МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Сибирский федеральный университет
НАПРАВЛЕННОЕ БУРЕНИЕ
и основы кернометрии
Учебное пособие
Допущено УМО по образованию в области прикладной геологии в качестве учебного
пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 130203
«Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» направления
подготовки 130200 «Технологии геологической разведки» (протокол №6 заседания учебнометодического
Совета УМО от 18.09.2007 г.)
Красноярск
СФУ
2012
Стр.2
УДК 622.243.2
Рецензенты: Почетный
работник
специалист
А.В. Новобрицкий
Нескоромных В.В.
Н552 Направленное бурение и основы кернометрии: Учебное пособие –
2-е изд., пераб. и доп. / В.В. Нескоромных. – Красноярск : СФУ, 2012. –
328 с.
Рассмотрены основные вопросы теории, техника и технологии
направленного бурения и кернометрии применительно к бурению
геологоразведочных скважин. Приводятся сведения о причинах и
закономерностях искривления скважин, средствах и технологиях бурения
скважин по заданным траекториям, технологиях и технических средствах
искривления
скважин,
бурения
многоствольных
скважин,
отбора
ориентированного керна. Дана методика обоснования экономической
эффективности направленного бурения. Приведены примеры расчетов,
основная терминология.
Учебное пособие предназначено для студентов ВУЗов, обучающихся по
направлению 130200 «Технологии геологической разведки», специальность
130203 «Технология и техника разведка месторождений полезных ископаемых»
(ГОС-2000) и для студентов специальности 130102.65 «Технология
геологической разведки», специализация 130102.65.03 «Технология и техника
разведки месторождений полезных ископаемых» (ФГОС-2010).
Книга будет полезна для аспирантов научного направления 25.00.14 –
«Технология и техника геологоразведочных работ», 25.00.15 – «Технология
бурения и освоения скважин», научных сотрудников и специалистов
производственных организаций, занятых решением технологических задач
бурения скважин.
© В.В. Нескоромных, 2012
© Сибирский федеральный
университет, 2012
высшего
ФГУГП
профессионального
образования РФ, доцент ИрГТУ В.В. Большаков;
главный
«Иркутскгеофизика»
2
Стр.3
ПРЕДИСЛОВИЕ
В процессе бурения все скважины в большей или меньшей степени
искривляются. В ряде случаев искривление скважин не оказывает
существенного влияния на результаты бурения, поэтому фактическое
положение ствола скважины и координаты забоя не определяются. Это
относится к картировочным, инженерно-геологическим, взрывным и др.
скважинам, имеющим незначительную глубину. При бурении глубоких
скважин, особенно на поздних стадиях разведки месторождений, вопросы
проведения скважин по проектным траекториям приобретают очень большое
значение, и для их решения затрачиваются значительные средства.
Если искривление скважин не измеряется и не учитывается, это может
привести к большим погрешностям в оценке перспектив месторождения и
соответственно к значительным экономическим потерям.
В практике геологической отрасли известны случаи, когда результаты
многолетних геологоразведочных работ и выявленные запасы полезных
ископаемых не утверждались из-за значительного искривления разведочных
скважин.
При разведке многих месторождений довольно значительный объем
буровых работ вынужденно не учитывается при подсчете запасов
месторождения из-за отклонения скважин от проектных траекторий и
невыполнения ими, таким образом, геологического задания. В то же время
искривленные скважины сложнее бурить с точки зрения реализации
оптимальных технологий высокопроизводительного бурения, а в ряде случаев
проходку разведочной скважины вынужденно прекращают из-за серьезных
осложнений
связанных с неудовлетворительной реализацией методов
направленного бурения. Основные причины подобных ситуаций -
неквалифицированно выполненные работы по направленному бурению
скважин.
В то же время квалифицированно реализованные методы направленного
бурения и кернометрии способны существенно повысить качество и снизить
затраты на геологоразведочные работы, увеличить многократно эффективность
эксплуатации месторождений углеводородного сырья, решить многие
сложнейшие технические задачи при реализации геотехнологий, прокладке
коммуникаций под природными и техногенными объектами.
Направленное бурение – техническая система бурения скважин,
включающая комплексы методов, технологий, аппаратных и технических
средств, призванная решать проблему бурения скважин в заданном
направлении, часто по определенно-выверенной траектории, а забой
приводить в заданную проектом точку с учетом возможных допустимых
отклонений.
Кернометрия – комплекс методов, технологий, аппаратных и
технических средств, которые призваны получить сведения об элементах
залегания горных пород по специально отобранному керну с меткой
(ориентированный керн), положение которой на керне строго увязано с
3
Стр.4
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ……………………………………………………………………………… 3
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАПРАВЛЕННОМ БУРЕНИИ ………………………… 4
ТЕРМИНОЛОГИЯ …………………………………………………………..
1.1. Задачи, решаемые методами направленного бурения ……………… 4
6
1.2. Сведения об истории развития направленного бурения …………… 6
1.3. Положение стволов скважин в пространстве, понятие об их
искривлении ………………………………………………………….. 11
ТЕРМИНОЛОГИЯ…………………………………………………………..... 16
1.4. Классификация трасс скважин ………………………………………. 17
Контрольные вопросы к главе 1………………………………………………………………. 19
Глава 2. ПРИЧИНЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЕСТЕСТВЕННОГО
ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН …………………………………………………… 19
2.1. Организационно-технические причины искривления скважин
……………………………………………………...................................
2.2.1. Влияние на искривление скважин осевого усилия и
устойчивости буровых компоновок…………………….......................
20
2.2. Технологические причины искривления скважин ………………….. 21
21
2.2.2. Влияние на искривление скважин характера вращения
деформированной буровой компоновки ……………………………... 31
2.2.3. Влияние на искривление скважин типа и конструкции
породоразрушающего инструмента …………………………………. 34
ТЕРМИНОЛОГИЯ………………………………………………………………………………... 41
2.2.4.
2.2.5.
2.2.6.
Механизм искривления скважин при вращательном бурении
……………………………………………………………………………
Влияние технологических факторов на искривление скважин,
буримых ССК …………………………………………………………..
Технологические причины искривления скважин
при ударно-вращательном бурении ………………………………….
42
45
46
2.3. Геологические причины естественного искривления скважин ……. 50
2.3.1. Влияние анизотропии горных пород на процесс искривления
скважин ………………………………………………………………… 51
2.3.1.1.
2.3.1.2.
2.3.1.3.
2.3.2.
2.4.
2.4.1.
2.4.2.
Оценка анизотропии горных пород …………………….. 55
Особенности механики разрушения анизотропных
горных пород…………………………………………….. 62
Особенности формирования стволов скважин в
анизотропных горных породах………………………….. 80
Влияние перемежаемости горных пород по твердости на процесс
искривления скважин …………….........................................................
Закономерности естественного искривления скважин ……………...
Закономерности естественного искривления скважин в
анизотропных горных породах ………………………………………
Оценка перспектив снижения искривления скважин в
анизотропных
горных
экспериментальных
породах
способов
324
при
бурения
(на
термомеханического бурения)…………………………………….....
использовании
примере
92
81
87
88
Стр.325
2.4.4. Закономерности
2.5. Методика
2.4.3. Закономерности естественного искривления в
перемежающихся по твердости горных породах…………………… 93
искривления
скважин....................................................................................................
выявления
закономерностей
горизонтальных
искривления
93
скважин…………………………………………………………………. 95
ТЕРМИНОЛОГИЯ………………………………………………………………………………... 100
Контрольные вопросы к главе 2………………………………………………………………. 100
Глава 3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ
ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИН ……………………………………………………. 101
3.1.
3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3.
Приборы, использующие для определения зенитного угла
скважины
принцип
горизонтального
уровня
жидкости
(апсидоскопы) …………………………………………………………
Инклинометры…………………………………………………………
Инклинометры для одного или нескольких измерений углов,
характеризующих положение скважины в пространстве …………...
Инклинометры, позволяющие многократно производить
измерения зенитного и азимутального углов………………………...
Инклинометры
для
производства
работ
в
условиях,
характеризующихся влиянием магнитного поля …………………….
3.2.4. Приборы, средства и методы инклинометрии в
горизонтальных, восстающих и пологонаклонных скважинах
……………………………………………………
102
103
104
106
109
109
3.2.5. Технические средства контроля над искривлением
ствола в процессе бурения …………………………………………… 111
ТЕРМИНОЛОГИЯ……………………………………………………………………………….. 115
Контрольные вопросы к главе 3……………………………………………………………… 115
Глава 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ ………………… 116
4.1. Технические средства для снижения естественного
искривления скважин …………………................................................. 116
4.1.1. Компоновки для снижения естественного искривления
скважин для бурения с отбором керна……………………………….. 116
ТЕРМИНОЛОГИЯ……………………………………………………………
ТЕРМИНОЛОГИЯ…………………………………………………………...
принципы
4.1.2. Компоновки для алмазного бурения снарядами со съемным
керноприемником……………………………….................................... 132
137
4.1.3. Компоновки для управления направлением
горизонтальных скважин……………………………………………… 137
139
4.1.4. Буровые компоновки для бескернового бурения
шарошечными долотами………………………………….................... 139
4.1.4.1. Основные
применения
буровых
компоновок на основе УБТ для бурения скважин
большого диаметра……………………………………… 139
ТЕРМИНОЛОГИЯ………………………………………………………………………………... 145
4.1.4.2. Буровые компоновки для бурения шарошечными
долотами малых диаметров………………
325
146
Стр.326
4.1.5. Разработка и совершенствование бурового
инструмента………………………………………………….
ТЕРМИНОЛОГИЯ…………………………………………………………...
4.2. Технические
средства
для
развития
естественного
искривления……………………………………………………………. 155
4.3. Технические средства для искусственного искривления
скважин в любом заданном направлении …………………………... 160
4.3.1. Отклонители…………………………………………………………… 160
4.3.1.1.
4.3.1.2.
4.3.1.3.
4.3.1.4.
4.3.1.5.
Стационарные клиновые отклонители……….................
Извлекаемые
(съемные)
клиновые
отклонители…………………………………….
Отклонители непрерывного действия (ОНД)…
170
180
Отклонители непрерывного действия для искривления
скважин с одновременным отбором керна…………….. 201
ТЕРМИНОЛОГИЯ……………………………………....................................................
ОНД на базе забойных двигателей ……………………... 204
211
4.4. Основные факторы, влияющие на точность искривления скважины
отклонителями ………………………………………………………… 213
4.4.1. Основные факторы, влияющие на точность
искривления скважины клиновыми отклонителями ……………… 213
4.4.2. Основные факторы, влияющие на точность
искривления скважины ОНД ……………………………..................
4.5.
4.6.
4.7.
Породоразрушающий инструмент и его возможности при
реализации искривления ОНД………………………...
Технологические снаряды для проработки интервалов
искусственного
Технические
искривления
средства
ориентированного
направлением скважин на неограниченном интервале бурения……
скважин ОНД………………
управления
215
217
Контрольные вопросы к главе 4………………………………………................................
Глава 5. МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ ………………….. 229
220
225
228
5.1. Способы и средства ориентирование отклонителей,
расчет угла установки отклонителя …………………………………. 229
ТЕРМИНОЛОГИЯ ………………………………………………………………………………. 236
5.2. Ориентаторы и приемы работы с ними ……………………………… 237
5.2.1. Ориентаторы механического типа. Самоориентаторы ……………… 237
5.2.2.
5.2.3.
Ориентаторы электро-механического типа…………………………...
Ориентаторы гидро-механического типа………………….
ТЕРМИНОЛОГИЯ……………………………………………………………………...
5.3.
5.4.
326
Основные причины погрешности ориентирования………………….
Выбор параметров и оценка точности искусственного
искривления скважин…………………………………………………..
245
252
256
256
257
162
149
155
Стр.327
5.5.1.
5.5. Определение допустимых значений кривизны ствола
скважины по условиям вписываемости буровых компоновок,
прочности обсадных и бурильных труб………………………………
Анализ вписывамости буровых компоновок в
искривленный ствол скважины………………………………………
5.6.1.
5.6.2.
5.5.2. Определение допустимых значений кривизны ствола скважины по
условиям прочности обсадных и бурильных труб………………….
Способы и технологии забуривания дополнительных стволов…......
Технология постановки искусственного забоя и забуривания с него
дополнительного ствола съемными клиновыми отклонителями…..
Технологии забуривания дополнительных стволов
отклонителями непрерывного действия………………………………
5.6.
5.6.2.1.
5.6.2.2.
5.6.2.3.
5.6.3.
5.7.
5.7.1.
5.7.2.
Анализ процесса забуривания уступа…………………….
ОНД для забуривания дополнительных стволов
скважины с искусственного забоя……………………….
Cовершенствование бурового инструмента для
забуривания дополнительных стволов…………………….
ТЕРМИНОЛОГИЯ……………………………………………………………………................
Забуривание дополнительных стволов скважин
спрямлением ствола в интервале искривления……………………….
Расчет траекторий проектируемых скважин…………………………
Расчет траектории проектируемой наклоннонаправленной
скважины……………………………………………….
Проектирование параметров дополнительных
стволов при многоствольном бурении………………………………
261
261
263
267
270
273
273
277
279
281
281
282
282
287
ТЕРМИНОЛОГИЯ……………………………………………………………………………….. 292
Контрольные вопросы к главе 5……………………………………………………………… 292
Глава 6. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НАПРАВЛЕННОГО
БУРЕНИЯ………………………………………………………………………….
Контрольные вопросы к главе 6……………………………………………………………….
Глава 7. ОСНОВЫ КЕРНОМЕТРИИ………………………………………………………… 303
293
303
7.1. Общие сведения о кернометрии……………………………………… 303
7.2.
7.3.
Технические средства и технологии отбора
ориентированного керна…………………………………....................
Определение элементов залегания горных пород по
ориентированному керну……………………………………………...
ТЕРМИНОЛОГИЯ……………………………………………………………………..
304
311
312
Контрольные вопросы к главе 7…………………………………………………………….. 313
327
Стр.328
Глава 8. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ……………. 313
8.1.
8.2.
Технология бестраншейного строительства подземных
скважин
сложного
профиля
коммуникаций методом горизонтального направленного бурения..
Бурение
различного
назначения……………………………………………………………….
313
317
ТЕРМИНОЛОГИЯ………………………………………………………………………………. 321
Контрольные вопросы к главе 8……………………………………………………………… 321
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………....................... 322
Учебное издание
Нескоромных В.В.
Направленное бурение и основы кернометрии
Подписано в печать 29.05.2012. Формат 60х84/16.
Бумага тип. Печать офсетная.
Усл. печ. листов 20,5. Тираж 70 экз. (дополнительный). Заказ 8496.
Редакционно-издательский отдел
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
Тел/факс (391) 206-21-49, e-mail: rio@lan.krasu.ru
Отпечатано:
Полиграфический центр
Сибирского федерального университета
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а
328
Стр.329