 α 1 .
2
14
Пример расчёта S-образного четырёхинтервального профиля наклонной
скважины.
Исходные данные:
- глубина спуска направления – 50 м;
- глубина спуска кондуктора – 700 м;
- проектная глубина до кровли пласта – 2240 м;
- мощность продуктивного пласта – 176 м;
- глубина спуска эксплуатационной колонны – 2416 м;
- проектное смещение на кровле пласта – 700 м;
- радиус кривизны участка начального искривления R1 = 382 м;
- радиус кривизны участка уменьшения зенитного угла R3 = 3820 м;
- длина вертикального участка НВ = 400 м;
- зенитный угол в конце участка начального искривления α1 = 25°.
На основании исходных данных по формулам (3.5, 3.6) определяются величина угла α3 и длина тангенциального интервала ствола:
B = 382 ⋅ (1 − cos 25) + (2240 − 400 − 382 ⋅ sin 25) ⋅ tg 25 = 818;
Q = 2 ⋅ 3820 ⋅ 700 − 818 ⋅ cos 25 − ( 700 − 818 ) ⋅ cos 2 25 = 899;
2
C=
2240 − 400 − 382 ⋅ sin 25
− 700 − 818 ⋅ sin 25 = 1802 ;
cos 25
L = 1802 – 899 = 903 м;
897,56
α3 = 25 − arctg
= 11,4 град.
2
2
3820 − 897,56
По формулам (таблица 3.1) рассчитывается длина эксплуатационного
участка профиля, а также его вертикальная и горизонтальная проекции.
Полученные параметры проектного профиля заносятся в таблицу 3.3.
Таблица 3.3 – Параметры S-образного проектного профиля наклонно
направленной скважины с проектным смещением 700 м
Вид участка
1
Вертикальный
(направление)
Вертикальный
Начального
искривления
Тангенциальный
(кондуктор)
Глубина,
м
2
Длина
Длина
Зенитный
Смещение,
ствола,
интервала,
угол,
м
(колонны), м
м
град.
3
4
5
6
Интенсивность,
°/10 м
7
50,0
50,0
50,0
0,0
0,0
0,0
400,0
400,0
350,0
0,0
0,0
0,0
561,0
567,0
167,0
35,8
25,0
1,5
700,0
720,0
153,0
100,4
25,0
0,0
15
Окончание табл. 3.3
1
Тангенциальный
Уменьшение
зенитного угла
Уменьшение
зенитного угла
(эксплуатационный)
2
1379,0
3
1469,0
4
743,0
5
417,2
6
25,0
7
0,0
2240,0
2377,0
908,0
700,0
11,4
-0,15
2416,0
2556,0
179,0
731,0
8,7
-0,15
Четырёхинтервальный S-образный профиль наклонной скважины с проектным смещением 700 м приведён на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6 – Четырёхинтервальный S-образный проектный профиль
наклонно направленной скважины с проектным смещением 700 м
3.3.3 Расчёт J-образного профиля наклонной скважины
J-образный профиль включает вертикальный участок, участок начального
искривления, тангенциальный участок и участок малоинтенсивного увеличения
зенитного угла (рисунок 3.7).
16
Исходными данными для расчёта профиля (рисунок 3.7) являются параметры: H, A, HB, R1, R3, α1.
НВ
R1
α1
Н
α3
А
Рисунок 3.7 – Четырёхинтервальный профиль J-образного вида
с тангенциальным участком
Длина тангенциального участка и зенитный угол α3 ствола скважины на
проектной глубине Н определяются по формулам:
L =C −Q;
(3.7)
α3 = α1 + arctg
где
C=
Q
R −Q
2
3
2
,
(3.8)
H − H B − R1 ⋅ sin α1
+ A − B ⋅ sin α1;
cos α1
B = R1 ⋅ (1 − cos α1 ) + ( H − H B − R1 ⋅ sin α1 ) ⋅ tg α1;
Q = 2 ⋅ R3 ⋅ A − B ⋅ cos α1 − ( A − B ) ⋅ cos 2 α1 .
2
Пример расчёта J-образного четырёхинтервального профиля наклонной
скважины.
Исходные данные:
- глубина спуска направления – 50 м;
- глубина спуска кондуктора – 500 м;
17
- проектная глубина до кровли пласта Н = 1678 м;
- мощность продуктивного пласта – 30 м;
- глубина спуска эксплуатационной колонны – 1708 м;
- проектное смещение на кровле пласта А = 900 м;
- радиус кривизны участка начального искривления R1 = 382 м;
- радиус кривизны участка уменьшения зенитного угла R3 = 1900 м;
- длина вертикального участка НВ = 80 м;
- зенитный угол в конце участка начального искривления α1 = 30°;
- вскрытие пласта производится с уменьшением зенитного угла с интенсивностью 0,5°/10 м.
На основании исходных данных по формулам (3.7, 3.8) определяются величина угла α3 и длина L тангенциального интервала ствола:
B = 382 ⋅ (1 − cos30 ) + (1678 − 80 − 382 ⋅ sin 30 ) ⋅ tg 30 = 863 ,
Q = 2 ⋅ 1900 ⋅ 900 − 863 ⋅ cos30 − ( 900 − 863) ⋅ cos 2 30 = 345 ,
2
1678 − 80 − 382 ⋅ sin 30
+ 900 − 863 ⋅ sin 30 = 1643 ,
cos30
L = 1643 − 345 = 1298 м,
345
α3 = α1 + arctg
= 40, 4 град .
190023452
По формулам (таблица 3.1) рассчитывается длина эксплуатационного
участка профиля, а также его вертикальная и горизонтальная проекции.
Параметры проектного профиля заносятся в таблицу 3.4.
C=
Таблица 3.4 – Параметры проектного четырёхинтервального J-образного
профиля наклонно направленной скважины с проектным смещением 900 м
Вид участка
Вертикальный
Начального
искривления
Башмак
кондуктора
Тангенциальный
Увеличения
зенитного угла
Эксплуатационный
Глубина
по вертикали, м
Длина
ствола,
м
Длина
интервала,
м
Смещение,
м
Зенитный
угол,
град.
Интенсивность,
°/10 м
80,0
80,0
80,0
0,0
0,0
0,0
271,0
280,0
200,0
52,0
30,0
1,5
500,00
544,0
264,0
183,4
30,0
0,0
1393,0
1576,0
1032,0
699,2
30,0
0,0
1678,0
1925,0
249,0
900,00
40,4
0,3
1708,0
1964,0
39,0
925,0
38,5
-0,5
18
Четырёхинтервальный J-образный профиль наклонной скважины с проектным смещением 700 м приведён на рисунке 3.8.
Рисунок 3.8 – Четырёхинтервальный J-образный проектный профиль
наклонно направленной скважины с проектным смещением 900 м
4. Виды проектного профиля горизонтальных скважин
4.1 Профиль направляющей части горизонтальных скважин
Профиль горизонтальной скважины состоит из направляющей и эксплуатационной частей. Эксплуатационная часть профиля расположена в продуктивном пласте и называется горизонтальным участком. Наличие такого участка
является принципиальным отличием горизонтальной скважины от наклонной
скважины, которое определяет методику проектирования и технологию проводки горизонтальных скважин.
При проектировании горизонтальных скважин используется только
J-образный вид профиля. По величине радиуса кривизны направляющей части
различают три вида профиля горизонтальной скважины – с большим, средним и
малым радиусами кривизны (рисунок 4.1).
19
Рисунок 4.1 – Схемы горизонтальных скважин с большим (> 190 м),
средним (30-190 м) и малым (10-30 м) радиусами кривизны
С большим (более 190 м) радиусом кривизны проектируют скважины, которые имеют значительное проектное смещение и длину горизонтального участка (600…1500 м и более). При строительстве таких скважин используется
технология и техника наклонно направленного бурения, позволяющая получать
максимальную интенсивность искривления в диапазоне 0,7…2,5 град. на 10 м
проходки.
Достоинства профиля с большим радиусом кривизны:
- проводка скважины осуществляется с использованием обычных технических средств и технологии наклонного бурения;
- достигается максимальная длина горизонтального участка профиля;
- можно использовать различные технологии бурения, в том числе роторный способ;
- возможность применения обычных обсадных и бурильных труб;
- нет жёстких ограничений на выбор схемы заканчивания скважины;
- удовлетворяет всем требованиям технологии геофизических исследований и отбора керна.
Недостатки:
- значительная протяжённость открытых участков ствола, а следовательно, выше риски осложнений;
- большая длина ствола скважины приводит к увеличению времени бурения и стоимости скважины.
20
Профиль со средним радиусом кривизны применяют при строительстве
новых скважин, а также боковых стволов. Проектирование профиля скважины
осуществляют по радиусу 60…190 м, что соответствует интенсивности увеличения зенитного угла от 10º/10 м до 3º/10 м при максимальной длине горизонтального участка 450…900 м.
Достоинства скважин со средним радиусом кривизны:
- уменьшение длины открытого ствола;
- возможность проводить каротаж и отбор керна с применением
стандартных устройств;
- более высокая точность проводки скважины.
Недостатки:
- необходимость использования некоторых видов специального бурового
инструмента;
- требуются специальные забойные двигатели;
- значительные циклические нагрузки на бурильную колонну приводят к
необходимости использования бурильных труб повышенной прочности;
- высокая интенсивность искривления ствола скважины ограничивает
возможность выбора схемы заканчивания скважины.
Горизонтальные скважины с малым радиусом кривизны применяют при
строительстве скважин на месторождениях с низким пластовым давлением,
находящихся на поздней стадии эксплуатации, а также для бурения боковых
стволов.
Профиль скважины с малым радиусом кривизны позволяет установить
насосное оборудование в вертикальной части скважины, обеспечить
наибольшую точность попадания её ствола в заданную область продуктивного
пласта, а также производить бурение направляющей части профиля в
межпластовых интервалах геологического разреза. При этом радиус кривизны
ствола скважины составляет 10…30 м (интенсивность увеличения зенитного
угла – 11…25º/10 м) при длине горизонтального участка от 90 м до 250 м.
Для бурения скважин по малому радиусу в компоновку низа бурильной
колонны включают гибкие трубы и укороченный забойный двигатель.
Достоинства скважин с малым радиусом кривизны:
- минимальный интервал направленного бурения;
- высокая точность вскрытия пласта горизонтальным стволом;
- минимальная длина ствола.
Недостатки:
- необходимо специальное буровое оборудование и инструмент;
21
- ограничение по длине горизонтального интервала;
- проблемы, связанные с управлением азимутом, особенно при роторном
бурении;
- нельзя использовать обычные системы для проведения каротажа
скважины;
- ограничение на выбор схемы заканчивания.
В случаях, когда конструкция ствола скважины предусматривает
установку в искривлённых интервалах ствола промежуточных колонн
большого диаметра, используется комбинированный вид профиля. При таком
виде профиля верхние интервалы, где располагается жёсткая обсадная колонна,
проектируют с большим радиусом кривизны, а нижние – со средним или малым
радиусом кривизны.
4.2 Формы горизонтального участка в продуктивном пласте
Основные элементы профиля горизонтального
скважины (рисунок 4.2):
- Т1 – точка вскрытия продуктивного пласта;
- Т1-Т2 – участок увеличения зенитного угла;
- Т3 – проектный забой горизонтального участка;
- Т1-Т3 – длина горизонтального участка.
участка
профиля
Рисунок 4.2 – Основные элементы горизонтального участка скважины
22
4.3 Выбор направления бурения и расположения горизонтального участка
скважины в продуктивном пласте
В однородном пласте большой мощности без подстилающей воды и
газовой шапки с высокой вертикальной проницаемостью целесообразно
вписывание горизонтального участка в среднюю по толщине часть пласта по
траектории, параллельной кровле или подошве пласта. Рекомендуемые
варианты расположения горизонтального участка в зависимости от свойств
продуктивного пласта приведены на рисунке 4.3.
Рисунок 4.3 – Схемы вскрытия пластов горизонтальным стволом
23
4.4 Расчёт горизонтального участка скважины
Цель строительства горизонтальной скважины заключается в продольном
вскрытии продуктивной части нефтяного или газового пласта, поэтому форма
горизонтального участка должна соответствовать геометрии той части пласта,
где планируется его проводка. При этом горизонтальный участок должен
располагаться вдоль продуктивной части пласта и не выходить за границы его
нефте- или газосодержащей области.
Основными параметрами, определяющими положение и геометрию
горизонтального участка, являются:
αВСКР – зенитный угол ствола в точке Т1 (угол вскрытия кровли
продуктивного пласта), град.;
α – зенитный угол ствола в точке Т2 горизонтального участка или
направляющий угол, град.;
SП – протяжённость участка Т2-Т3 по пласту, т. е. длина проекции участка
Т2-Т3 на касательную к началу горизонтального участка, м;
αГ – зенитный угол в точке Т3 горизонтального участка, град.;
LГ – длина участка Т2-Т3, м;
ТВ, ТН – предельное смещение горизонтального участка в поперечном
направлении, вверх и вниз соответственно, м;
RГ – радиус кривизны выпуклого (вогнутого) участка Т2-Т3, м.
Ниже рассматривается случай вскрытия горизонтально-залегающего
пласта. Расчёт параметров горизонтального участка для вскрытия наклонно
залегающего продуктивного пласта производится аналогично. При этом
следует учитывать, что вертикальная проекция горизонтального участка в
восстающем пласте будет иметь отрицательный знак.
Во всех случаях выпуклый (вогнутый) горизонтальный участок является
частью дуги окружности.
4.4.1 Расчёт участка Т1-Т2 горизонтального ствола
Угол αВСКР вскрытия кровли продуктивного пласта зависит от зенитного
угла α в начале горизонтального участка Т2-Т3 профиля, радиуса R кривизны
участка Т1-Т2 ствола скважины и расстояния ТВ от кровли пласта то точки Т2 и
рассчитывается по формуле:
R − TB
α ВСКР = α − arс cos
.
(4.1)
R
24
Длина l участка Т1-Т2 увеличения зенитного угла профиля от точки
вскрытия пласта до Т2 определяется по формуле:
( α − α ВСКР ) ⋅ π ⋅ R ,
l =
(4.2)
180
где αВСКР – зенитный угол вскрытия продуктивного пласта, град.;
α – зенитный угол в начале горизонтального участка профиля, град.;
R – радиус кривизны участка Т1-Т2, м.
4.4.2 Расчёт наклонно прямолинейного горизонтального участка
Расчётная схема наклонно прямолинейного горизонтального участка
представлена на рисунке 4.4.
Рисунок 4.4 – Расчётная схема прямолинейного горизонтального участка
Величина зенитного угла α горизонтального ствола в точке Т2
определяется по формуле:
Т
(4.3)
α = 90 − arctg Н .
SП
Длина L участка Т2-Т3 горизонтального ствола равна:
L = S П2 + TН2 .
(4.4)
Общая длина LГ горизонтального ствола равна: LГ = l + L.
4.4.3 Расчёт криволинейного горизонтального участка
Выпуклый (вогнутый) горизонтальный участок является частью дуги
окружности (рисунок 4.5 а, б).
Исходные данные для расчёта искривлённого горизонтального участка:
SП, ТН(В).
25
Радиус RГ кривизны горизонтального участка:
RГ =
S П2 + TН2 ( В )
2 ⋅ Т Н (В)
.
Зенитный угол αГ в конце выпуклого горизонтального участка:
S
α Г = α − arcsin П .
RГ
(4.5)
(4.6)
а)
б)
Рисунок 4.5 – Расчётная схема искривлённого горизонтального участка:
а – выпуклого; б – вогнутого
Зенитный угол αГ в конце вогнутого горизонтального участка:
S
α Г = α + arcsin П .
RГ
(4.7)
Длина L участка Т2-Т3:
π ⋅ RГ ⋅ α − α Г
.
180
Общая длина LГ горизонтального ствола равна: LГ = l + L.
L =
(4.8)
4.5 Выбор профиля горизонтальной скважины
При
проектировании
горизонтальных
скважин
используются
преимущественно профили с большим и средним радиусами кривизны, а также
комбинированный профиль.
Скважины с горизонтальным участком длиной свыше 500 м проектируются в
целях снижения сил сопротивления при перемещении бурового инструмента в
26
скважине, а также создания достаточной нагрузки на долото только с большим
радиусом кривизны. При этом используются преимущественно профили вида 3 и 4
(рисунок 4.6).
Рисунок 4.6 – Основные виды профиля горизонтальной скважины
4.6 Расчёт направляющей части типового профиля
горизонтальной скважины
Назначение направляющей части профиля горизонтальной скважины заключается в выведении ствола под определённым углом и азимутом в точку
продуктивного пласта с заданными координатами.
Поэтому при расчёте направляющей части профиля горизонтальной
скважины, кроме проектной глубины и смещения ствола скважины от вертикали, необходимо задавать величину зенитного угла на проектной глубине. Кроме
того, задаётся величина радиуса кривизны участка увеличения зенитного угла
скважины.
27
На рисунке 4.7 представлен проектный профиль горизонтальной скважины, включающий вертикальный участок, участок начального искривления, тангенциальный (прямолинейно-наклонный) участок, участок увеличения
зенитного угла и горизонтальный ствол.
Рисунок 5.7 – Схема 5-ти интервального профиля горизонтальной скважины
В случае отсутствия тангенциального участка при проектировании профиля горизонтальной скважины он исключается из расчёта.
При расчёте проектных параметров направляющей части профиля горизонтальной скважины приняты следующие условные обозначения (рисунок 4.7):
Н – проектная глубина направляющей части профиля горизонтальной
скважины (глубина кровли продуктивного пласта), м;
А – проектное смещение направляющей части горизонтальной скважины
на проектной глубине (смещение по вертикали точки вскрытия пласта от устья
скважины), м;
αВСКР – зенитный угол вскрытия пласта на проектной глубине, град.;
28
НВ – длина вертикального участка, м;
L – длина тангенциального участка, м;
Исходные данные для расчёта: Н, А, αВСКР, α1, R1, R3.
Нв = Н − R1 ⋅ sin α1 − R3 ⋅ W1 − L ⋅ cos α1 ;
L=
где
A − (1 − cos α1 ) ⋅ R1 − R3 ⋅ V1
,
sin α1
(4.9)
(4.10)
V1 = cos α1 − cos α ВСКР ; W1 = sin α ВСКР − sin α1 .
Пример расчёта профиля горизонтальной скважины.
Исходные данные:
- мощность продуктивного пласта h = 35 м;
- продуктивный пласт представлен чередованием слоёв песчаника и глины;
- продуктивный пласт предполагается вскрыть наклонным стволом на интервале SП = 499 м;
- глубина спуска направления – 30 м;
- глубина спуска кондуктора – 450 м;
- глубина спуска эксплуатационной колонны – 2280 м;
- проектная глубина до кровли пласта Н = 2280 м;
- проектное смещение на кровле пласта А = 900 м;
- радиус кривизны участка начального искривления R1 = 382 м;
- радиус кривизны участка уменьшения зенитного угла R3 = 382 м;
- зенитный угол в конце участка начального искривления α1 = 25°.
Расчёт параметров проектного профиля горизонтальной скважины производится в следующей последовательности.
1. Расчёт величины угла αВСКР вскрытия кровли продуктивного пласта
(рисунок 4.8) при условии, что толщина пласта h = 35 м и SП = 499 м:
h
35
α ВСКР = 90 − arctg
= 90 − arctg
= 86 град.
SП
499
После расчёта величины угла αВСКР вскрытия пласта определяются неизвестные параметры направляющей части горизонтальной скважины по формулам 4.9 и 4.10:
V1 = cos 25 − cos86 = 0,83655;
W1 = sin86 − sin 25 = 0,57494;
L=
900 − (1 − cos 25 ) ⋅ 382 − 382 ⋅ 0,83655
= 1288,7 м ;
sin 25
Нв = 2280 − 382 ⋅ sin 25 − 382 ⋅ 0,57494 − 1288,7 ⋅ cos25 = 730,9 м.
29
Рисунок 4.8 – Схема вскрытия продуктивного пласта горизонтальным стволом
По формулам таблицы 3.1 рассчитывается длина эксплуатационного участка профиля, а также его вертикальная и горизонтальная проекции.
Параметры проектного профиля заносятся в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 – Параметры проектного профиля горизонтальной скважины
с проектным смещением ствола на кровле пласта 900 м
Вид участка
Вертикальный
(направление)
Вертикальный
(кондуктор)
Вертикальный
Начального
искривления
Тангенциальный
(промежуточная
колонна)
Тангенциальный
Увеличения
зенитного угла
(эксплуатационная
колонна)
Горизонтальный
(хвостовик)
Глубина,
м
Длина
ствола,
м
Длина
интервала,
м
Смещение,
м
Зенитный
угол,
град.
Интенсивность,
°/10 м
30,0
30,0
30,0
0,0
0,0
0,0
450,0
450,0
420,0
0,0
0,0
0,0
730,9
730,9
280,9
0,0
0,0
0,0
892,3
897,6
166,7
35,8
25,0
1,5
950,0
961,2
63,6
62,7
25,0
0,0
2060,4
2186,4
1225,1
580,5
25,0
0,0
2280,0
2593,0
406,7
900,0
86,0
1,5
2314,9
3093,0
500,0
1398,8
86,0
0,0
Пятиинтервальный профиль горизонтальной скважины с проектным
смещением 900 м приведён на рисунке 4.9.
30
Рисунок 4.9 – Пятиинтервальный профиль горизонтальной скважины
5. Принципы расчёта пространственного профиля
горизонтальных скважин
Необходимость в применении пространственного профиля горизонтальной скважины возникает при кустовом способе их строительства. При этом направление от кустовой площадки на точку вскрытия продуктивного пласта в
общем случае не совпадает с направлением бурения горизонтального участка
(рисунок 5.1).
При расчёте параметров пространственного профиля горизонтальной
скважины используется метод минимума кривизны. При этом каждый искривлённый интервал ствола скважины представляется в виде пространственно расположенной дуги окружности.
Для определения проекций каждого участка профиля на вертикальную и
горизонтальные оси необходимо знать радиус кривизны участка профиля, значения зенитных углов по его концам, длину и угол наклона тангенциального
участка, если он имеется.
31
Рисунок 5.1 – План кустовой горизонтальной скважины
с пространственным искривлением
Указанные параметры профиля могут быть найдены из решения системы
уравнений, которые в общем виде выглядят следующим образом:
Σhi = Z Ц 

Σаi = X Ц  ,

Σbi = YЦ 
(5.1)
где hi, ai, bi – вертикальная и горизонтальные проекции i-го участка профиля
на координатные оси Z, X, Y соответственно, м;
ZЦ, XЦ, YЦ – проекции точки вскрытия продуктивного пласта на координатные оси Z, X, Y, м.
Проекции участков профиля на оси Z, X, Y рассчитываются по формулам:
∆X = T ⋅ ( sin α1 ⋅ sin ϕ1 + sin α 2 ⋅ sin ϕ2 ) ;
∆Y = T ⋅ ( sin α1 ⋅ cos ϕ1 + sin α 2 ⋅ cos ϕ2 ) ;
∆Z = T ⋅ ( cos α1 + cos α 2 ) ,
где
T=
180 ⋅ L1−2 ⋅ tg
π ⋅D
D
2,
32
(5.2)
D = arccos ( sin α1 ⋅ sin ϕ1 ⋅ sin α 2 ⋅ sin ϕ2 + sin α1 ⋅ cos ϕ1 ⋅ sin α 2 ⋅ cos ϕ2 + cos α1 ⋅ cos α 2 ) .
L1-2 – длина дуги участка профиля определяется по формуле:
10 ⋅ ∆γ1−2
L1−2 =
,
i
где ∆γ1-2 – пространственный угол на участке, град.;
i – интенсивность искривления на участке, град./10 м.
В таблице 5.1 представлены результаты расчёта пространственного профиля горизонтальной скважины, конструкция которой включает следующие
обсадные колонны:
- кондуктор диаметром 324 мм спускается на глубину 600 м;
- промежуточная колонна диаметром 245 мм спускается на глубину 1350 м;
- эксплуатационная колонна диаметром 177,8 мм спускается в кровлю
продуктивного пласта;
- хвостовик диаметром 114 мм устанавливается в горизонтальном участке
длиной 1000 м и крепится в эксплуатационной колонне.
Таблица 5.1 – Параметры проектного пространственного пятиинтервального
профиля горизонтальной скважины
Координаты ствола, м
Вид участка
Вертикальный
(кондуктор)
Вертикальный
Начального
искривления
Тангенциальный
(промежуточная
колона)
Тангенциальный
Увеличения
зенитного угла
и азимута (ЭК)
Горизонтальный
(хвостовик)
Длина
интервала, м
Зенитный
угол,
град.
Азимут,
град.
Интенсивность,
°/10 м
Z
Y
X
Длина
ствола,
м
600,0
0,0
0,0
600,0
600,0
0,0
0,0
0,0
627,6
0,0
0,0
627,6
27,6
0,0
0,0
0,0
883,2
98,1
0,0
907,6
280,0
42,0
0,0
1,5
1350,0
518,4
0,0
1535,8
628,2
42,0
0,0
0,0
2586,8
1632,0
0,0
3200,0
1664,2
42,0
0,0
0,0
2755,0
1856,5
199,3
3569,0
369,0
87,8
68
2,0
2794,0
2230,8
1125,8
4569,0
1000
87,8
68
0,0
Примечания к таблице 6.1:
Z, Y, X – глубина и проекции на Север и Восток соответственно;
ЭК – эксплуатационная колонна.
33
6. Профиль боковых стволов скважин
6.1 Общие положения
Основные задачи бурения боковых стволов (БС):
- повышение производительности малодебитных или восстановление
бездействующих скважин;
- интенсификация добычи углеводородов из малопроницаемых пластов;
- эксплуатация краевых участков месторождения без строительства новых
скважин;
- переход на нижележащие продуктивные горизонты;
- эксплуатация незатронутых обводнением зон продуктивного пласта;
- вскрытие пропущенных пластов горизонтальным стволом;
- уточнение геологического разреза путём бурения разведочного бокового
ствола.
Строительство БС осуществляется по трём технологическим схемам:
- бурение БС после подъёма верхней части эксплуатационной колонны;
- углубление скважины ниже башмака эксплуатационной колонны;
- забуривание БС из эксплуатационной колонны.
В отечественной практике проводку наклонных и горизонтальных БС
осуществляют преимущественно по среднему радиусу кривизны в диапазоне от
60 до 190 м.
Проектный профиль БС может быть плоским или пространственным.
Профиль БС включает участки (рисунок 6.1):
- забуривания;
- изменения зенитного угла и азимута;
- стабилизации зенитного угла и азимута;
- увеличения зенитного угла и корректирования азимута при
горизонтальном вскрытии продуктивного пласта (рисунок 6.1, а);
- горизонтальный участок (рисунок 6.1, б).
Интервал БС от точки забуривания до точки, при которой
породоразрушающий инструмент в процессе бурения будет находиться за
пределами основного (старого) ствола, называется участком забуривания.
Участок забуривания является частью проектного профиля БС. Поэтому
при бурении данного участка двигатель-отклонитель и клин-отклонитель
должны обеспечивать расчётную интенсивность искривления в соответствии с
проектным профилем БС.
34
а)
б)
Рисунок 7.1 Типы пространственного профиля бокового ствола:
а – вскрытие пласта наклонным стволом;
б – вскрытие пласта горизонтальным стволом
Выбор точки забуривания БС производится на основе анализа
геологических, технических и технологических данных, полученных в процессе
бурения основного ствола скважины.
В
случае
необходимости
осуществляются
дополнительные
инклинометрические измерения и геофизические исследования. На основании
полученной при этом информации уточняются координаты точки и параметры
участка забуривания.
Участок забуривания БС планируют в пластах, сложенных монолитными
устойчивыми горными породами большой мощности. В перемежающихся по
твёрдости разрезах участок забуривания располагают таким образом, чтобы
забуривание произошло не меньше чем на 1...2 м от кровли или подошвы
выбранного устойчивого пласта горной породы, что обеспечит сохранность
ответвления в процессе бурения БС.
При забуривании с клина-отклонителя место установки последнего
выбирается в интервале с минимальной кавернозностью ствола и наличием
цементного камня за обсадной колонной.
При определении длины участка забуривания следует учитывать, что
интервал фрезерования обсадной колонны по всему сечению должен быть
меньше расстояния между торцами муфт обсадной трубы на рассматриваемом
интервале основного ствола.
Длина окна в обсадной колонне при использовании ориентируемого
клина-отклонителя колеблется в пределах 2÷5 м в зависимости от угла наклона
и длины направляющей поверхности клина.
35
Вид профиля БС выбирается в зависимости от величины зенитного и
азимутального углов и координат основного ствола в точке забуривания и
проектными параметрами в точке вскрытия продуктивного пласта или в начале
горизонтального участка.
При наклонном вскрытии продуктивного пласта и изменении азимута не
более чем на 90° применяют профили типа а (рисунок 6.1). В случае
необходимости изменения азимута более чем на 90° при наклонном, а также при
горизонтальном вскрытии продуктивного пласта используют профиль типа б
(рисунок 6.1).
6.2 Расчёт пространственного профиля наклонного бокового ствола
Основной ствол скважины в точке А(1) забуривания в общем случае наклонный, поэтому в данной задаче зенитный угол и азимут в точке А(1) не равны нулю (рисунок 6.2).
Рисунок 6.2 – Расчётная схема профиля наклонно направленного бокового ствола
1. Профиль наклонного бокового ствола состоит из участка А(1)-С(2), при
бурении которого увеличивают зенитный угол и корректируют азимут с целью
выведения ствола скважины в точку с заданными координатами на кровле пла36
ста, и тангенциального интервала С(2)-D(3). Участок А(1)-С(2) является пространственно расположенной дугой окружности.
2. Исходные данные для расчёта двухинтервального профиля БС с целью
выведения ствола в точку с заданными координатами.
Известные параметры в точке забуривания:
- длина ствола скважины до точки забуривания – 1000 м;
- зенитный угол ствола скважины в точке забуривания (α1) – 10 град.;
- азимут ствола скважины в точке забуривания (φ1) – 40 град.;
- координаты точки А(1) забуривания X1 = 200 м, Y1 = 100 м, Z1 = 1000 м;
- координаты точки D(3) вскрытия пласта боковым стволом XD = 800 м,
YD = 300 м, ZD = 2500 м;
- радиус (R0-1) кривизны интервала А(1)-С(2) – 573 м.
3. Определение курсовых (направляющих) углов на точку вскрытия продуктивного пласта αА, φА интервала корректирования (рисунок 6.1).
( X D − X 1 ) + (YD − Y1 )
2
( Z D − Z1 )
2
α А = arctg
2
(6.1)
;
αА = arctg (((800 – 200)2 + (300 – 100)2)/(2500 – 1000)2)0.5 = 22,86 град.
− ( X D − X 1 ) ⋅ sin ϕ1 + (YD − Y1 ) ⋅ cos ϕ1
ϕ А = ϕ1 + arctg
;
( X D − X 1 ) ⋅ cos ϕ1 + (YD − Y1 ) ⋅ sin ϕ1
(6.2)
φA = 40 + arctg (-600 · 0,6428 + 200 · 0,766)/(600 · 0,766 + 200 · 0,6428) =
= 18,5 град.
3. Определение расстояния L1-D от точки А(1) начала профиля до точки
D(3) вскрытия продуктивного пласта.
L1− D =
( X D − X 1 ) + (YD − Y1 ) + ( Z D − Z1 )
2
2
2
;
(6.3)
L1-D = ((800 – 200)2 + (300 – 100)2 + (2500 – 1000)2)0.5 = 1627,88 м.
4. Определение угла β1 ориентации плоскости корректирования в точке А(1).
sin α A ⋅ sin ( ϕ A − ϕ1 )
β1 = arctg
;
(6.4)
sin α A ⋅ cos α1 ⋅ cos ( ϕ А − ϕ1 ) − sin α1 ⋅ cos α А
β1 = arctg (sin22,86 · sin(18,5 – 40))/(sin 22,86 · cos10 · cos(18,5 – 40) –
– sin 10 · cos 22,86) = -36 град. или 360 – 36 = 324 град.
5. Расчёт угла γA-В пространственного искривления дуги А(1)-В корректирования:
γ A− В =
(6.5)
2
2
2
= arcsin sin α A ⋅ cos α1 ⋅ cos ( ϕ A − ϕ1 ) − sin α1 ⋅ cos α A  + sin α A ⋅ sin ( ϕ A − ϕ1 ) ;
37
γА-В = arcsin ((sin 22,86 · cos10 · cos(18,5 – 40) –
– sin 10 · cos 22,86)2 + (sin 22,86 · sin (18,5 – 40))2)0.5 = 14 град.
6. Расч`т угла ∆γА-С пространственного искривления и длины дуги А(1)-С(2).
cos γ А-В − 1 −
∆γ А-С = 2 ⋅ arctg
2 ⋅ R0−1
sin γ А-В
L1−D
2 ⋅ R0−1
− sin γ А-В
L1−D
(6.6)
;
2 ⋅ 573
sin14
1627,88
∆γ A-C = 2 ⋅ arctg
= 14,7 град.
2 ⋅ 573
− sin14
1627,88
Длина дуги А(1)-С(2) рассчитывается по формуле (таблица 3.1):
cos14 − 1 −
∆γ А-С ⋅ π ⋅ R 14,7 ⋅ π ⋅ 573
=
= 146 м.
180
180
7. Расчёт зенитного угла (α2), азимута (φ2) начала тангенциального интер-
вала.
α 2 = arcsin sin 2 α1 sin 2 β1 + ( sin α1 ⋅ cos γ1−2 ⋅ cos β1 + sin γ1−2 ⋅ cos α1 ) ; (6.7)
2
α 2 = arcsin sin 2 10 ⋅ sin 2 − 36 + ( sin10 ⋅ cos14,65 ⋅ cos − 36 + sin14,65 ⋅ cos10 ) =
2
= 23,46 град.;
ϕ2 = ϕ1 + arctg
ϕ2 = 40 + arctg
sin γ1−2 ⋅ sin β1
;
sin γ1−2 ⋅ cos α1 ⋅ cos β1 + sin α1 cos γ1−2
(6.8)
sin14,65 ⋅ sin 36
= 18,1 град.
sin14,65 ⋅ cos10 ⋅ cos36 + sin10 ⋅ cos14,65
8. Определение координат (X2, Y2, Z2) точки С(2):
180
γ
Е=
⋅ tg 1−2 ;
π ⋅ γ1−2
2
Е=
(6.9)
180
14,65
⋅ tg
= 0,503;
π ⋅14,65
2
Y2 = Y1 + E ⋅ [sin α1 ⋅ sin ϕ1 + sin α2 ⋅ sin ϕ2 ] ⋅ l1−2 ;
(6.10)
X 2 = X1 + E ⋅ [sin α1 ⋅ cos ϕ1 + sin α 2 ⋅ cos ϕ2 ] ⋅ l1−2 ;
(6.11)
Y2 = 200 + 0,503 ⋅ [sin10 ⋅ sin 40 + sin 23,46 ⋅ sin18,1] ⋅ 146,85 = 117,34 м.
X 2 = 200 + 0,503 ⋅ [sin10 ⋅ cos 40 + sin 23,46 ⋅ cos18,1] ⋅ 146,85 = 237,82 м.
38
Z 2 = Z1 + E ⋅ [ cos α1 + cos α 2 ] ⋅ l1−2 ;
(6.12)
Z 2 = 1000 + 0,503 ⋅ [ cos10 + cos 23,46] ⋅ 146,85 = 1140,41 м.
9. Длина (l2-3) тангенциального интервала рассчитывается в соответствии
с формулой:
l2 − 3 =
l2 − 3 =
( X D − X 3 ) + (YD − Y3 ) + ( Z D − Z3 )
( 300 − 117,34 )
2
2
2
2
;
(6.13)
+ ( 800 − 237,82 ) + ( 2500 − 1140, 4 ) = 1482,5 м.
2
2
В таблице 6.1 приведены результаты расчёта пространственного профиля
бокового ствола по программе «Наклонно направленное бурение».
Таблица 6.1 – Параметры двухинтервального профиля наклонно направленного бокового ствола в координатах Восток-Север
N,
п/п
Длина
ствола,
м
Восток
Y, м
Север
X, м
Глубина
Z, м
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1000
1020
1040
1060
1080
1100
1120
1140
1146
100,00
102,25
104,55
106,87
109,24
111,63
114,05
116,49
117,34
200,00
203,00
206,70
211,07
216,12
221,84
228,22
235,26
237,82
1000,00
1019,64
1039,16
1058,54
1077,75
1096,76
1115,56
1134,12
1140,41
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
1196,85
1296,85
1396,85
1496,85
1596,85
1696,85
1796,85
1896,85
1996,85
2096,85
2196,85
2296,85
2396,85
2496,85
2596,85
2629,30
123,5
135,82
148,14
160,46
172,78
185,10
197,42
209,75
222,07
234,39
246,71
259,03
271,35
283,67
295,99
300,00
256,78
294,70
332,62
370,54
408,46
446,38
484,30
522,22
560,14
598,06
635,98
673,90
711,82
749,74
787,66
800,00
Смещение,
м
Азимут
смещения,
град.
Зенитный угол,
град.
Азимут,
град.
26,6
26,7
26,8
26,9
26,8
26,7
26,6
26,3
26,3
10,00
11,67
13,44
15,26
17,12
19,01
20,91
22,84
23,5
40,00
34,17
29,81
26,47
23,82
21,69
19,93
18,45
18,00
Дуга окружности
223,6
227,3
231,6
236,6
242,2
248,3
255,1
262,5
265,2
Тангенциальный интервал
1186,27
1277,97
1369,68
1461,39
1553,09
1644,80
1736,51
1828,22
1919,92
2011,63
2103,34
2195,04
2286,75
2378,46
2470,17
2500,00
284,9
324,5
364,1
403,8
443,5
483,2
523,0
562,8
602,6
642,4
682,2
722,0
761,8
801,6
841,4
854,4
39
25,7
24,7
24,0
23,4
22,9
22,6
22,2
21,9
21,6
21,4
21,2
21,0
20,9
20,7
20,6
20,6
При расчёте использованы следующие исходные данные:
параметры ствола в точке А(1) (рисунок 6.1):
- длина ствола – 1000 м;
- зенитный угол – 10°;
- азимут – 40°;
- координаты точки А(1): YА(1) = 100 м, XА(1) = 200 м, ZА(1) = 1000 м;
- радиус кривизны интервала А(1)-С(2) – 573 м;
- координаты точки D(1): YD(1) = 300 м, XD(1) = 800 м, ZD(1) = 2500 м.
Расчётный угол (β1) ориентации искривления равен 324°.
Угол пространственного искривления ствола в интервале от 1000 до
1146 м равен 14,7°.
Библиографический список
1. Бурение наклонных, горизонтальных и многозабойных скважин /
А. С. Повалихин, А. Г. Калинин, С. Н. Бастриков, К. М. Солодкий; под общ.
ред. доктора технических наук, профессора А. Г. Калинина. – М. : Изд. ЦентрЛитНефтеГаз, 2011. – 647 с.
2. Профили направленных скважин и компоновки низа бурильных колонн /
А. Г. Калинин, Б. А. Никитин, К. М. Солодкий, А. С. Повалихин. − М. : Недра,
1995. – 305 с.
3. Калинин, А. Г. Естественное и искусственное искривление скважин /
А. Г. Калинин, В. В. Кульчицкий. – М. ; Ижевск, 2006. – 640 с.
40