Transcript
Государственны й комитет Российской Ф едерации по высшему образованию г о с у д а р с т в е н н а я АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА им. И. М. ГУБКИНА В. И. КРЫЛОВ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОФИЛЕЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН МОСКВА 1996 УДК Крылов В.И. Проектирование профилей горизонтальных скважин. Учебно - методическое пособие - М. ГАНГ, С. В пособив даны общие понятия по наклонно направленным и горизонтальным скважинам. Рассмотрены особенности проектирования различных профилей скважин с горизонтальным участком в продуктивном пласте. Приведены типовые примеры расчета таких профилей. Пособие предназначено для студентов спец иальности 0908 Бурение нефтяных и газовых скважин и слушателей Учебно - исследовательского центра до повышению квалификации. Рецензент-зав. лабораторией ГАНГ нм. И.М. Губкина, К.Т.Н. Марков О.А. Государственная академия нефти и газа им. И М. Губкина, 1996 Введение 3 Бурение скважин с горизонтальным вхождением ствола в продуктивный пласт можно осуществля т ькак при бурении вертикальных, так и наклонно направленных скважин. Поэтому при построении профиля «скважины с горизонтальным участком в продуктивном пласте используется методический подход, аналогичный для построения профиля наклонно направленных скважин с некоторыми отличительными особенностями. Построение, профиля скважины с горизонтальным участком в продуктивном пласте рассмотрим для нефтяных и газовых месторождений, где геологические условия залегания пород по разрезу не вызывают интенсивного искривления ствола скважины, т.е. для месторождений платформенного типа.. Основные термины и определения Горизонтальной называется скважина, для которой проектом предусматривается отклонение ее ствола от вертикали - зенитный угол а более 80 и ствол скважины проводится по заранее заданному направлению. Наклонно направленной или наклонной называется скважина, забой которой имеет отклонение в заданном направлении от вертикали, проходящей через ее устье. Горизонтальная скважина характеризуется обшей длиной ствола (L), глубиной по вертикали (Н), величиной и направлением (азимутом р ) отклонения забоя от вертикали до продуктивного пласта, длинной и конфигурацией оси горизон тального участка ствола скважины в продуктивном пласте (А ). Пространственное положение скважины определяется тремя текущими па рамс-грамм: глубиной L, зенитным углом а, «амутяпьиым углом у или координатами Z * И, X в У. Глубина скважины по стволу (L ) - расстояние от устья О д о забоя С по оси скважины или любой точки измерения углов (рас. l.o BCi). Ось горизонтальной скважины (рис. 1, кривая 2) в общем случае представляет собой пространственную кривую. Каждая точка оси скважины определяется ее текущими координатами относительно устья, зенитным, азимутальным углами и интенсивностью искривления. Глубина скважины по вертикали Н - расстояние ОА от устья О до горизонтальной плоскости, проходящей через забой скважины. '4 1 - горизонтальная плоскость; 2 - ось скважины; 3 СКВажины. - проекция оси скважины на горизонтальную плоскость, проходящую через ее устье - общее горизонтальное отклонение ствола скважины от вертикали; 4 - Вертикаль; 5 - направление начала отсчета; 6 - направление проводки скважины; 7 - вертикальная плоскость 5 Зенитный угол d расположен между касательной к оси ствола и вертикалью, проведенной через рассматриваемую точку. Азимутальный угол или азимут скважины р - это угол между апсидальной и меридиональной плоскостями. Азимутальный угол исчисляется в горизонтальной плоскости от направления на север до направления горизонтальной проекции касательной к оси скважины по ходу часовой стрелки. Апсидальной называется вертикальная плоскость, проходящая через касательную к оси ствола скважины. Профиль скважины (ОВС) - проекция оси скважины на вертикальную плоскость 7, проходящую через ее устье и забой. План скважины (OCi) - проекция оси скважины на горизонтальную плоскость 1, проходящую через ее устье. Отклонение забоя от вертикали (АВС) - расстояние от забоя скважины до вертикали, проходящий через устье скважины. Конфигурация оси скважины в любой точке характеризуется радиусом интенсивности искривления. Возьмем две точки, расположенные на оси скважины выше и ниже условной точки на бесконечно малом расстоянии. Отрезок оси между указанными точками можно принять за дугу окружности, радиус которой является радиусом кривизны в условной точке. Плоскость, в которой располагается окружность, называется плоскостью искривления. Изменение параметров траектории ствола зависит от взаимного положения плоскости искривления и апсидальной плоскости. Если они совпадают, то происходит увеличение или уменьшение зенитного угла при постоянном азимуте. Если плоскости перпендикулярны, то изменяется азимут при постоянном зенитном угле. Отрезок осн скважины между двумя точками, расположениями на расстоянии друг от друга характеризуется следующими параметрами: средний зенитный угол с / с/0, град: зенитное искривление - изменение зенитного угла между двумя точками замеров А с(= о(г - ос,, град; горизонтальная проекция ствола ACt=A f ^, м; вертикальная проекция ствола = А Cjrfdcf, м; азимутальное искривление - изменение азимута скважины на участке между двумя точками замеров Д У /,град; средний азимут у ~ гра^; 6 обшин или пространственный угол искривления за интервал (в плоскости искривления) - угол между' двумя касательными, проведенными к оси ствола в точке замера, лежащими в плоскости искривления скважины., град. Интенсивность искривления - величина, характеризующая степень искривления ствола и равная отношению приращения угла искривления к расстоянию между точками замеров по оси скважины. В практике используют понятие интенсивности искривления ствола на 1,10м (в интервале работы с отклонителем) или на 100м, измеряемой в градусах и определяемой соответственно: Радиус искривления - величина, обратная интенсивности искривления о _ ajl Р _ 5 7,3 А ~ ^ Q или Л :, м. Интенсивность искривления ствола скважины к - величина, обратная радиусу искривления Для прямолинейных участков ствола скважины К ^ О j R о= При бурении скважин с горизонтальным вхождением ствола в продуктивный пласт условно различают большой, средний и малый радиус искривления. Большой радиус искривления характеризуется интенсивностью искривления 0,5-2 градуса на 10 м и изменяется от 300 до 900 м (рис. 2). Большой радиус искривления в основном используется при вскрытии продуктивных пластов большой толщины в глубоких скважинах. Протяженность горизонтального участка ствола скважины м и более. Интенсивность искривления для среднего радиуса искривления на участке набора зенитного утла составляет 2,5-6 градусов на 10 м. З н а ч ен и я среднего радиуса искривления м (рис. 2). Большая часть горизонтальных скважин 7 ( 70%) пробурена средним радиусом искривления. Горизонтальный участок ствола скважины м. Малый радиус искривления м с интенсивностью набора зенитного угла градусов на 1 м используют при вскрытии пластов небольшой толщины ~2 м в сравнительно неглубоких скважинах. Протяженность горизонтального участка ствола составляет м (рис.2). Рис.2. Схемы горизонтальных скважин с большим ( 300 м), средним ( м) и малым (6-12 м) радиусом искривления. Некоторые особенности проектирования профилей скважин с горизонтальный участком в продуктивном пласте Исходными данными для проектирования профиля горизонтальной скважины являются: - глубина кровли и подошвы продуктивного пласта; - толщина продуктивного пласта и ее изменение по простиранию: - горизонтальное смешение скважины при вхождении в продуктивный пласт (место вхождения в продуктивный пласт); - направление (азимут), зона допустимых отклонений и протяженность горизонтального ствола; - наличие зоны неустойчивых пород над продуктивным пластом; - способы эксплуатации горизонтальной скважины; - конструкция скважины и способ закаячивалия (цементирование горизонтального стволашспользованне фильтра или открытый забой , когда горизонтальный ствол не обсаживается). В горизонтальном бурении эксплуатационные объекты обычно характеризуются тремя измерениями.большое значение имеет детальное представление о геологических параметр ах, влияющих на ориентацию горизонтального участка ствола скважины.требуется тщательно проанализировать степень вероятности совпадения геологической модели с реальными условиями бурения [5, 6]. Если на месторождении достоверно не установлены глубины кровли и подошвы продуктивного пласта, то вначале с этой целью бурится вертикальная скважина - дублер. Профили горизонтальных скважин должны обеспечить максимальное пересечение продуктивных пропластков. В зависимости от геологического разреза месторождения, характеристики продуктивного пласта, состояния техники и технологии бурения может быть выбран тот или иной профиль горизонтальной скважины. На рис.3 приведены профили скважин с горизонтальным вхождением ствола в продуктивный пласт. Профиль должен обеспечивать эффективность и качество проводки горизонтальных скважин, а также должен быть технически выполним при наличии специального бурового инструмента и оборудования [7]. Выбранный профиль горизонтальной скважины должен обеспечивать сво-. бедное прохождение по стволу бурильного инструмента, геофизической аппаратуры и обсадной колонны. Параметры профиля горизонтальной скважины рассчитываются во взаимосвязи с параметрами конструкции осважины.прн этом учитываются требования заказчика к способам эксплуатации скважин, глубине установки ЭЦН, селективной изоляции объектов и др. Выполняется одно из важнейших условий безаварийной проводки горизонтальной скважины - минимизация длины открытого ствола в интервале от башмака последней промежуточной колонны до забоя скважины [8]. 9 PmcJ. Профили скважин с горизонтальным участком в продуктивном пласте. а -! тип - бурение вертикальной скважины с последующим нообходимьоа набором крив hi иы перед вхождением в продуктивный пласт (профили!, 23); б - 2 тип - бурение наклонно направленной скважины с определенным смещением забоя до всхрьггия продуктивного пласта (профили 4,5); в - 3 тип - бурение вертикальной или наклонно направленной ' скважины с определенным смещением забоя до вскрытая продуктивного пласта с последующим вскрытием пласта по всей толщине пологонакпокным гор.помтальным стволом под постоянным'углом 88 а 82 ; (профиль 5, возможны профили 1-3,4); г - 4 тип - то же самое, что к в третьем типе, но при вскры- ' таи продуктивного пласта набирается зенитный угол более Э0?н под таким углом вскрывается пласт (профиль 7, возможны профили 1,3,4,5); / д д - 5 тип - бурение вертикальной или наклонно направленной скважины с определенным смещением забоя до вскрытая продуктивного пласта с волнообразным участком горизонтального ствола в пласте (профиль 8, возможны профили 1-3,4). 10 Проектирование профиля наклонно направленной скважины с горизонтальным у частком в продуктивном пласте (2 тип профиля ГС рис.4) [9,14] Для удобства расчета профиля искривленный участок ствола скважины разделен на две части - первую и вторую. В первую часть входит длина ствола от начала забуривания наклонного ствола до кровли продуктивного пласга, Во вторую часть - длина ствола от кровли пласта до проектной глубины скважины, включая горизонтальную часть ствола. Расчет начинается с параметров профиля второй части, затем первой, т.е. расчет ведется снизу вверх. Нумерация участков профиля дается сверху вниз, в порядке углубления скважины (рис.4). Расчет второй части профиля ГС 1. Определяется значение зенитного угла ствола у кровли продуктивного пласта а«р, т.е. значение зенитного угла вхождения ствола в продуктивный пласт, по формуле: ( 1.1) где я, - радиус искривления ствола скважины в интервале бурения от кровли до середины продуктивного пласта (середина продуктивного пласта принята для упрощения расчета). fa - вертикальная проекция наклонного ствола от кровли продуктивного пласта до перехода в горизонтальный ствол. В принятом условии, вертикальная проекция Пч равна половине толщины пласта. Величиной Rj либо задаются и по ней определяют необходимые параметры отклоняющей компоновки (геометрические размеры, утол перекоса отклонителя), либо по известным параметрам компоновки, определяют R3. При выборе значения R3, равного интенсивности набора зенитного утла, например, 4 на 10 м, что обеспечивается стандартно выпускаемыми промышленностью турбинными отклонителями, величина его определяется по формуле и Рис.4. Профиль наклонно направленной скважины с горизонтальным участком в продуктивном пласте (2 тип профиля ГС). 2. Определяются параметры профиля наклонной скважины в интервале бурения ствола от кровли продуктивного пласта до перехода его в горизонтальный ствол. Зенитный угол увеличивается до 90, т.е. а = 90. Длина ствола ч на этом участке определяется по формуле & f o * ) - О, 0174&Rj ). ( 1-2) 12 Отклонение ствола от вертикали (горизонтальная проекция участка ствола скважины от кровли пласта до набора зенитного угла до 90 ) определяется по формуле: (1.3) Вертикальная проекция участка ствола скважины от кровли пласта до набора зенитного угла до 90 принята равной половине толщины продуктивного пласта, т.е.;. /?у Q/S ь л, 3. Расчет параметров первой части профиля наклонно направленной скважины с горизонтальным участком в продуктивном пласте. Рассмотрим вариант трехколонной конструкции скважины (рис.4). Согласно требованиям безаварийной проводки горизонтальных скважин должно быть соблюдено условие минимизации длины ствола в интервале от башмака последней промежуточной колонны до забоя скважины. Величина зенитного угла у башмака промежуточной колонны определяется по формуле: (1.4) где R2 - радиус искривления на участке от башмака промежуточной колонны до кровли продуктивного пласта; h'j - вертикальная проекция наклонного участка ствола скважины от башмака промежуточной колонны до кровли продуктивного пласта. Величиной R.2 либо задаются и по ней определяют необходимые параметры отклоняющей компоновки, либо по известным параметрам компоновки определяют R2. Зачастую, по технологическим соображениям, чтобы не менять КНБК, значение R2 принимают равным R j, если позволяют геологические условия. Величина Ь з также выбирается, исходя из геологических условий в зависимости от характеристики пород, слагающих разрез в этом интервале. По технологическим соображениям часть ствола ниже башмака промежуточной колонны бурится прямой компоновкой перед тем как используется компоновка с отклонителем для набора кривизны от а«до а«р. Обычно участок ниже башмака колонны принимают равным 5 м. 13 Затем определяется длина ствола скважины от башмака промежуточной колонны до кровли продуктивного пласта - ^ (рис. 4). (1.5) Отклонение ствола от вертикали на этом участке или его горизонтальная проекция определяется по формуле: ( 1.6) Так как проектное отклонение у кровли продуктивного пласта дается в условии, то с учетом отклонения наклонного ствола на интервале стабилизации зенитного угла ( Uz) и от точки забуривания до башмака промежуточной колонны остается отклонить ствол скважины на Gf + 2Z А - Для этого потребуется набрать зенитный угол до величины a i = а б и его стабилизировать. Если эти операции приходятся на интервале проходки скважины под спуск промежуточной колонны, то на участке набора зенитного угла интенсивность искривления ограничена требованиями РД [4], а также прочностью и проходимостью колонны по стволу. Исходя из этих условий, выбирается интенсивность P - S 7. 3 искривления и определяется радиус искривления, л.---- у ч Затем определяются параметры профиля на участке набора зенитного угла (рис. 4) по уравнению: (1.7) его стабилизации; Ry- радиус искривления в интервале набора зенитного угла выбирается, исходя из требований РД [4]; а: - угол стабилизации зенитного угла, а\ = cte ( 1.8) где h, - вертикальная проекция ствола скважины на интервале набора зенитного угла. (1-9) 14 где Й'у - горизонтальная проекция ствола скважины на интервале набора зенитного угла (отклонение ствола от вертикали на интервале набора зенитного угла.) Параметры профиля на участке стабилизации зенитного угла находятся по формулам: ( 1. 10) где Ctz - отклонение наклонного ствола от вертикали на интервале стабилизапии зенитного угла, ( 1.11) где L - длина ствола скважины на интервале стабилизации. ( 1-12) где Ьг - вертикальная проекция наклонного ствола на интервале стабилизации зенитного угла. Затем определяется длина вертикального участка ствола наклонной скважины (глубина первоначального искривления ствола скважины) ho из условия: j. (1-13) Определяется глубина скважины по ствол}':, ^л4) где L - глубина скважины по стволу; Ап- длина горизонтального ствола. Общее отклонение ствола от вертикали с учетом протяженности горизонтального ствола составит: do/ty А + Clv У А г f (1.15) где А - отклонение наклонно направленного ствола от вертикали. По изложенной методике проектирования профиля легко произвести расчет профиля любого типа горизонтальной скважины. Например, если скважина вертикальная с горизонтальным окончанием ствола (тип профиля ГС - 1), то после нахождения а р(угол вхождения наклонного ствола в продуктивный пласт) с учетом данных конструкции и конкретных геолого-технологических условий бурения принимается решение об интервале стабилизации зенитного угла. Если интервата стабилизации зенитного угла не будет, то выше кровли продуктивного 15 пласта будет находиться участок набора зенитного угла от нуля до значения, равного xkpt При этом радиус искривления может быть равным, а также больше или меньше, чем R на переходном участке от а*рдо а г. Получается четырехинтервальный профиль, включающий вертикальный участок максимально возможной длины, первый и второй участки набора зенитного угла и интервал горизонтального ствола. Проектирование'профиля горизонтальной скважины с переменным радиусом искривления (1 тип профиля) [ 10] Рассмотрим случай, когда скважина вертикальная с горизонтальным вхождением в продуктивный пласт. Расчет профиля ведется сверху вниз. Исходя из геолого-технологических условий, определяется глубина первоначального искривления ствола скважины (ho), точка зарезки1' (рис. 5). Выбираются интервал набора зенитного угла h, и радиус искривления R(. При этом учитывается, чтобы величина зенитного угла была 9, что обеспечивает достаточно точное ориентирование отклонителя и управление процессом искривления с помощью специальных компоновок, телесистемы и т.д. В интервале АВ (рис. 5), на глубине забоя в точке В зенитный угол должен быть равен а, у 9.Вначале определяется длина ствола на участке набора зенитного угла 4 = 0,0 m s Л, oi,. :* (2.1) Затем уточняется вертикальная проекция ствола интервала набора зенит ного угла. h,~ R, SznoCt. (2.2) Отклонение ствола от вертикали Qf равно a,= R, ( i - c n d, ). (23) Далее определяется интервал интенсивного набора зенитного угла (рис. 5, В(С,Ц ). Этот интервал разделен на два участка; - участок интенсивного набора зенитного угла (В fa ) от точки зарезки (В,) до кровли продуктивного пласта (С;); - и от кровли продуктивного пласта (С,) до набора зенитного угла 90 (D)), т.е. начала горизонтального ствола. 16 искривления Рис. 5. Профиль горизонтальной скважины с переменным радиусом Вначале определяется участок по вертикали (BC=ha) от точки зарезки интенсивного набора зенитного угла до кровли продуктивного пласта Выразим также h г через радиус искривления ствола скважины: (2.4) (2.5) Выбираем радиус искривления ствола скважины R, на этом интервале, исходя из геолого-технических условий бурения скважины. Это соответствует значению С1Синтенсивности искривления ствола скважины. Величина зенитного угла ствола у кровли продуктивного пласта может быть определена из уравнения (2.5): (2.6) Длина ствола скважины на этом участке ВуС ~ Cz определяется как L ~ 0, '^ R*, (2.7) Отклонение ствола от вертикали ^находится из выражения: 17. az = f? J с а ^ 1 - & * * *? ) ( 2-8) Глубина ствола скважины до кровли пласта. * (2.9) Отклонение ствола от вертикали на глубине кровли продуктивного пласта А= + (но) Рассмотрим второй участок интенсивного набора зенитного угла C,D,, т.е. от кровли продуктивного пласта С, до начала горизонтального ствола D/. Обычно величина h 5 -
