Технологические приемы забуривания дополнительных направлений с искусственных забоев в необсаженных стволах скважин

С.И. Васильев, к.т.н., профессор, Е.Е. Милосердов, старший преподаватель, М.А. Тряпичкин, аспирант ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск

Ликвидация аварий и осложнений, возникающих при бурении скважин, часто связана с зарезкой и бурением новых направлений стволов скважин. Данная задача является одной из наиболее сложных при бурении разведочных, а также многоствольных (МСС) и многозайбойных (МЗС) скважин.

Наиболее результативны для решения этой задачи – методы бесклинового забуривания, основанные на многократном использовании технологических средств направленного бурения, при применении которых требуются минимальные затраты на цикл зарезания, а также снижаются риски возникновения аварийных ситуаций. К таким технологиям относятся методы забуривания с различных искусственных забоев, образованных в основном отверждением вяжущих материалов или близких к ним по своим свойствам искусственных пробок-забоев.

Основная проблема формирования нового направления ствола скважины возникает при проведении буровых работ по твердым породам, так как условия забуривания в этом случае усложняются. В таких породах процесс искривления скважин затруднен, а при забуривании нового направления ствола скважины задача усложняется возникновением отклоняющих сил со стороны стенок скважины. Решение задачи надежного забуривания дополнительных стволов с искусственных забоев с использованием отклоняющих компоновок позволяет существенно сократить время на забуривание дополнительных стволов. Наличие в интервале забуривания прочной пробки из искусственного материала, надежно закрепленного и при необходимости легко разбуриваемого, позволит существенно повысить успешность зарезания нового направления ствола скважины.

Технология зарезания дополнительного ствола заключа ется в следующем. На выбранном интервале ствола создается цементный мост, верхняя часть которого становится искусственным забоем. После этого в скважину спускается отклоняющая компоновка (как правило, это компоновка на базе винтового забойного двигателя (ВЗД)), которой в специальном режиме производится формирование нового ствола. Забуривание уступа отклонителями на базе ВЗД производится двумя основными способами [2,3].

Способ 1 – задержкой долота в одной точке над искусственным забоем. Время задержки может составлять 1–3 ч в зависимости от соотношения твердости горных пород и материала забоя. При этом осевая нагрузка в начальный момент равняется нулю и по мере забуривания нарастает. Скорость забуривания дополнительного ствола в момент отклонения от искусственного забоя может составлять не более 0,3–0,4 м/ч; Способ 2 – возвратно-поступательным перемещением инструмента над забоем на расстояние 0,5–0,6 м. При этом при забуривании уступа в относительно мягких породах рекомендуется формировать уступ без вращения долота, в твердых породах – с вращением долота забойным двигателем.

В дальнейшем, после образования уступа, бурение ведется при минимальной осевой нагрузке с постепенным её повышением. Контроль процесса забуривания осуществляют по соотношению в выносимом шламе породы и материала искусственного забоя.

При проведении зарезания в мягких и средних по твердости горных породах после успешного формирования уступа нового направления ствола скважины для дальнейшего бурения может применяться та же самая компоновка низа бурильной колонны (КНБК) и дополнительная спуско- подъемная операция (СПО) не требуется.

При забуривании нового ствола в твердых и крепких горных породах для успешного забуривания нового направления ввиду малой прочности цементного моста (в сравнении с горной породой) применяются специальные зарезные долота, обладающие большой фрезерующей способностью.

Указанные породоразрушающие инструменты используются исключительно для формирования уступа в стенке ствола скважины, но не подходят для дальнейшего бурения ввиду специфической формы торцевой части и недостаточности вооружения. В результате после формирования уступа необходима смена долота для последующего бурения, что требует дополнительных затрат времени на СПО.

Таким образом, в рамках проблемы сокращения затрат на ликвидации аварий и осложнений, а также сокращения продолжительности строительства МСС и МЗС задача разработки технологии зарезания и бурения новых стволов в настоящее время приобретает важное значение.

На сегодняшний день при забуривании дополнительных стволов скважин из искусственных забоев применются портландцементы, а также их аналоги. Однако прочность получаемого искусственного забоя будет соответствовать II–III категории пород по буримости, что будет вызывать дополнительные затраты на формирование уступа в стенке скважины при зарезке в довольно прочных горных породах. Исходя из вышеизложенного, возникает проблема создания искусственной пробки максимально высокой твердости, близкой по своим прочностным характеристикам горным породам в интервале забуривания.

Для решения подобной проблемы [2] предлагается использовать при создании искусственных забоев эпоксидные композиции из смол с различными отвердителями для водной среды. По данным лабораторных исследований, применение указанных материалов позволяет повысить прочностные характеристики искусственных забоев более чем в 10 раз в сравнении с высокопрочными цементами. Однако процесс приготовления и доставки в скважину, особенно на большие глубины, является сложным, трудоемким, требующим высокой квалификации исполнителей, и поэтому сопровождается нестабильными результатами.

Другой способ повышения эффективности формирования уступа в стенке скважины – достижение равенства энергоемкостей разрушения искусственного забоя и горной породы. В случае зарезания из искусственного забоя, скорость бурения является результирующей скоростей разрушения породы и цементного камня и зависит от механических характеристик горной породы, материала искусственного забоя, типа породоразрушающего инструмента, характера разрушения и степени очистки забоя. Учитывая тот факт, что скорость разрушения горных пород обратно пропорциональна энергоемкости их разрушения, можно утверждать, что для успешного забуривания бокового ствола необходимо стремиться к равенству энергоемкостей разрушения искусственного забоя и горных пород, слагающих стенки скважины.

В данном случае процесс зарезания будет происходить в изотропной среде, и он будет мало чем отличаться от бурения из естественного забоя. Следовательно, для повышения эффективности забуривания дополнительного ствола, могут применяться два метода: применение различных материалов в качестве искусственного забоя; выбор определенного типа породоразрушающего инструмента.

В первом случае материал подбирается таким образом, чтобы энергоемкость разрушения искусственного забоя соответствовала и энергоемкости разрушения горной породы.

Одним из вариантов таких забоев может служить деревянная пробка-забой; Во втором случае осуществляется подбор такого типа долота (вооружения долота), которое при формировании нового направления ствола скважины, особенно в крепких горных породах, давало бы минимально возможную скорость разрушения искусственного забоя.

Специальные долота для забуривания дополнительных стволов могут иметь особую схему установки породоразрушающих элементов на торце. Например, известно долото с установкой резцов на торце по спирали Архимеда, направление которой противоположно направлению вращения долота, что позволяет при вращении долота в момент забуривания обеспечить появление активной поперечной силы, действующей в направлении забуривания [2, 3]. При работе таких долот возникает эффект «винтовой нарезки», за счет которого долото подтягивается в направлении формирования нового ствола. Еще одно направление в данной области – покрытие торца породоразрушающего инструмента – шарошечного долота напаиванием латунного или оловянного припоев [2, 3].

Породоразрушающие вставки на торце долота покрываются припоем частично и по высоте, и по площади торцевой части, что снижает эффект дробления-скалывания материала искусственного забоя и снижает скорость его разрушения.

Процесс искривления отклонителями фрезерующего типа зависит от соотношения скоростей фрезерования стенки скважины и углубления забоя. Таким образом, для интенсификации процесса забуривания на первом этапе следует понижать скорость бурения забоя и повышать скорость фрезерования породы стенки скважины. Именно этого удается достигать, «прикрывая» часть породоразрушающих вставок на торце шарошек.

Последним и, пожалуй, одним из самых главных способов повышения эффективности формирования нового на процессом забуривания бокового ствола. В данную операцию входят: выбор интервала зарезания и установки искусственного забоя; анализ и опыт забуривания новых направлений в схожих горно-геологических условиях; подготовка забоя перед спуском отклоняющей компоновки. Одним из актуальных способов подготовки забоя является расширение ствола скважины в интервале забуривания нового направления с целью создания уступа в стенке скважины. Эта операция позволит сократить затраты времени на формирование уступа отклоняющей КНБК, а также минимизировать риски возврата долота в старый ствол. В качестве технических средств для формирования уступа могут использоваться гидравлические расширители ствола скважины, бицентричные долота, а также специальные гибридные долота со смещенным центром вращения, которые позволяют формировать ствол скважины больше номинального диаметра самого породоразрушающего инструмента.

Исходя из вышеизложенного повышение качества забуривания нового направления ствола скважины достигается следующими методами:

– подготовка ствола и забоя скважины. При этом выбирается оптимальный интервал зарезания и формируется первоначальный уступ для упрощения дальнейщих работ по забуриванию нового направления;

– выбор подходящего материала для искусственного забоя. Здесь оцениваются физико-механические свойства горных пород, слагающих ствол скважины в интервале зарезания, и подбирается материал для искусственного забоя исходя из равенства энергоемкостей разрушения горной породы и искусственного забоя;

– выбор и подготовка породоразрушающего инструмента для зарезания нового ствола. С этой целью выбирается долото, обладающее максимальной фрезерующей способностью, а также исходя из несоответствия типа вооружения и материала искусственного забоя. Если данный способ неосуществим, то выполняется специальная подготовка долота путем покрытия вооружения специальными сплавами (латунь, олово).

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Калинин А.Г. Бурение наклонных скважин: Справочник / А.Г. Калинин, Н.А.Григорян, Б.З.Султанов; под общей ред. А.Г.Калинина.– М.: Недра, 1990. – 348 с.
2. Нескоромных В.В. Методы и технические средства бесклинового забуривания дополнительных стволов скважин с искусственных забоев / В.В. Нескоромных – М.: МГП «Геоинформмарк». – 1993. – 55 с.
3. Шенбергер В.М. Техника и технология строительства боковых стволов в нефтяных и газовых скважинах: Учеб. пособие. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2007. – 496 с.

Ключевые слова: бурение, зарезка, боковой ствол, авария, породоразрушающий инструмент

Журнал "Горная Промышленность"№4 (128) 2016, стр.73