Способ азимутального ориентирования забойных устройств при бурении направленных скважин

 

Изобретение относится к горному делу, в частности к бурению направленных скважин и сооружению подземных резервуаров. Способ осуществляется посредством инклинометрических замеров отклонения ствола скважины от вертикали и ориентации спускаемого забойного устройства относительно направления указанного отклонения. По результатам инклинометрических измерений до и после спуска забойного устройства в скважину определяют угол его поворота для достижения заданной ориентации устройства при направленном бурении. Изобретение обеспечивает повышение точности ориентирования забойных устройств при бурении направленных скважин в условиях влияния магнитной массы забойных устройств и колонны труб. 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для азимутального ориентирования забойных устройств, например сопел направленного размыва в скважине, при бурении направленных скважин и сооружении подземных резервуаров.

В процессе создания направленных скважин возникает необходимость азимутального ориентирования забойных устройств, для чего используют скважинные инклинометры [1]. Однако, их применение для ориентирования забойных устройств, выполненных из обычной стали, затруднено вследствие влияния магнитной массы устройств на показания приборов. Даже при использовании гироскопических инклинометров [1] пришлось бы вносить нежелательные изменения в конструкцию этих устройств.

Известен способ ориентирования в скважине забойного устройства, изготовленного из обычной стали [2]. Сущность способа заключается в том, что забойное устройство ориентируют в нужном направлении на поверхности земли над устьем скважины. Затем наносят метку на навинчиваемую на забойное устройство колонну труб и проводят спуск первой свечи колонны, сохраняя отмеченную ориентацию. Затем метку спущенной свечи переносят на следующую и повторяют данную операцию на протяжении всего спуска колонны труб.

Недостатком способа является возможность самопроизвольного дозавинчивания или подразвинчивания резьбовых соединений из-за усилий, возникающих при спуске колонны. Вследствие этого возможно смещение меток на смежных свечах колонны. Так как число свечей колонны велико, то ошибка такого смещения может достигать существенной величины. Поэтому фактическое положение забойного устройства может резко отличаться от заданного.

Известен также способ [3] ориентирования отклонителя в скважине посредством измерения магнитным инклинометром, заключающийся в том, что на отклонителе, выполненном из немагнитного материала, устанавливают дополнительный магнит и, посредством измерения суммарного воздействия на инклинометр магнитного поля земли и вспомогательного магнита, определяют фактическую ориентацию отклонителя.

Однако использование указанного способа невозможно для ориентирования в скважине забойных устройств, изготовленных из обычной стали, вследствие влияния их магнитной массы на показания магнитного инклинометра.

При разработке заявляемого способа решалась задача повышения точности ориентирования забойных устройств при бурении направленных скважин в условиях влияния магнитной массы забойных устройств и колонны труб.

При этом достигаемая точность ориентирования забойного устройства в скважине определяется только погрешностью самого инклинометра.

Решение указанной задачи осуществляется посредством замеров магнитным инклинометром. При этом, согласно заявляемому способу, в процессе бурения направленных скважин в интервале глубин размещения забойного устройства при проходке вертикального участка скважины производят отклонение ее ствола от вертикали на угол от 2 до 6^o с последующим определением величины и направления этого отклонения магнитным инклинометром. Затем осуществляют спуск забойного устройства в скважину на колонне рабочих труб, после чего внутри колонны размещают инклинометр в фиксируемое под углом к продольной оси забойного устройства положение. Инклинометром измеряют углы наклона при различной азимутальной ориентации забойного устройства, достигаемой поворотами колонны рабочих труб с поверхности земли, после чего определяют фактическую азимутальную ориентацию забойного устройства, по которой устанавливают величину угла поворота колонны рабочих труб, достаточного для достижения заданного ориентирования забойного устройства, создающего направленную скважину.

Отклонение ствола скважины от вертикали вызвано разрешающей способностью инклинометров. Они хорошо фиксируют малые зенитные углы, а азимут отклонения ствола скважины от вертикали начинают хорошо фиксировать при величине зенитных углов не менее 2-3^o. Поэтому, для получения четкого опорного азимутального направления отклонения ствола скважины от вертикали отклонение необходимо довести до 2- 3^o. Верхний предел отклонения не лимитирован, но его необходимо ограничивать, так как при значениях зенитного угла больше 6^o геометрия скважины может отрицательно влиять на последующие технологические операции в ней.

Фиксируемое наклонное по отношению к продольной оси забойного устройства положение инклинометра необходимо для получения привязки азимутальной ориентиции забойного устройства в пространстве к отклонению ствола скважины без измерения магнитного азимута, который в условиях изготовления забойного устройства и рабочих труб из магнитных материалов оказывается искаженным. Независимость измерений от магнитного влияния обеспечивают тем, что используют измерения только зенитных углов, фиксируемых инклинометром, установленным на наклонной полке, при различных углах поворота колонны рабочих труб и, соответственно, жестко с ней связанного забойного устройства. Зенитный угол, фиксируемый инклинометром, достигает максимального значения при совпадении ориентации забойного устройства с направлением отклонения ствола скважины, так как при этом он равен сумме зенитного угла отклонения ствола скважины от вертикали и фиксированного угла наклона инклинометра к продольной оси забойного устройства.

Способ иллюстрируется фигурами 1, 2, 3.

На фиг. 1 представлена схема осуществления способа азимутального ориентирования забойного устройства при бурении направленной скважины.

На фиг. 2 изображена векторная диаграмма результатов инклинометрических замеров величины и направления отклонения скважины от вертикали в интервале глубины установки забойного устройства.

На фиг. 3 - векторная диаграмма инклинометрических замеров углов наклона забойного устройства при различной азимутальной ориентации его в скважине.

На схеме фиг. 1 изображен пробуренный вертикальный участок скважины 1 со спущенной в него колонной рабочих труб 2, на которой закреплено забойное устройство 3. В фиксированном положении относительно продольной оси забойного устройства 3 установлена наклонная полка 4. На полку 4 внутри колонны рабочих труб 2 спущен инклинометр 5 на кабеле 6. На оголовке 7 скважины 1 установлена круговая шкала 8, нулевое значение которой ориентировано на магнитный "север". К верхнему концу колонны рабочих труб 2 прикреплена стрелка-индикатор 9 поворота колонны 2.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе бурения вертикального участка скважины 1 в интервале глубины установки забойного устройства 3 производят отклонение ствола скважины 1 от вертикали на угол от 2 до 6^o. В пробуренную скважину 1 спускают инклинометр 5 и в интервале глубины установки забойного устройства 3 проводят инклинометрию ствола скважины 1, определяя величину и направление ее отклонения от вертикали, которое характеризуется зенитным и азимутальным углами. После этого инклинометр 5 извлекают из скважины 1. Результаты инклинометрических измерений отражают в виде векторной диаграммы (фиг. 2), на которой угол α соответствует азимутальному углу искривления ствола скважины 1 в интервале глубины установки забойного устройства 3. На фиг. 2 длина вектора OA в выбранном масштабе соответствует зенитному углу δ отклонения ствола скважины 1 от вертикали. Перед спуском забойного устройства 3 (фиг. 1) в скважину 1 устанавливают наклонную полку 4 в фиксированном положении относительно рабочего органа забойного устройства 3. На оголовке 7 скважины 1 к верхнему фланцу обсадной колонны крепят круговую шкалу 8, нуль которой ориентируют на магнитный "север". На верхнем конце колонны рабочих труб 2 устанавливают стрелку-индикатор 9, фиксирующую угол поворота колонны рабочих труб 2 относительно нулевого значения на шкале 8. Затем внутри колонны рабочих труб 2 на кабеле 6 спускают инклинометр 5, который в скважине 1 располагают на наклонной полке 4 в фиксированное под углом к продольной оси забойного устройства 3 положение. После этого осуществляют последовательные повороты колонны рабочих труб 2 и с помощью инклинометра 5 измеряют значения зенитного угла для каждого отдельного поворота колонны рабочих труб 2 в скважине 1. Величину угла поворота определяют по положению стрелки-индикатора 9 относительно делений шкалы 8. По данным измерениям строят векторную диаграмму с индикатрисой (фиг. 3), которая представляет собой линию, огибающую концы векторов, отражающих значения зенитных углов, фиксируемых инклинометром 5 при различных углах поворота колонны рабочих труб 2.

Максимальному отклонению индикатрисы от начала координат "O" на фиг. 3 соответствует положение забойного устройства 3 в скважине 1, когда ориентация его рабочего органа совпадает с азимутальным направлением искривления ствола скважины 1 от вертикали (вектор OA на фиг. 2). При этом положении колонны труб 2 в скважине 1 инклинометр 5 фиксирует угол наклона, равный сумме угла наклона полки 4 по отношению к продольной оси забойного устройства 3 и угла отклонения ствола скважины 1 от вертикали, т.е. сумму углов ϕ+δ. При повороте колонны рабочих труб 2 на 180^o вокруг вертикальной оси угол, фиксируемый инклинометром 5, будет соответствовать значению разности углов ϕ-δ. При промежуточных углах поворота колонны рабочих труб 2 фиксируемый угол будет иметь промежуточные значения. Таким образом, сумма углов будет максимальной, когда наклон полки 4 совпадает с азимутом искривления скважины 1. Поэтому, чтобы стрелка-индикатор 9 показывала азимутальный угол α (фиг. 2), шкалу 8 поворачивают так, чтобы стрелка 9 совпала с делением шкалы 8, соответствующим углу α. Затем шкалу 8 вновь закрепляют и, ориентируясь по стрелке-индикатору 9 и круговой шкале 8, колонну рабочих труб 2 поворачивают так, чтобы ориентируемый рабочий орган забойного устройства 3 был направлен по заданному азимуту. После этого ориентирование забойного устройства 3 завершают, а инклинометр 5 извлекают из скважины 1.

Пример Бурят направленную скважину с азимутом 90^o. После проходки вертикального участка ствола скважины 1 в интервале глубины размещения забойного устройства 3 делают отклонение ствола от вертикали в пределах от 2 до 6^o. Инклометрическими замерами устанавливают азимутальный угол этого отклонения, например, α = 125^o. Затем в скважину 1 на колонне рабочих труб 2 спускают забойное устройство 3, которое необходимо ориентировать по заданному азимуту, т. е. 90^o. В забойном устройстве 3 под углом 20^o к его продольной оси устанавливают наклонную полку 4, на которую на кабеле 6 спускают инклинометр 5. На фланце обсадной колонны скважины 1 закрепляют круговую шкалу 8 с нанесенными делениями в градусах. Нулевое деление шкалы 8 ориентируют на магнитный "север". На колонне рабочих труб 2 устанавливают стрелку-индикатор 9, по положению которой определяют угол поворота колонны рабочих труб 2 относительно нулевого деления шкалы 8. Производя повороты колонны 2, инклинометром 5 определяют зенитные углы наклона полки 4 относительно вертикали, а углы поворота - с помощью стрелки-индикатора 9. По полученным данным строят векторную диаграмму зависимости измеренных зенитных углов от углов поворота колонны рабочих труб 2 (фиг. 3) и по концам векторов проводят индикатрису. С помощью этой диаграммы устанавливают, что максимальное отклонение индикатрисы от начала координат составляет по отношению к нулевому направлению круговой шкалы 8 угол γ = 35^o. Максимальному отклонению индикатрисы должно соответствовать значение угла на круговой шкале 8, равное азимутальному углу отклонения, т.е. угол γ = α = 125^o. Чтобы привести в соответствие полученное и заданное значения угла γ, круговую шкалу 8 поворачивают вокруг вертикальной оси так, чтобы против стрелки-индикатора 9 располагалось деление шкалы 8, равное 125^o. Привязка шкалы к истинной ориентации забойного устройства 3 в скважине 1 на этом заканчивают. Поворотом колонны рабочих труб 2 забойное устройство ориентируют по заданному азимуту 90^o. Для этого рассчитывают угол поворота колонны труб 2, исходя из полученного (125^o) и заданного (90^o) значений азимутальных углов отклонения скважины 1, т.е. 125^o - 90^o = 35^o. Следовательно, для того, чтобы сориентировать рабочий орган забойного устройства 3 по заданному азимуту 90^o, колонну 2 поворачивают на угол, равный 35^o. Величину этого угла контролируют по положению стрелки-индикатора 9 на круговой шкале 8.

Источники информации, принятые во внимание: 1. Померанц Л.И., Бондаренко М.Т., Гулин Ю.А. и др. Геофизические методы иследования нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1981, с. 241-249.

2. Калинин А.Г., Васильев Ю.С., Бронзов А.С. Ориентирование отклоняющих систем в скважинах. М., Гостоптехиздат, 1963, с. 15- 48.

3. Юдин М. П. Устройство для ориентирования отклонителя в скважине с применением инклинометра. "Разведочная геофизика", вып. 65, М., Недра, 1974.

Формула изобретения

Способ азимутального ориентирования забойных устройств при бурении направленных скважин посредством инклинометрических замеров, отличающийся тем, что в интервале глубины размещения забойного устройства в вертикальном участке скважины бурение осуществляют с отклонением ствола от вертикали на угол от 2 до 6^o с последующим определением величины и направления этого отклонения, после чего на колонне рабочих труб в скважину спускают забойное устройство, затем в фиксируемом положении под углом к его продольной оси инклинометр и из сопоставлений величины угла отклонения ствола скважины от вертикали с углами наклонов забойного устройства при различных азимутальных положениях его в скважине, достигаемых посредством поворотов рабочей колоны труб, определяют фактическую азимутальную ориентацию спущенного в скважину забойного устройства, по которой устанавливают величину угла поворота колонны рабочих труб, достаточного для достижения заданной ориентации забойного устройства, создающего направленную скважину.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3