Развитие теории управления искривлением скважин при бурении

Актуальность работы.

Проблема предупреждения, ограничения, а затем и в целом управления искривлением скважин берет свое начало с момента получения первых сведений о наличии самопроизвольных отклонений скважин от вертикального направления еще в конце 19 века. Из исторических данных, приведенных, например, в книгах [33,36,55] следует, что в отечественной технической литературе первые описания результатов измерения угла наклона буровой скважины были даны горными инженерами А. К. Болдыревым, Л. И, Волковым. В 1916 году.

И.С. Васильев впервые предложил объяснения причин и негативных последствий отклонения скважин от вертикали. Наиболее интенсивно изучением искривления скважин в СССР стали заниматься с 1929 года. Примерно к этому периоду относятся работы Б. И. Воздвиженского, А. Н. Динника, М. А. Жданова, К. П. Калицкого, М. А. Капелюшникова, Л. С. Лейбензона, М. Г. Танасевича, Ф. А. Шамшева, Н. О. Якоби и других.

В их исследованиях приводятся геологические и технические причины искривления скважин, способы его предупреждения, разрабатываются методы инклинометрии скважин.

Одновременно появляется и получает развитие наклонно направленное бурение, которое впервые предложил использовать инженер П. Н. Потоцкий на месторождении Бибиэйбат еще в 1906 году. Первые наклонно направленные скважины бурились на поднадвиговые отложения в Грозном роторным способом с применением уипстоков в 1934 году и турбинным способом (с использованием кривой трубы) в Баку в 1935 году. В развитие теории и практики этого нового вида бурения, управления искривлением скважин с того времени до наших дней большая роль принадлежит A.C. Бронзову, Ю. С. Васильеву, М. А. Гейману, В. И. Григорьеву, М. П. Гулизаде, М. Т. Гусману, P.A. Ионеннесяну, H.A. Кулигину, К. И. Лошкареву, И. М. Мурадову, В. А. Петросяну,.

A.C. Сквирскому, Э. И. Тагиеву, Н. С. Тимофееву, А. Н. Шаньгину, К. Б. Шахбазбекову, А. И. Шахназарову, Г. А. Шетлеру, П. П. Шумилову и многим другим.

Начиная с 40″ х — 50 х годов в СССР и за рубежом появляется множество работ, посвященных предупреждению и ограничению естественного искривления скважин, его прогнозированию, актуальность которых возрастала в связи с увеличением глубин бурения в геологических условиях, способствующих интенсивному искривлению скважин (Грозный, Баку, Дагестан, Краснодарский и Ставропольский края, Западная Украина и другие районы страны и мира). Решением этих задач успешно занимались P.P. Алишанян, С. И. Антаманов, П. В. Балицкий, В. О. Белоруссов, М. П. Гулизаде, В. И. Григорьев, М. Г. Давлетбаев, Н. Ф. Кагарманов, Мавлютова М. Р., С. А. Оганов, Н. Г. Середа, H.A. Сидоров, JI.E. Симонянц, A.C. Станишевский, Н. С. Тимофеев, B.C. Федоров, А. Н. Шаньгин, Г. С. Юзбашев и, в США, Дж. Бернгард, Р. Хоч, А. Лубинский, Г. Вудс, Дж. Уилсон и другие. Большое внимание исследованию причин (особенно геологических) отклонения скважин от первоначального направления в названное, и в последующее время уделялось в колонковом бурении Ю. Л. Боярко,.

B.П. Зиненко, А. Г. Калининым, А. Е. Колесниковым, Н. Я. Мелентьевым, Ю. Т. Морозовым, С. С. Сулакшиным и многими другими.

В трудах перечисленных ученых и производственников заложены основы теории искривления скважин, на которых в той или иной мере базируются современные представления о закономерностях формирования траектории поступательного перемещения долота при бурении, практика проводки скважин в условиях, когда необходимо управление их искривлением.

Новый импульс в развитии этих представлений дало увеличение объемов бурения наклонно направленных скважин в Баку, Куйбышеве, Татарии, Башкирии, Западной Сибири, Коми, на Сахалине и других регионах, проводка сверхглубоких скважин на Северном Кавказе и, наконец, наблюдаемый сейчас всплеск активности в строительстве горизонтальных скважин. Появляются новые технические средства наклонно направленного и вертикального бурения (турбинные отклонители, эксцентрические упругие ниппели, короткие турбобуры и винтовые двигатели, «гибкие» звенья (элементы), валолопастные отклонители для роторного бурения, устройства для ориентирования отклонителя, забойные телеметрические системы, квадратные, треугольные, спиральные УБТ, несбалансированные УБТ, сверхтяжелые УБТ на основе вольфрамовых и урановых сплавов, эксцентрические переводники, наддолотные стабилизирующие устройства, шарнирные компоновки и др.). Одновременно, большое внимание уделяется теоретическим аспектам управления искривлением и, в частности, методам расчета КНБК, созданию математических моделей, позволяющих прогнозировать кривизну, зенитный и азимутальный углы скважины, разрабатываются различные методы интерпретации инклинометрических данных, моделирования поверхностей пластов, изучается взаимодействие вооружения долот с анизотропными породами и т. д. Этот этап развития науки и техники бурения связан с именами Александрова М. М., Аветисова А. Г., Беляева В. М., Буслаева В. Ф., Вадецкого Ю. В., Гайсина P.M., Гержберга Ю. М., Григоряна H.A., Гулизаде М. П., Григулецкого В. Г., ДородноваИ.П., Зарипова Г. Г., Зельмановича Г. М., Исаченко В. Х., Ишемгужина Е. И., Калинина А. Г., Каплуна В. А., Кривошеева В. В., Крылова В. И., Куксова А. К., Кулиева С. М., Мамедбекова O.K., Маркова O.A., Мелик — Шахназарова A.M., Мельничука И. П., Никитина Б. А., Оганова A.C., Повалихина A.C., Поташникова В. Д., Попова А. Н., Райхерта JLA., Рукавицына В. Н.,.

Сарояна А.Е., Семака Г. Г., Середы Н. Г., Ситдыкова Г. А., Солодкого K.M., Спивака А. И., Султанова Б. З., Сушона Л. Я., Федорова А. Ф., Эпштейна Е. Ф., Яремейчука P.C., Юнина Е. К., Ясашина A.M., Брауна И., Калласа Н., Макламора Р., Миллхейма К., Тутэна П., Уолкера Б. и многих других.

Несмотря на очевидные успехи в области бурения вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин целый ряд важных проблем прогнозирования и управления их искривлением до настоящего времени не решен. Нуждаются в дальнейшем изучении причины изменения направления поступательного движения долота в зенитной и азимутальной плоскостях с учетом силового взаимодействия вооружения долот разных типов с анизотропной породой на забое, величин опрокидывающего момента на долоте и «геологических» сил. В свою очередь, это предопределяет необходимость разработки достаточно простых в реализации и точных аналитических методов навигации забоя и оси скважины в трехмерном геологическом пространстве, т. е. определения взаимного положения бурящейся скважины и пласта. Повышение эффективности управления величинами действующих на долото в зенитном и азимутальном направлениях поперечных сил, особенно при бурении неориентируемыми КНБК, требует решение задач функционирования (расчета) компоновок в трехмерной системе координат в том числе, с учетом фрикционных сил, динамики вращения труб, действия опрокидывающих моментов, поиска дополнительных технологических и новых технических средств регулирования поперечных сил на долоте. Наконец, главными нерешенными проблемами бурения условно вертикальных и наклонно направленных скважин остаются прогнозирование и управление их зенитным и азимутальным искривлением. Важными и требующими некоторых уточнений и совершенствования, составными частями технологии проводки естественно искривленных, наклонно направленных и, особенно, горизонтальных скважин являются выбор необходимой и достаточной для бурения длины УБТ в КНБК, методы расчета (при планировании и проведении технологических операций) сил сопротивления, возникающих при движении бурильного инструмента в скважине. Представляется очевидным, что решение перечисленных проблем, являющееся дальнейшим развитием теории управления искривлением скважин при бурении, имеет большое научное и практическое значение и будет выражаться в повышении скоростей и качества строительства скважин, снижении их стоимости.

Поскольку предлагаемая диссертационная работа и посвящена решению названных выше проблем, ее тема является актуальной и перспективной.

Целью работы является повышение надежности прогнозирования и эффективности управления зенитным и азимутальным искривлением скважин за счет уточнения закономерностей процесса формирования траектории поступательного движения долота при бурении, комплексного учета геологических, технико — технологических факторов, количественно определяющих характер этого процесса, разработки соответствующих алгоритмов расчетов, создания и внедрения новых технических средств, обеспечивающих дополнительные возможности в управлении искривлением скважин.

Основные задачи работы,.

Сформулированная цель работы достигается решением следующих основных задач:

1). Изучение взаимодействия вооружения долот с анизотропной горной породой на забое и выявление количественного влияния анизотропии пород, параметров режима бурения, типоразмера долота на угол его мгновенного перемещения, результирующие поперечные силы на долоте (в зенитной и азимутальной плоскостях искривления), величины «геологических» сил и опрокидывающего момента.

2). Создание и практическая реализация алгоритмов определения взаимного положения скважины и пласта (навигации забоя и оси скважины в трехмерном геологическом пространстве) на основе выбора достаточно простого и точного метода расчета фактических координат точек на оси скважинывыбора не требующего длительной предварительной подготовки к использованию метода объемного моделирования поверхностей пластов в окрестности бурящейся скважиныполучение расчетных зависимостей для вычисления углов и азимутов восстания пласта в точке нахождения забоя и в любой другой точке на кровле, подошве или внутри пласта.

3). Изучение возможностей и разработка методов управления поперечными силами, действующими на долото в зенитном и азимутальном направлениях путем решения задач функционирования (расчета) КНБК в трехмерной системе координат с учетом фрикционных сил, опрокидывающих моментов на долоте, в том числе в динамической постановкепоиск технологических и новых технических средств регулирования поперечных сил на долоте, практическая реализация полученных решений.

4). Создание алгоритма прогнозирования искривления скважин в трехмерной системе координат и разработка методов управления их зенитной и азимутальной кривизнами и углами.

5). Получение расчетных формул для выбора необходимой и достаточной для бурения искривленных скважин длины УБТ в КНБК, составление алгоритма и программы расчета сил сопротивления, возникающих при движении бурильного инструмента в скважине.

Методика исследований.

Методика проводимых в настоящей диссертации исследований использует анализ и обобщение имеющихся промысловых, лабораторных и теоретических данных о закономерностях искривления скважин, процессов взаимодействия вооружения долота с анизотропной породой (образцами породы) при бурении, способов определения геометрий оси скважины и поверхностей пластов, расчетных схем КНБК, принципов прогнозирования искривления скважин, рекомендаций по определению длины УБТ в КНБК и сил сопротивления движению бурильного инструмента в скважине и состоит в собственных промысловых и аналитических исследованиях в ходе решения задач, реализующих выполнение поставленной цели, с использованием методов теоретической механики, теории упругости, теории сплайн — аппроксимаций, методов геостатистики и статистики, дифференциальной геометрии, дифференциального и вариационного исчислений, моделирования на ЭВМ и др.

Научная новизна.

В процессе выполнения работы получены следующие новые научные результаты:

1). Впервые, систематически, по промысловым данным, для нескольких площадей бурения, вычислены числовые величины коэффициента боковой фрезерующей способности шарошечных долот и индекса анизотропии пород, необходимых при прогнозировании искривления скважинпоказана область применения метода Г. Вудса и А. Лубинского учета анизотропии пород — если эпюра скоростей разрушения под разными углами к напластованию в полярных координатах имеет форму эллипса (эллипсоида вращения).

2). В новой постановке изучено взаимодействие вооружения долот разных типов с анизотропной породой на забое и получены аналитические зависимости для вычисления возникающих при этом как статических, так и динамических «геологических» сил и опрокидывающих моментов, определены необходимость и способ учета опрокидывающих моментов на долоте при расчетах КНБКуточнены зависимости для определения углов мгновенного перемещения долота в зенитной и азимутальной плоскостях с учетом его типа и коэффициента боковой фрезерующей способности, на основе которых показана взаимосвязь зенитного и азимутального искривления скважины.

3). Создан геолого — технологический комплекс алгоритмов расчетов координат оси скважины в любой ее точке, моделирования формы поверхностей кровли и подошвы пластов в окрестности бурящейся скважины, вычисления угловых и линейных параметров, характеризующих взаимное положение скважины и пластов (в том числе, углы встречи скважины с нормалью к пласту).

4). Сформулированы условия, при которых возникающие на долоте за счет вращения КНБК динамические силы могут непосредственно и ощутимо влиять на траекторию поступательного движения долота и показана первостепенная роль в формировании этой траектории статических поперечных сил на долоте.

5). Сделано предположение о возможности изменения величины статических поперечных сил на долоте за счет динамических эффектов вращения компоновки, для реализации которого на уровне изобретения предложены УБТ с неравными главными осевыми моментами инерции площади их поперечного сечения (УБТЭ, буква Э означает «эллиптические» — одна из возможных форм поперечного сечения труб) — разработаны и приведены их технические характеристики.

6). Впервые проведено аналитическое изучение функционирования КНБК с УБТЭ в трехмерной системе координатполучены и решены новые дифференциальные уравнения их изгибных колебаний из которых, как частные случаи, следуют известные уравнения изгиба обычных, круглых УЬТ (забойных двигателей) как в искривленном, так и в вертикальном стволах скважиныобоснованы и сформулированы граничные условия при расчете КНБК в трехмерной системе координат с учетом опрокидывающих моментов на долоте, наката элементов компоновки на стенки скважины для неориентируемых и ориентируемых КНБК с отклонителемдля определения угла наката даны как точные, так и приближенные формулы.

7). На основе полученных уравнений результирующих поперечных сил на долоте («геологических» и обусловленных КНБК), разработаны практически реализуемые способы управления этими силами с целью обеспечения требуемого направления поступательного движения долота.

8). Проведен численный анализ поведения КНБК с УБТЭ и выявлены особые режимы их работы — когда за счет определенного сочетания длины УБТЭ, осевой нагрузки на долото и частоты его вращения резко, но известным образом, изменяются величины статических поперечных сил на долоте в зенитном и азимутальном направленияхэтот режим можно назвать режимом динамического изменения статических поперечных сил на долотеприведен числовой пример возможностей такого режима.

9). Составлены уравнения процесса формирования траектории поступательного движения долота при бурении и предложено общее решение задачи прогнозирования и управления зенитным и азимутальным искривлением скважины, в том числе с учетом опрокидывающих моментов на долоте, произвольной формы оси «старого» ствола, «копировального» эффекта и разработан соответствующий алгоритм расчетас помощью составленной программы на ЭВМ проведены численные эксперименты по моделированию искривления скважин при различных вариантах геологических условий, типах КНБК, параметрах режима бурения. Обоснована возможность решения обратной задачи — определение входящих в уравнения эмпирических величин по фактическим данным об искривлении скважин.

10). Выявлены ограничения на возможность практического применения (особенно в наклонно направленном бурении) официально существующих требований и рекомендаций по выбору длины УБТ для создания необходимой осевой нагрузки на долото при бурении и предложен способ устранения этих ограничений.

11). На основе решения дифференциального уравнения продольно поперечного изгиба бурильных труб в искривленной скважине (у которой, в том числе, кривизна не равна нулю) впервые определены критические осевые нагрузки, ниже которых трубы сохраняют обусловленную криволинейной формой оси скважины форму своей устойчивостипредложена формула для определения длины УБТ, достаточной для создания требуемой осевой нагрузки на долото при бурении с обеспечением безопасных условий работы сжатой нижней части колонны бурильных труб.

Основные защищаемые положения.

Полученные в работе новые результаты позволяют защищать следующие основные положения диссертации:

1). Коэффициенты, учитывающие влияние на траекторию поступательного перемещения долота его типоразмера и анизотропии породы (коэффициент боковой фрезерующей способности долота, буровой индекс анизотропии) необходимо и практически можно определять по промысловым данным об искривлении скважин.

2). При бурении на забое скважины возникают статические и динамические «геологические» силы и опрокидывающие моменты сил взаимодействия вооружения долота с анизотропной породой, величины которых зависят от типа и диаметра долота, твердости и степени анизотропии породы, осевой нагрузки на долото и частоты его вращенияэти силы и моменты сил нужно рассчитывать по предложенным нами формулам и их статические составляющие следует учитывать при решении задач управления искривлением скважин.

3). В основу прогнозирования и управления искривлением скважин должны быть положены уточненные нами зависимости для определения углов мгновенного перемещения долота в зенитной и азимутальной плоскостях (или, что-то же самое, уравнения результирующих статических поперечных сил на долоте).

4). Алгоритмы прогнозирования и управления искривлением скважин должны включать в себя созданный нами геологотехнологический комплекс алгоритмов вычисления угловых и линейных параметров, характеризующих взаимное положение скважины и пластов в процессе ее углубления.

5). Оказывающие основное влияние на искривление скважины величины статических поперечных сил на долоте можно изменять за счет динамических эффектов вращения компоновкис этой целью необходимо использовать предложенные нами УБТ с неравными главными осевыми моментами инерции площади их поперечного сечения (УБТЭ).

6). Полученные дифференциальные уравнения наиболее полно, из известных, описывают изгибные колебания КНБК в скважине и эти уравнения следует использовать при расчетах КНБК.

7). Задачи прогнозирования зенитного и азимутального искривления скважины нужно решать, имея в виду произвольность формы оси «старого» ствола и наличие «копировального» эффекта.

8). Главным принципом прогнозирования и управления искривлением скважин являются условия равенства нулю углов мгновенного перемещения долота в зенитной и азимутальной плоскостях (или, что-то же самое, равенства нулю в этих плоскостях результирующих статических поперечных сил на долоте — условия баланса сил).

9). При бурении на искривленных участках скважины, достаточная для создания требуемой осевой нагрузки на долото (с обеспечением безопасных условий работы сжатой нижней части колонны бурильных труб) длина УБТ, должна определяться по предложенной нами формуле с учетом понятия о критической нагрузке для бурильных труб в отклоненном от вертикали стволе.

Практические ценность и реализация работы.

В результате проведенных исследований разработаны теоретические положения, являющиеся развитием перспективного вида бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин, которые могут также эффективно использоваться и при бурении условно вертикальных скважин.

Практическая значимость работы характеризуется соответствием направлений исследований составляющих ее частей содержанию научнотехнических программ, в том числе:

— целевой комплексной научно — технической программе на 1981 — 1985 годы О.Ц.005 «Создать и освоить технологические процессы и технические средства для бурения нефтяных и газовых скважин со скоростью, превышающей достигнутую в 2 — 3 раза», утвержденной постановлением ГКНТ при СМ СССР и Госплана СССР № 515/271 от 29.12.1981 г.;

— научно — технической программе 01.Ц.04.01.01. «Разработка природоохранных мероприятий, экологически безвредных технологий и оборудования для освоения газовых и газоконденсатных месторождений полуострова Ямал». Раздел 3. Строительство эксплуатационных скважин, пункты 36, 37. Утверждена первым замминистра Мингазпрома P.M. Вяхиревым 11.01.86 г.;

— программе госбюджетных фундаментально — прикладных НИР по Единому заказ — наряду Министерства общего и профессионального образования РФ на 1994 — 1996 годы «Создание и развитие научных основ геолого — технических решений по разведке месторождений нефти и газа кустами наклонных и горизонтальных скважин» ;

— программе госбюджетных фундаментально — прикладных НИР по Единому заказ — наряду Министерства общего и профессионального образования РФ на 1996 — 2000 годы «Разработка и развитие актуальных вопросов бурения и заканчивания направленных скважин на Севере Европейской части России» .

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1). Результаты приведенных исследований по определению «геологических» сил и моментов, возникающих при взаимодействии вооружения долот различных типов с анизотропной породой на забое рекомендуется использовать для cpaвнe? fflя потенциальных возможностей тех или иных КНБК, проектирования трасс скважин, выбора КНБК и режимов бурения для реализации проектных трасс, для создания алгоритмов прогнозирования и управления искривлением скважин в пространстве.

2). Разработанные алгоритмы расчетов по определению взаимного положения скважины и пласта могут быть реализованы в программном обеспечении технологии проводки вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных скважин для целей управления их искривлением, контроля очередности проходимых пластов, местоположения забоя относительно поверхностей (кровли и подошвы) пласта и др.

3). На уровне изобретения предложены и изготовлены УБТ с неравными главными осевыми моментами инерции площади их поперечного сечения (УБТЭ) — в форме кольца со срезанными сегментамиразработаны и приведены их технические характеристикивыявлена возможность, при бурении с такими трубами, регулируя частоту вращения, управлять величиной боковых статических сил на долотеКНБК с УБТЭ рекомендуется использовать, главным образом, для ограничения искривления скважин.

4). Приведен алгоритм расчета КНБК в пространстве с учетом опрокидывающих моментов на долоте, наката элементов компоновки на стенки скважины для неориентируемых и ориентируемых КНБК с отклонителемэтот алгоритм рекомендуется использовать для совершенствования компоновок любого типа, как при роторном, так и при турбинном способах бурения.

5). Предложены способы управления поперечными силами на долоте с целью обеспечения требуемого направления поступательного движения долота при буренииэти способы рекомендуется использовать при оптимизации параметров КНБК при заданных критерии и условии оптимальности (например, минимум величины угла мгновенного перемещения долота, минимум кривизны скважины).

6). Разработан алгоритм прогнозирования искривления скважины в трехмерной системе координат, на ЭВМ проведено численное моделирование искривления скважины при различных вариантах геологических условий, типах КНБК, параметрах режима бурения, анализ результатов которого позволяет сделать вывод об адекватности предложенного алгоритма прогнозирования реально существующим закономерностям искривления скважин и, поэтому, он рекомендуется к практической реализации в соответствующем программном обеспечении на современных ПЭВМ.

7). Разработан метод определения требуемой длины УБТ при бурении, главным образом, в наклонно направленных и горизонтальных скважинах, который рекомендуется к практическому использованию, поскольку он подтверждается фактически сложившейся промысловой практикой.

8). Предложены алгоритм и программа расчетов на ПЭВМ сил сопротивления движению бурильного инструмента в скважине, позволяющая решать и обратную задачу — определение коэффициента сопротивленияона рекомендуется к широкому практическому применению при проектировании и решении оперативных инженерных задач при бурении скважинпри бурении скважин на Уренгойском ГКМ проведены эксперименты и с использованием программы расчетов определены числовые величины коэффициентов сопротивления, которые нашли применение при проектировании первой на месторождении горизонтальной скважины.

Практическая реализация работы состоит в следующем:

1). Данные по расчету величин бурового индекса анизотропии на Пашнинском месторождении АО «Коминефть» нашли практическое использование при проектировании профилей и бурении трех естественно искривленных скважин на Пашнинском месторождении.

2). Пакет программ для расчетов взаимного положения скважины и проходимых пластов на ПЭВМ использовался при составлении проектно — сметной и технологической документаций в институте «ПечорНИПИнефть», в соответствии с которой осуществлялось бурение 16 скважин (в том числе горизонтальных) на четырех площадях АО «Коминефть» .

3).Методические указания по применению компоновок нижней части бурильной колонны с одним и двумя центраторами, жестких КНБК с эксцентрическим переводником для ограничения искривления скважин и формирования качественных их стволов были утверждены и с положительным эффектом применялись при бурении 19 скважин (общая проходка 30 тыс. метров) в предприятии «Севергазпром» .

4). Утяжеленные бурильные трубы с неравными главными осевыми моментами инерции площади поперечного сечения (УБТЭ) нескольких размеров были изготовлены и прошли промысловые испытания в ПО «Грознефть», при этом удалось значительно уменьшить естественное искривление при бурении 25 скважин (общая проходка 26 тыс. метров) и получить экономический эффект 260 тысяч рублей (в ценах 1982 года).

5). Программа расчета сил сопротивления движению бурильного инструмента в скважине используется ¿-в учебном процессе кафедры бурения Ухтинского индустриального института.

Справки, подтверждающие практическую реализацию работы приведены в приложении.

Кроме того, основные положения настоящих исследований используются автором в лекционных курсах «Технология бурения нефтяных и газовых скважин», «Моделирование буровых процессов» для студентов специальности 90 800 «Бурение нефтяных и газовых скважин» на кафедре бурения Ухтинского индустриального института.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научно — технических конференциях, координационных совещаниях и семинарах по проблемам бурения:

— 2″ я и 3 я Ухтинские научнотехнические конференции молодых ученых и специалистов памяти А. Я. Кремса (г. Ухта, 1980 и 1982 годы);

7″ я отраслевая конференция молодых ученых и специалистов Миннефтепрома (г. Краснодар, 1980 год);

— научно — практическая конференция ЧИ обкома КПСС и Миннефтепрома СССР по проблемам и перспективам развития сверхглубокого бурения (г. Грозный, 1982 год);

— республиканская научно — практическая конференция «Особенности геологического строения, бурения и освоения доюрских отложений Мангышлака» (г. Шевченко, 1982 год);

— краевая научно — техническая конференция, посвященная 60-летию образования СССР (г. Краснодар, 1982 год);

— 19″ я и 20-я научно — технические конференции «Повышение эффективности научно — исследовательских работ и улучшения качества подготовки специалистов» (г. Грозный, 1980 и 1983 годы);

— 3~я Всесоюзная конференция по динамике, прочности и надежности нефтепромыслового оборудования (г. Баку, 1983 год);

— 2-я зональная научно — техническая конференция «Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 1983 год);

— 5″ я научно — практическая конференция (г. Ашхабад, 1985 год);

— научно — практические конференции, посвященные 25-ти и 30-ти летию К.Ф. ВНИИгаза (г. Ухта, 1985 и 1990 годы);

— Всесоюзная конференция «Механика горных пород при бурении» (г. Грозный — п. Агой, 1988 год);

— Международная конференция (г. Краснодар, 1990 год);

— отраслевая конференция «Проблемы развития газодобывающей и газотранспортной систем отрасли и их роль в энергетике СевероЗападного региона России» (г. Ухта, 1995 год);

— региональная научно — практическая конференция «Строительство скважин и охрана окружающей Среды на Севере» (г. Ухта, 1997 год);

Кроме того, некоторые аспекты работы обсуждались на ежегодных отраслевых координационных совещаниях Мингазпрома (концерна «Газпром») в 1984 — 1992 годах.

Публикации.

По теме диссертации опубликованы 42 печатные работы, в том числе 2 монографии и 1 авторское свидетельство на изобретение.

Объем и структура работы.

Диссертация изложена на 301 странице машинописного текста, включает 27 рисунков и 13 таблиц, 6 приложений на 12 страницах.

Работа состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций и списка литературы, включающего 170 наименований.

Автор выражает глубокую признательность своему учителю, ныне покойному доктору технических наук, профессору Михаилу Михайловичу Александрову, искреннюю благодарность ученым и производственникам Ю. Н. Близнюкову, докт. техн. наук, профессору И. Ю. Быкову, докт. техн. наук В. Ф. Буслаеву, канд. техн. наук Ю. М. Гержбергу, докт. техн. наук, профессору В. Г. Григулецкому, В. Н. Кулигину, Е. В. Погорелову и многим другим, сотрудникам кафедры бурения Ухтинского индустриального института за сотрудничество, ценные замечания при обсуждении диссертации и помощь в подготовке работы.

I. Направление поступательного движения долота при бурении в анизотропных горных породах.

В связи с резким ростом стоимости строительства, относительным увеличением числа наклонных и горизонтальных скважин повышенное внимание уделяется уровню технологического обеспечения бурения с использованием компьютерной техники и алгоритмов прогнозирования их текущего искривления с целью управления им на вертикальных, наклонных и горизонтальных участках ствола, в вертикальных скважинах. Создание таких алгоритмов предполагает углубленное изучение количественных связей между параметрами траектории поступательного движения долота при бурении и определяющими их причинами. История развития науки о бурении в последние 30 — 40 лет помнит много попыток создания моделей зенитного и пространственного искривления скважин не только в нефтяной и газовой промышленности, но и в геологоразведке твердых полезных ископаемых. Работами в этой области занимались практически все научно — исследовательские и учебные (соответствующего профиля) институты СССР и Россиипо свидетельству ряда источников интенсивные и дорогостоящие работы проводились и проводятся сейчас в США. Однако, если судить по доступной нам литературе, результаты этих работ еще далеки от полного удовлетворения нужд сегодняшней промысловой практики.

Целью проводимых в данной главе исследований является изучение причин изменения направления поступательного движения долота при бурении и получение аналитических зависимостей угла его мгновенного перемещения в зенитной и азимутальной плоскостях искривления, результирующих поперечных сил на долоте от основных, влияющих на их величину геологических и технико — технологических факторов. Для реализации названной цели предполагается изучение главных, с позиций искривления скважин, аспектов силового взаимодействия вооружения долот с анизотропной породой на забоевыявление количественного влияния анизотропии пород, параметров режима бурения и типоразмера долота на величины «геологических» сил, «опрокидывающего» момента и изменение направления движения долота.

Наблюдения в различных районах мира за проводкой скважин [7,9,14,19,22,30,36,38,53,55,58,65,92,94,122,142,144,167 и др.] показали, что процесс их искривления является результатом сложного взаимодействия двух групп факторов: геологических и технико — технологических. В исследование характера проявления этих факторов внесли большой вклад Александров М. М., Беликов Б. П., Богданов Н. Х., Боярко Ю. А., Буслаев В. Ф., Васильев Ю. С., Гержберг Ю. М., Григорян H.A., Григорьев В. И., Гулизаде М. П., В. Г. Григулецкий, Дороднов И. П., Жсребкин А. И., Зельманович Г. М., Кагарманов Н. Ф., Калинин А. Г., Колесников А. Е., Кривошеев В. В., Кулиев С. М., Латыпов З. К., Лиманов Е. Л., Мамедбеков O.K., Марков O.A., Мелентьев Н. Я., Мельничук И. П., Морозов Ю. Т., Насыров М. Ш., Попов А. Н., Сидоров H.A., Середа Н. Г., Спивак А. И., Станишевский A.C., Сулакшин С. С., Сушон Л. Я., Федоров B.C., Шаньгин А. Н., Дж. Бернгард, И. Браун, Г. Вудс, А. Лубинский, Р. Макламор и многие другие.

Изменения направления поступательного движения долота оцениваются величиной угла его мгновенного перемещения [22] (или отклоняющего фактора [38], или траекторного угла [4]) — т. е. углом между касательной к траектории поступательного движения долота при бурении и касательной к оси скважины на забое. В случае одновременного зенитного и азимутального искривления принимаются во внимание проекции этого угла на соответствующие плоскости искривления скважины (зенитный и азимутальный траекторные углы). Названные углы характеризуют параметры трассы скважины в каждой ее точке и, как будет показано далее, на их вычислении строится алгоритм прогнозирования искривления скважин.