автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Управление зенитным искривлением скважин на основе бесклиновой технологии

государств ешшй комитет рсфср по делл1.1 науки и высшее школы сшг-пегсрбургшя горный институт

На правах рукописи

ШАПАРОВ Марат Нанкбекович

УПРАВЛЕНИЕ

зенитным исшвшшем скважин на основе

весшновои технологии

Специальность 05.15.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1991

Работа выполнена в Комплексной геофизико-геохимической экспедиции Госгеолкома Казахской ССР, научно-производствеьлом кооперативе "Зенит" ППЗ "Южказгеология" и малом венчурном пред -приятии "Инновация в геотехнологии" Ассоциации Делового Сотрудничества промышленных предприятий Центрального Казахстана для формирования Новой Промышленной Зоны по Программе "Технополис-90

Официальные оппоненты:

Ведущее п^здприятие:

доктор технических не.у к СТРАБЫКИН Игорь Николаевич

доктор технических наук МОРОЗОВ Юрий Тимофеевич

доктор технических

МЕЛЬНИЧЖ Игорь Павлович

Уральский производственный геологоразведочный трест "УРЛЛЦВЕШЕТРАЗВЕДКА"

Защита состоится на заседании специализированного совета Д.063.1&Л2 в Санкт-Петербургском горном институте по адресу: 199026, г, Санкт-Петербург, В-26, В.О. 21-линия, д.2, ауд. 2214 .

* С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского горного института.

Автореферат разослан

1992 года.

Учёный секретарь специализированного совета, доктор технических наук профессор

И.П.ТИМОФЕЕВ

. I ОШ'АЯ ХАРЛКТЕН1СТЖА РАБОТУ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТУ. В проекте отраслевой комплексной це-|дой програыш по направленному бурша на 1991-1995 годы едусштреш работе по созданию:

- компоновок различного назначения и технологических приё-в по бесклиногоыу регулирование! интенсивности искривления гео-горазведочнис скважин;

- теоретических основ и пакетов программ азтоматизироганно-проектирования и оперативного управления трассами направлен-

х и многоствольных скважин различного назначения, в тем числе использованном персональных ЭВМ.

" Решение этой важной проблемы народно-хозяйственного значе-ч требует,презде всего, резизы* совреиегагзх взглядов, объектной и критической переоценки утвердившееся концепций ь теории трактине направленного бурения скважин.

Существуодая методика, техника и технология направленного 5ения позволяет проводить скведаны по проектной трассе с досрочной степенью точности. Однако, если смотреть на проблему юзиций разработки АСУ' бурением, по мнение Ю.Т.Морозова , ¡ествушщй уровень методологии, а та!с,:о техники и технологии [равленного бурения неудовлетворителен, так как эти работы ясны выполняться на ином, более современном, качестоенноы и ническом уроЕне.

Таким образом, для того, чтобы не обесценить результаты беспечить полную реализацию основных преимуществ скоростного емия, возникла проблема создания качественно новых методов, дискретных, построенных на непрерывности процесса искривле-в нужном направлении и, самое главное, регулируемых чисто дологическими параметрами. Решение этой важной проблемы тре-г создания принципиально козой методологии управления трасс-здвазин на огнозо системного подхода.

Работа выполнялась по атакам Казахского научно-исследоза-яьского института минерального сырья (1975-1980 гг.), Коипд-:ной геофизико-геохимической экспедиции ШО "Казрудгеолопт" 386-1988 гг.), Научнс -производственного кооператива "Зенит1* 5алого венчурного предприятия "Иншвазтия в геотехнологии" юциацин Делового Сотрудничества проншленных предприятий [трального Казахстана по форг-мроналки Новой Про медленно Я Зода Программе "ТЕХН0ПОЛИС-9О" (1988-1990 гг.)

ИДЕЯ РАБОТЫ. Профилактика и регулирование зенитного искривления скважин механического колонкового бурения на основе бесклиноЕоЯ технологии с применением ординарных колонковых наборов с отбором керна.

ЦЕЛЬ РАБОТА. Научное обоснование технологических методов регулирования заданного у. пред/лрегадения негативного зенитного искривления скважин при ударно-вращательном,вращательно-ударном и вращательном бурении.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССВДОВАНИЙ. Для достижения поставленной цели и реализации идеи исследований решены следующие задачи:

1. Исследовать на физической модели общий принцип регуляци: зенитного угла на основе системного анализа главных факторов, определяющих качество (направление, знак) искривления скважины.

2. Разработать критерий оптимальности или регулятор зенитного искривления скважины.

? Создать математические модели главного параметра -критическидлины колонкового набора - применительно к каждому способу механи еского колонкобого бурения: ударно-вращат ел ькоку вращательно-ударному и вращательному.

4. Построить общую математическую модель интенсивности зенитного искривления скважин.

5. Разработать регламент-номограмму для .-.аддой корректирующей технологии в зависимости от способа и вида бурения с учёте структуры компоновки низа бурильной колонны (КНБК), осевой нагрузки частоты вращения снаряда.

6. Создатг методику автоматизированного проектирования и I её основе составить атлас рабочих палеток трасс направленных скважин с использованием графопостроителя АТЛАС-5 ЕС-1035.

г/. Обеспечить экономичность направленного бурения глубокиэ скважин за счёт -сокращения непроизводительных затрат на искусственное искривление путём широкого внедрения профилактических мер на основе бесклиновой корректирующей технологии.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Сложность и комплексность поставленных задач предопределили различный методологический подход к ю решению:

- исследование и построение принципа регуляции зенитного искривления скважин - методом возможных перемещений (для ударн:

вращательного) и методой кинетостатики (для вращательного и вра-цательно-ударного бурения) на основе физического моделирования аист еж "скважина - вращающаяся КНВК";

- исследование закономерностей естественного искривления жважин и построение статистических моделей - метод р-агрессии I применением ЭВМ;

- метод активного экспьримента. - при проверке собственно [ринципа регуляции зенитного искривления сквалн;

- метод пассивного эксперимента путём идентификации входных быходных параметров технологии управления зенитным искривлен-

е:.: скважин;

- разработка критериев эффективного управления на основе атематического моделирования интенсивности зенитного ьскривле-

скважин;

- построение вертикальной и горизонтальной проекций простр-чственно искривлённой скважины - автоматизированным методом

1 графопостроителе АТЛАС-5 ЕС-1035;

- опытно-производственные исследования для нахождения наи-тшей альтернативной технология, обеспечивающей профилактику и гуляцизо зенитного искривления в различных производственно-гео-гаческих условиях.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЖОТ заключается в той, что в процессе полненных исследований:

- установлена ранее неизвестная закономерность влияния

сны колонкового набора, частоты вращения и осевой нагрузки на 1енение направления и интенсивности зенитного искривления ств-!В скважин под действием параметров нижней свечи бурильной :ошы;

- на основр установленной закономерности создана методика авления зенитным искривлением скважин, включающая комплекс тернативных вариантов и областей их рационального применения, гнозирования и автоматизированного проектирования трасс надранных скважин.^

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. В результате выполнен-■ исследований создана методика управления зенитным искрив-таем скважин на основе бесклиновой технологии, в том числе >снованн:

- равномерное разрушение поверхности забоя скважины (стабилизация зенитного угла) достигается при условии динамического равновесия КНБК; неравномерно^ разрушение поверхности аабоя (ориентированный перенос) возникает в условиях неуравновешенности КНБК, ■ осевая нагрузка,центробежны8 силы и составляющая веса ККШ вызывают появление на' забое отклоняющей силы и поворот торца коронки относительно забоя, причём, в направлении висячей стенки (в ыпола кивание скважины), если колонковый набор гяаелее полуволны3*^ бурильной колонны; если колонковый набор легче полуволны нижне., свечи, то отклоняющая сила и поворот торца коронки ориентируются в направлении лена чей стенки (выкручивание скважины);

- количественная оценка зенитного искривления скважин в зависимости от способа и вида .бурения, типоразмера и параметров нижней свечи, осевой ка"рузки, частоты вращения, длины колон-ково,о набора, диаметра и зенитного угла скважины, выхода керна и .лотности буримых пород,

ДОСТОВЕРНОСТЬ ОСНОВНЫХ НАУЧНЫХ ШЖШШЙ, РЕКОМЕНДЩШ и разработанных на их основе МЕТОДК подтверздается хорошей сходимостью <в среднем 93 прсь^нта по Мингео СССР) расчётных параметров с имеющимися фактическими, а такне положительным опытом их массового использования в производетвеннной практике геологических организаций отрасли.

НАУЧНАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключается в установлении и фо[ ыалио-ции связей мевду известными геологическими и технико-технологическими факторами искривления скважин, -оздания на I основе единой системы, позволяющей осуществлять целен&пра&ш ный поиск и нахождение альтернативных вариантов и путей реше* новых и назревающих в процессе бурения проблей управления эе1 ным искривлением скважин.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБСГШ заключается в следующем:

I. Создана методика выбора оптимальной длины ординарноп колонкового набора для решения конкретной задачи управления

К1.]о Г.Вудсу и А.Лубинскоиу полуволна-это отрезок между пере ходником и первой точкой касания колонны стенки скважины;

з отечественной литературе эта же величина - четверть волны.

зенитным искривлением скважин - стабилизации, еыполаживания или выкручивания - в зависимости от геологических: условий.

2. Составлен 31 блок управляющих номограмм расчётной штенсивдости зенитного искривления скважин диаметром от [32 до 46 ш в зависимости от длины колонкового набора, осе-зой нагрузки, частоты вращения, зенитного-угла применительно с способу или виду бурения, а также типоразмеру из отечествен-юго ряда бурильных труб.

3. С испоялованием графопостроителя А1ЛАС-5 составлен .тлас рабочих палеток масштаба 1:2000 и 1:5000 для проектиро-ания трасс направленных скваяин диаметром 112,93,76 и 59 ш а основе бесклиновой технологии.

4. Созданы и получили широкое распространение наиболее ффективные вар-ланты (разновидности) бесклиновой техно л- ?ии рименительно к конкретным регионам в масштабе отрасли.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ В ПРОШШЕНКОШ осуществлена (в по-эдке увеличения объёмов- внедрения) в производственных геодо-шеских объединениях "Степгеодогия", "Кировгеологця", иСев-тгеология", и3аг.каз геология", "Севказгеология", "Центрнаэ-гология", "Кйказгеология" и "Востказгеология". Общий объём |едрения бесклиновой технологии в производство позволило >лучить фактический экономический эффект 4 млн.240,8 тыс. "'лей, в той числе при методическом руководстве и кепосредс-¡ениом участии автора - I шм. 258,3 тыс. рублей.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Оспа вше положения диссертггмкной боты докладывались на Всесоюзных {Зкрявовск-1977, Баку-1978, та~1980, 1988; Алма-Ата-1988, Кнез-1988 ) и Республиканских ша-Ата-1974, 1975, 1997) школах передового опыта, совеща-IX и конференциях; на заседании Экспортно-координационного ?ета Мингео СССР по направленному бурению и инклинометрии ;ть-Каменогорск -1987); на научных семинарах СКВ НПО "Гео-гника", ЛГИ тсГ.В.Плеханова и КазПТИ им.В.И.Ленина; курсах ыщения квалификации руководящих кадров Казахского филиала [ Мингео СССР, а также технических советах многих предприя-1 Минцветмет и Мингео "ССР. Ме-одические разработки экспо-овались на ВД:: Казахской ССР, 0ДНХ СССР и выставке у-Хауп по Программе "ТЕХШООЛИС-90".

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание работы опубликовано брошюрах, 17 статьях и б тезисах дс -ладов и сообщений.

ОБЬШ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из введения, трёх глав, заключения и изложена на 164страницах машинописного текста, имеет 45 рисунков, 5 таблиц, список ..зученноГ-литературы из 130 наименований и 14 приложений.

Во введении рассматривается развитие оптимизации направленного бурения в СССР. На ослове проведённого анализа обоснована необходимость и вчбрано направление проводимых исследований.

В первой главе изложено теоретическое обоснование механизма и принципа регулирования зенитного искривления скважины.

-Вторая глава посвящается разработке комплекса технологических методов управления зенитным искривлением.

Третья глава посвящается методике я бесклиновой технологи! оперативного и программного управления зенитным искривлением скважин при ударно-вращательном, вращательно-удглном к вращательном бурении.

В заключении сформулированы основные выводы, недостатки работы и рекомендации по совершенствованию бесплановой технологии. ;' .

Приложения содержат основные параметры в математических моделях, номограммы критической длины колонкового набора при механическом колонковом бурени::, результаты идентификации вхо^ кых к выходных параметров технологической системы управления зенитным искривлением сквадан в геологоразведочных организациях Ыингео СССР, палетки для проектирования трасс направленных скважин снарядами ССК-59 на основе бесклинозой технологии, графическая идентификация трасс, акты внедрения и справки о технико-экономических показателях внедрения бесклиновой технологии,

- ' ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

КРАТКИЕ СВВДЕШЯ ПО ИЗУЧАЕМОМУ ВОПРОСУ. Рассматривая раз. витие оптимизации направленного бурения в СССР, можно было бы определить несколько главных периодов его развития.

В довоенный период, начиная с двадцатых год9в, благодаря исследованиям А.Н.Динника, МЛ.Капелтникова, Ч.Л.Мочульского П.Куяле, В.П.Любимова, В.И.Новитченко, шло накопление элементарных понятий о процессе искривления,причинах его возниккове нил. За рубежом исследования проводились Г.Вудсом и А.Лубинск В' СССР наклонное бурение получило широкое развитие в работах М.П.Гулизаде, С.И.Кулиева, А;Г.Калинина,Г.М.Саркисова,

Ю.С.Васильева, А.Н.Шаньгика, А.С.Станиисвского, Н.А.Григоряна,

A.С.Бронзова, П.В.Балицкого, М.М.Александрова, Л.Я.Сузон",

B.Г.Гркгулецкого, В.О.Белоруссова и др. Определяв :ся влияние KKBii, формализуется связи и закладывается основы оптимизации наклонно-направленного бурения: выделяются три основные силы -осевая, возврата труб к вертикали и реакции стенок скчажины.

Наиболее активными являются IS54~I953rr.,когда была понята важность для механического колонкового бурения не только геологических, но и технико-технологических факторов, и когда З.Н.Баякатовым, З.В.Бадачиковой, Ю.Л.Воярко, М.Г.Васильевым, 5.М.Воздвиженским, А.С.Волковым, А.И.Дутаиным, В.П.Зиненко, 1.Г.Калининым, А.Е.Колесниковым» В.Е.Копьмовьм, О.В.Кругловым, LM Курмашевыи, В.А.Матвеевым, Ю.Т.Морозовым, А.А.Сорокиным, !.С.Сулакшиным, В.3.Султановым, В.В.Шитихиным, И.М.Юдборовским t др. заложено начало систематическому анализу закономерностей 'стественного искривления скважин.

Затем на смену дробовому способу пришли более прогрессив-ые: алмазный и гидроударный - с 1963г.,пневмоударныЙ-с 1968г., идроударно-алмазный и ССгС - с 1971-1972гг. Этот период знаме-ателен тем, что благодаря разработке и внедрению бесклиновых тклонителей, были осуществлены не только глубокие качественные зменения и "безболезненный" переход от дробового ¡с алмазноцу прению, но и обеспечен решающий перелом в дьле интенсификации г-ей отрасли, и что особенно ценно, созданы:

- принципиально новое научное направление - С.С.Сулакшин, .й.йурнист, Ю.СЛСостин, Й. П. Мель ни чу к, Ю. Т.Морозов, МЛ.Олек -2Ш<о, В.В.Перминов, Ю.Г.Соловов, Я.Н.Страбыхим, В.С.^ербачёв и др.

- и целая школа с опытно-метод;.ческой и технологической 1Л0й - Э.Ф.Александров, Ю.В.Андреев, С.М.Андронов, А.Я.Аншцен-

Р.З.Ахмеров, А.М.Березюк, В.Р.Бруев, А.А.Бухаров, Р.Б.Закиев, К.йвагаов, П.К.Ильков, Б.Н.Коваленко, A.A.Копытовский, И.В.Ку-ШШ1, В.Й.Марус, А.Б.Мержеевсгсий, А.К.Нукушев, В.В.Пе^а, И.РафальскнЙ, В.М.Скрилнкченко, Б.Е.Стеблов, Б.*'.Сутула, С.Харченко, А.И.Чеглаков, Г.К.Шокаев и мн.др.

Вопросам искривления скваямн гидроударникэдк посвящены рабо-Е.В.Алеутского, Л.Э.Графа, А.К.Данилина, В.ИЛурняста, А.Заки-за-Зиева, Л.Т.Киселопа, Д.И.Кована, И.П.Мельиичука, Н.В.Рогаль-)го, С.В.Иаравп'на, О.В.Смирнова и др.; пневмоударникпми -'.Воронова, Г.Д.Коваля, И.В Туликова, И.И.Николаева, АгП.Сели-юьа и др.; комплексами GC1C - Г.А.Блинова, В.Г.Вартыкяна, :.Мельничука, В.Т.Морозова, В.П.Онищ. на, Д.Н.Плавского, .Стра^ьжина, А.И.Уртсумова и др

- 10 -

Отечественная наука и практика направленного бурения обогатилась целой серией трудов С.С.Сулакшина, А.Г.Калинина, Ю.Т.Ыорозова, Е.Л.Лдаанова, И.Н.Страбыкина, К.П.Мелы лчука, Ю.В.Кодзаева, В.Ы.Питерского, В.В.Кривошеева и др.

Настоящая работа выполнена на глубоком анализе современных взглядов и достижений преимущественно, отечественных исследователей и претендует на оригинальность лишь в той мере, • в.которой автору удалось осмыслить их лучшие результате: практически по всем аспектам бесклиновой технологии направленного бурения, а именно:

по механизму искривления.скважин - за основу принята технико-тенологическая схема С.С.Сулакшина, а в геологическом плане - общепринятая классификация Ю.Т.Морозова;

- по магматическому моделировании) зенитного искривления скважин - модели А.Г.Калинина и И.Й.Юдборовского лля жёсткой компоновки, а также И.Н.Страбьшша - для гибкой компоновки; причём, здесь учтены самге главные требования системного под -хода, принятые Е.А.Козловским, В.Ы.Питерским и II. А. Комаре гил и предъявляемые к факторам при построении математической модели процесса на основе детерминированного подхода - это требования управляемости (измеряемое?« с заданной точностью), одяоэнач -ности (фактор должен непосредственно воздействовать на объект, а не быть функцией других параметров), совместимости (осуществимость и безопасность) и независимости (ни один из факторов не может быть представлен комбинацией других), а также их рекомендации по проверке адекватности математических моделей путём сравнения со статистическими моделями;

- по моделированию форм движения колонны - В.Н.Алексеева, И.Н.Страбыкина (для вертикальных скважин), Г.А.Воробьёва,

Б./1,Новожилова, Ю.В.Кодзаева, В.П.'.Срикигонаса и М.Н.Щербакова -для горизонтальных, скважин;

- по статистическому.моделированию - С.С.Сулакшина,-Ю.Т.Морозова, Д.Л.Михалкевича, А'.И.Душна, А.А.Сорокина,• В.И.Журниста, В.И.Маруса.и др.; .

- по проектировании..- Н.Н.Михеева, Т.Морозова, Ю.Л.Ми халкевича, К.П.Мельницука, И.Н.Страбыкина, С.С.Сулакпшна, В.П.Рожкова, В.В.лртоиеева, Э.Ф.Ачексондрова и др.

Выпепоиведённые исследования :<аср тксь незначительной час га всего многообразие направленных скважин и были нацелены на уний, строго говоря, единственной задачи - снижения кнтенекгк

ги искривления, причём, в условиях естественного выполаживания. 1оследнее, по общепринятой классификации Ю.Т.Морозова, от,.осиг-;я лишь к одной группе скважин - Еыполадава'ощихся в направлении зектора анизотропии меньшего сопротивления назовём ус-

ювно этот вид естественного искривления, точное, ото направле-ше положительны;.! вектором (+ ¿лж-лд); на практике возыкает не-збходимость решения более сложных, чем снижение интенсивности, ¡адач: '»то профилактика негативного выполаскивания путём полной ¡табилизации заданного угла наклона, т.е. обеспечение нулевой штенсивмости зенитного искривления сквгсшны; это необходимость соррекции или выведения отклонившейся трассы на проектнуч путём ¡ыкручиванип зенитного угл .. За редким исключением, в поле зре-!ия исследователей попадают не менее распространённые группы ¡квалсин: выкручивающихся в направлении отрицательного вектора - , не шполатавагоцихся и не выкручивающихся в кяправле-

¡ии параллельного вектора (|| ¿су/лаг.') •

Таким образом, вопрос этот весьма сложен, до последнего |ремени практически изучен не достаточно и потребовал постановки ; решения, по крайней мере, трёх следующих задач:

- методов стабилизации зсктного угла скваяин как с полсет-■ельным, так и с отрицательным векторами анизотропии;

- методов выкручивания скважин естественного искривления полоятательнш и параллельным лекторами;

- методов вшюлаяивания сквамин с отрицательным и парад -ельным векторами.

ОСНОВНЫЕ ЗАИРДАШЬЕ ШЛОЖЕИЯ. Проведённые исследования озволили сформулировать следующие защищаемые положения.

Положение! . Стабилизация зенитного угла ск ваши достигается при условии динамического раЕновссия 1ШБК; ¡полаетвзниа - при условии, если колонковый набор тяжелее >лу волки нижней свечи; выкручивание - если колонковый набор ¡гче полуволны.

Схематизируя компонозку низа бурильной колонны с керном материалом (рис.1) в виде однородного круглого .диска с тонной массой & и радиуа <2 , равного половине диаметра коркового набора, .определим динамические реакции подпятника А абой скважины) и подшипника В (точка касания бурильной копны стенок сквааина), если .^<7 я £ - длина колонкового ;!або-■ и 03= ¿7 - длина полуволны. Центр тяжести С диска отстоит оси вращения на расстоянии ОС" Я. 20У~ апсидальная плос-

Рис.1. Схема динамических сил, действующих на систему "скважина - вращающаяся КНБК"

кость, ось X - азимут простирания пород, В - зенитный угол скв&такы. Диск под действием момента Мвращается вокруг оси 2 скважины , перпендикулярной к его плоскости. Приняв за центр приведения сил инерции центр тяжести С диска,, обозначив через ~~а<л - центробежнуютангешиадьнугагеос~ тавляющке главного вектора сил инерции диска, /^Г = - -

главный момент сил инерции, составляем уравнения "равновесия".:

О, МЛъ)- -Ц а + V/ с

V ^ о» А-^^'^г» о» x я * о, я + ^ «

Щсяаряв сода значения З/fi Щ; % Л? и решив систему уравнений, получим;

я £т в „' о QadL

-Jlacj2LT г, Q Ш +аог1)

V —vi— V- 5< •

а

Из подученных результатов следуют основные вывода:

- сила давления колонны на стенки скважины^, при нагрузке [ООО...1500 даН и частоте вращения 300..,750 лдан~* составляет '...4 деЙ, поэтому в расчетах 'рением можно пренебречь;

- если состазлнщие динакииеских. опорных реакций в точ-в касашш стенки сквахины бурильной колонны и на забое

по модулю не равны, то «ни имеют всегда противоположные оправления. Имея в виду, что реакция &ау- не что иное," как уклоняющая сила, и если сориентировать её по нап-изленгао к ле&ачей стенке скважина или к висячей, то можно сбиться соответственно выкручивания или выполаяивания сква-1ш. При этом долины быть непременно соблюдены два условия: первом случае -г первая точка касания нижнем полуволны дола находиться на лежачей стенке (реакция во втором-¡ висячей стенке (рэакщш В своя».Очередь, эти усяо-я зависят от соотношения сил тязхести вершей (относительно реходаика как опорной точки) и нидаей частей КНБК.

Отсюда механизм зенитного искривления наклонной ваяины сводится к следующему:

Рис. 1а. Чем тяжелое колонковый набор по сравнения с ник- . i часть® (полуволной) бурильной колонны,' тем больше реакция ¡сачей стенки забоя скЕахины, ней больше реакция висячей эйси соответственно больше сила, с которой корон-

в результате продольного изгиба колонковой трубы и поворота »его торча относительно плоскости забоя будет более интен-iHO разрушать висячую стенку забоя, т.е. выполаживать сква-

У-

РисЛв. Чем тяжелее полуволна, тек больше реакция л ежа-стенки в точке касания верхней части КНВК I >{ :?ду| ем больше реакция висячей стенки, и та» больше соответствен-гила, с которой коронка будет более интенсивно разрушать ле-/то с-енку забоя, т.е. выкручивать сквалмну.

- 14 -

РисЛб. Когда верхняя и нижняя части КНВК уравновешены, то составляющие динамических опорные реакций по модулю чоае равны при этом КНЕК оказывается в уел< зиях ди-

намического равновесия,- плоскость, проходящая через эти реакции, совершает круговое движение, перпендикулярное оси скважины и меняет своё положение, поворачиваясь на 360°, к коронка равномерно разрушает поверхность забои, тоже перпендикулярно оси, т.е. стабилизирует зенитный угол сквагины.

Вес колонкового набора, адекзатный весу полуволны, отвечающий условиям равновесия ЩБК, называется "критическим". Однако, в дальнейших расчётах удобнее пользоваться не величиной "критического веса", а "критической длиной колонкового набора" ¿кр , под которой понимается расчётная дайна колонкового набора, равновесная длине пояуволш нижней свечи бурильной колонны.

Рассматривая КНВК как балку и исходя из условия равновесия сксгтеш относительго опорной точхи (переходника), находш вельчину ¿-х-р- критической длины колонкового набора: для ударно-вращатеяьного ■ п\/ ,

бурения ¿х/ -{Рг'^т^м ~Ы«)\Рн*к«,'кв.х'.РКМ1) > <1

вращательно- 2 „, г .

ударного » <2

вращательного . . -сд,

обычного ^"Ч? ~ 7П- Ьг-рг 'Ряд. » (2

для ССК ш ¿л'^Рт^^-Р**/'- к» •

где А-"- ® Р* * К.«'рлл*вес колонкового набора вместе с к< нрм (даЧ)?^,^ коэффициенты длины цикла{рейса),выхода кер; ¿•у - длина полуволны нижней свечи по Вудсу и Лубинскому (м! № - число полуволн нижней свечи,уравновешивающих набор; ¿аМ,1Г длина(м) и вес(даН) гидроударника или пнэшоударника ¿р длина(м) и вес(даЧ) подшипникового узла ССК или КССК /7., ~ соответственно вес (даН) I м бурильной колонн

(нижней свечи), колонкового набора вместе с керном, колонко трубы и кернового материала с плотностью X (даН/к3).

В отличие от традиционных исследований, нами впервые г ведён полный расчёт полуволн отечественного ряда колонн СБ"! УБТ, ЛЕТ, ССК и КССК для скваяин диаметром от 132 до 46 им и диапазона зенитных углов от I до 45 градусов. ■

- 15 -

Положение 2. Интенсивность зенитного искривления скваюш зависят от способа.и вида бурения, типоразмера и параметров нижней свечи, осевой нагрузки, частоты вращения, длины ° колонкового набора, диаметра и зенитного угла скважины, выхода керна и плотности буримы* пород.

По А.Г.Калиншгу (1967) при бурении абсолютно кёсткой компоновкой величина набора кривизны скваташд V определяется ураэ-нением дТ = 2*4», где ^ У» = 0,5 {Я -с1 )• С 6)

или иначе говоря, ствол скважины искривляется по дуге окружности с радиусомя 0,5- С' Имея в виду, что/? =57,3 • ¿"'} получим зависимость интенсивности зенитного искривления скважины (для жёстко? компоновки): 2 =57,3 (3 - Ы )-/**",град/и.(С )

Исходя из предложенного нами механизма на основе критической длины колонкового набора и с учётом выражения (6), получаем основное уравнение зенитного искривления скважины

при' врацатольноы бурении

аращательно-удариом

¿'4-458,4 ( Л - г/ )-п\ I )2], ( 8 }

ударно-вращательном

г «57,3 (М -с{ ), <35

где ¿. - заданная или фактическая длина колонкового набора,

- коэффициент частоту вращения КНБК. Заметим, что при возникновении динамического равновесия КНБК, г.е. при/7?я I, 2, 3 и т.д., достигается нулевая интенсивность, а если /Г} I, 2, 3 и т.д., то соответственно г 4* О,

.Ввиду отсутствия надёжных количестз^нных связей функциональных зависимостей многих выявленных факторов с частотой вращения (НБК, определение коэффициента частоты к- а моделях (7) и (В )

осуществляется исключительно эмпирическим путем - на основе большого фактического материала. В результате сравнительного диализа статистических данных и наблюдений наш установлено» что в одних и тех же условиях интенсивности зенитного искривления скважин при частотах вращения снаряда 500» 550 и 750 оборотов в минуту находятся в соотношении I ! :

Программная реализация основные уравнений <7 - 9) позволила дать количественную и качественную картину зенитного искривления скважин в виде номограмм (рис.2 - 6) дая соответствующего способа или вида бурения и типоразмера бурильных труб» из которых составлена нижняя свеча.

Математическая модель интенсивности зенитного искривления, с помощью номограш, предохраняет от принятия ивчоэффзвтивных решений оперативного управления трассой и гарантирует наилучшую реализацию принятого для него критерия регулирования -стабилизации, выполаживания иди выкручивашщзенитного угла скважины.

Модель мозкет использоваться как при опткмизгфованнои проектирований для формирования регламентное или геологотехна-логических карт контроля и упрайшшя искривлением, так я для внесения ситуационных корректив в ход© бурения при внезапно возникших ограничениях и отклонениях от проекта.

Рассмотрим на примере несколько задач оперативного управления или регуляции эаданког- угла скЕожт^ с геологических условиях с ярко выраженной тендищией i: самопроизвольному естественному вшодазшвашс», Последнее, ва общепринятой классификация К.Т.МорозоЕа, OTKO<s!Tcat жяь к одной группе скважин,-вкполаживаящихся в направлен:;« Виктора ашзотропии меньшего сопротивления + 2att.Au

Исходные данные и входша параметра: направленное бурение скважины диаметром 59 ш осуществляется колонковым набором длиной 5 м, бурильная колонна вся изСБТЙ-60 (СБТ-50/42), осевая нагрузка 1200...1300 даН, число оборотов 750 мин""*, зенитный угол скважины 17 градусов.

Задача 1 : не меняя исходный режим бурения, предотвратить вшюлалсивание скважины и стабилизировать заданный угол 17 градусов.

Реи. нив имеет несколько вариант о в :

Зенитный угап скбажшсц в, граИ^Ы

<с.2. Номограммы интенсивнос-\ зенитного искривления сква-ш при бурении гидроударника-I (а, б) и разведочными лневм-гдарниками (в,г,д) с нижней ¡ечой из СБТ-ЬО.

\ <М<я кагр&кй мш -

Рис.3. Номограммы интенсивности зенитного искривления сквлжин при вращательно-ударном бурении Г-76В (а) и Г-59В (б) с нижней свечой лл СБТ-50, Г-76В с УБТ-73 (в).

Р1;з.4. Номограмма интенсивности при вращательном бурении

зенчтного исиривлЕ шя с квакни

первый - поставить колонковкй набор длиной 6,5 м или 10 м (си.рис.4в), дня которых расчётная интенсивность при зенитном угле 17гра-дусов равна нулю; второй - сохранить преяиио длину набора & м, поставив высокочастотный гидроударник Г-59В(рие. 36 );

третий - поставить набор длиной о,5 м и гидроударник

Г-59В (см. рис.36 ); чегвйрти П-если применяется жёсткий отражатель ПО-59 над гидроударняком Г-59В, то длина колонкового набора должна быть 4,3 или 7,5 м; пятый - овменить ниннюэ свечу и поставить СВТН-42

вместо прежней СБТН-БО, сохранив первоначальные параметры набора (см.рис.4г); веской - заседать нижнюю свечу и поставить УБТ-57, ''выбрав колонковый набор из трёх величин -3,76 и, 7,5 м «ли Им (рис.5); седьмой - непосредственно под УБТ-57 поставить гядро-ударник Г-59В с колонковым набором дайной 5,6 и или 9,5 м (рис.6).

I): Ж-)7:/Ш..ае9

и {„ ■ Г-Я1: ПГ-17: /ЛЯ?. а«>

?ис. 5 .Монограмма г^для вращатоль- Рис. 6 «Номограмма ьв для юго бурения скважин диаметром гидроударника Г-59В >9 на шязняя свеча - УБТ-57 ) (нилмяя свеча - УБТ-57 )

Попутно заметим, что последние два варианта - шестой и сидьмой - позволяют решать стабилизацию одновременно зенитного и азимутального угла скважины.

Задача 2 : интенсифицировать выпояаяи-в а н и е скважины.

Репе ни е данной задачи имеет токе несколько Альтернативных вариантов:

первый - не меняя первоначальные нагрузку и длину

колонкового набора, а так ке сохранив ту яе колонну СБТН-50, нужно "сбавить" обороты, доведя их до 500 мин"*,- в результате чего скважина начнёт выполаживаться с интенсивностью +0,06°/м вместо прежней +0,02°/м при 750 мин"* (см. рис.4в); второй - поставить гидроударник Г-59В с колонковым набором 4,5...4 и, сохранив обороты 750,-тогда интенсивность увеличится в 1,5 раза ( +0,03% > - см. рис.Зб; третий - заменить нижняя свечу, поставив СБТ-54 а

колонковый набор длиной 12. «<15 ы(рис.4б)-при этом интенсивность зенитного искривления увеличится в 2...2,5 раза <+0,05°/м ); четвёртый. - поставить никною съачу и колонковый набор длиной 3...3,5 и целиком из ССК-59 (см.рис.4е) - это лучшая альтернатива, поз-, волявщая интенсифицировать выполаживанио cKBaik-iHU ьшксикальной величины{+0,09°/м ).

Задача 3: обеоазта-гь выкручивание оквоаиш.

В отльте от предыдув^их данная задача имеет ограниченные возмояностк ез решения - всего два варианта, при-vSu в обокх случаях требуется снижение частоты вращения до 250 оборотов в нииуту:

& 1) р в и й - ке меняя первоначальную нагрузку и сохранив ту же колонну СБТН-50, нужно "сбавить" обороты до 250 мин"*, поставить колонковый набор длиной 2,5 м <см.рис.4в);

в i о р о й - заменить нижнюю свечу, поста ив вместо

СБТН-50 (СВТ-50/42) утяжелённые трубы УБТ-57 а колонковый набор длиной 3,5...3 м(см.рис.5

- и

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДУ Я Ри^Ш^и^"

Проведённые теоретические и производствекно-экспешмен-льные исследования впервые позволили установить ранее неиз-стные закономерности влияния длины колонкового набора, часты вращения и осевой нагрузки-на изменение направления и ин-нсивности зенитного искривления стволов скважин под действием раметров нижней часта бурильной колонны.

А. Основные выявленные закономерности зенитного искривления важин сводятся к следующим положениям.

1. Равномерное разрушение поверхности забоя скважины дос-гается при условии динамического равновесия 1ШБК (с т а б и -и з а ц и я Зенитного угла).

2. Неравномерное разрушение поверхности забоя скважины риен тированный перекос) возникает в уп-

виях неуравновешенности ККБК,- осевая нагрузка, центробежные яы и составляющая зеса КНБК вызывают появление на забое от-оняющей силы и поворот торца коронки относительно забоя, прим, в направлении висячей стенки (выполаживание коаяины),- если колонковый набор тякелее полуволны рильной колонны;

если колонковый набор легче полуволны нижней свечи, .о клошгтецая сила и поворот торца \оронки ориентируется в напр.?.- . ении лежачей стенки (выкручивание с к в а ж и -ы ): -

3. Критерием оптимальности является критическая длина лонкового набора - первая ( 1Кр( ), вторая (1крг ), третья

) критическая - равновесная соответственно одной, двум и трём полуволнам нижней части бурильной колонны.

4. Исходт из общего для всех способов бурения принципа гуляции з'енитного искривления задачи управлении последним шэптся следующим образом:

я выполатаватдахся скважин, т.е. скважин с положительным ктором естественного искривления

- ВЫКРУЧИВАНИЕ (г < О ) - при 0,51кл< I. <1 ХЯ( 5

- СТАЕНШЗА^ (£ = О ) - при

я скважин с отрицательным вектором естественного искривления

- ЗДДОЛ££ШАШК и ВЫКРУЧИВАНИЕ только линь в случае пользования вращательно-ударной компановки с УБГ пру. собл*о-кии сэотиошен!*4 I >1> I , г I / I •

для скважин с параллельным вектором естественного искривления

- ВЖШШВАНИЕ и ВЫКРУЧИВАНИЕ - только лишь при применении специальных ступенчато-шарнирных компоновок с нижней сведай из УБТ,

5. В одних и тех же условиях интенсивности зенитного искривления скважия при частотах вращения снаряда 500, 550 и 750 оборотов в минуту находятся в соотношении ,

Б. Установленные закономерности зенитного искривления скватош позволили провести следующие разработки.

1. Создать комплект номограмм критической дтены колонковог набора для кадцого способа и вида бурения - ударно-вращательног зращательно-ударного и вращательного , включая ССК.

2. На основе программной реализации отстроить управляющие номограммы интенсивности зенитного искривления скважин для каждой разновидности бесклкновой технологии - всего 31 блок номограмм для 31 вариант бескяиновой технологии,

3. Создать общее для механического колонкового бурения математическое описание интенсивности зенитного чскривления скважин.

<1. Создать атлас(масштаба 1:2000 и 1:5000 ) рабочих палеток трасс направленных скважин диаметром 112, 93, 76 и 59 мм на основе методики автоматизированного проектирования на графопостроителе АТЛАС-5 ЕС-1035 л методики бесклиновой технологии.

В. В результате опытно- .роизводственных исследований найдены и внедрены наилучшие альтернативные варианты бесклино-''Ой технологии применительно к ударно-вращательному, вращатель-но-ударному и вращательному бурению, обеспечивающие профилактику и коррекцию зенитного искривления глубоких направленных скважин в различных геологических условиях России, Украины и Казахстана.

Г. Дальнейшее развитие научных работ должно идти по пути комплексного - оперативного и программного - управления трассой направленных скватош с использованием современных методик:

- компьютерного объёмного (пространственного) проектиро-ваг я трасс на основе бесклиновой технологии;

- компьютерной телефотоиетрическсй съемки стенок скважин

( пс методике ¡(.¡..Баталова),- позволяющей решить ещё одну про-б'г:-;,- - иск..учения необходимости искусственного азк-утального с-нажин.

Результаты работы изложены в 31 публикации, из которых основными являются следуккцие:

1. Цузьларов М.й. Механизм искривления сквадин при ударио-вращателькоу бурении. В сб.: "Техника и технол.разв.бурзнил", вып. 5, Алма-Ата, КазШСГ, 1978, с. 32-39,

2. Музапаров И.Ш. Вывод основного уравнения зенитного иск'^ь-ления скважин при ударно-вращательном буре. ли. Тем же, с. 39-44^

3. Музапаров М.Ш., Кебдулов С.З., Абдильдинов К.Н. К Ескрогу об искривлении сквашн при пневмоударном бурении. В сб.: Теология, техника разведки и технол.изучение минер.сырья Казахстане^, Алма-Ата, КазИМС, 1978, с, 69-72.

4. Музапаров Ы.Й. Исследование закономерностей естественного искривления скваяин при ударно-вршцатеяьяои буренки. В сб.: "Тахн* прогресс в разв.бурении", Алма-Ата, КазИИС, 1980, с. 81-102.

5. Музапаров 1>УД. Что такое "оптимальный диаметр" и как яд его основе прогнозировать направление искривления скважины. В cd,: "Техн. и технод.разв.бурения", Алма-Ата, КазШС, I960, с. 6I-S8=

6. Музапаров М.М., Скобочкин Б.Е., Абдильдинов К.Н. и др. Ое-новы и практика управления трассой скваяин с помощью гидроудари5.! -ков (методическое руководство). Алма-Ата, КазИМС, I960, 5" с.

7. Музапаров М.Ж., Скобочкин Б.Е. Методы сохранения яр». , нейности скважин с помощью гидроУдарников Г-7 и ГВ-5. В сб.: "Техн. и технол.разв.бурения", Алма-Ата, КазШС, 1980, с.

8. Музапаров М.Ж. Технологические методы управления т<>л'> /; скваяин. "Разведка и охрана недр", № 10, 1983, с. С7--40.

9. Музапаров U.K., Эрендаенов С,Д., Смагулов Б.Р. Опыт г\:.: живания скваяин с помощь» гидроударников. Алма-Ата, КаэНИИНТИ, 1983, 6 с.

10. Музапаров М.Ж., Доз баев Д.И. Новое в технологии ynpa?v;:-'.'"-: трассой скважин при бурении снарядами со съемными керноприеуп-«!.--ми. В сб.: "Техн. и технол. раз в. работ в Казахстане", Алма-Ата, КазИМС, 1984, с. II7-I23.

11. Музапаров И.I. Комплекс технологических методов управления зенитным искривлением скватан. Алма-Ата, КазИМС, 1986, 7 с.

12. Музапаров M.Ei. Ковая система управления трассой скважин. ■ Алма-Ата, КазИМС, 1988 , 6 с.

13. Музапаров М.й., Донбаев Д.Д,, Пеща В.В. и др. Технология /правления зенитным искривлением скважин диаметром 76 им при бу-эении гидроударниками Г-7, Г-76У и комплексом КССК-76 (меюд.-чес-юе руководство). jbma-Ai-a, КаяМЖ, 1968, 19 с.

14. Ыузапвров М.Ж., Дэдбаев Д.И. я Донбаев Д.Д. и др. Ab.-v.vv.m-

зированное проектирование и технология управления трассой скважин при бурении комплексом ССК-59 (методическое руководство). Алма-Ата, КазИМС, 1588, 33 с.

о 15. МузаПаров М.Ж., Бакиров А.Е. Сервисная технология управления трассой скважин (методическое руководство). Алма-Ата, КаэИМС, 1988, 44 с.

16. Музапаров М.К., Бакиров А.Е., Стеблов В.Е. и др. Управление трассой скважин по бесклиновой технологии. М., ВИЗМС, 1989, 7 с.

17. Музапаров М.Ж., Березкж А.М. Регулирование трассы скважин при высокооборотном бурении по бесклиновой технологии. М., ВИЭ!.!С, 1989, 4 с.

18. Музапаров М.Ж., Дюзбаев Д.И. Бурение направленных скважин г.СК-59 по бесклиновой технологии. М., ВИЗМС, 1989, 5 с.

19. Музапаров M.I., Тесленко А.И., Пеща В.В. и др. Бурение сверхглубокой сквакины по бесклиновой технологии. М., ВДЭМС, 1989, 5 с.

20. Музапаров М.К. Технология стабилизации и изменения зенитного угла в условиях естественного искривления скважин. В сб.материалов Всесоюзной науч. - тех. конференции "Направленное бурение геологоразв.скважин", Чита, I9S9, с. 56-64.

21. Муз шаров М.К. Новуй подход к направленному tíypeww. "Разведка и охрана недр", ii, 1989, с. 61-62.

22. Музапаров М.Ж,, куз трава F.M. Атлас рабочих папеток трасс направленных сквпжик мь.'втаба 1:2000. Части 1-3. 'Апма-Ата, IS90, 124 с.

23. Музапаров М.Ж., MvsanapoBa Г.М. Атлас рабочих палеток трасс направленных скважин масштаба 1:2^00. Части 4-5. Алма-Ата, 1520, 92 с.

Музапаров М.Ж., Музапарова Г.М. Атлас рабочих палеток трасе налравленннх скважин масштаба 1:5000. Части 2-3. Алма-А^а,

19:-"'0ь 125 с.

2'6. Музапаров М.Ж., Музапарова Г.М. Атлас рабочих палеток трасс направленных скватон масштаба 1:5000. Части 4-5. Алма-Атч, "990, 102"с.