Один из методов повышения нефтеотдачи месторождений, получивший повсеместное распространение, это восстановление старого фонда скважин, путём бурения боковых стволов из обсадных колонн. Его «привлекательность» во многом определяется простой и эффективной операцией «зарезки» бокового ствола, базирующейся на использовании клина-отклонителя. При правильной ориентации отклоняющей плоскости клина и направления действия отклонителя (НДО), перфорация «окна» в обсадной колонне и последующая «зарезка» бокового ствола будет производиться в проектном направлении. Именно это обстоятельство во многом определяет эффективность клина-отклонителя и его популярность у буровиков.
Поскольку клин-отклонитель устанавливается внутри обсадной колонны, для его ориентации обычно используется гироскопический инклинометр. Отклонение азимута «зарезанного» бокового ствола, хотя и находится в допустимых пределах, но значительно превышает погрешность гироинклинометра. Вместе с тем, простота методики ориентирования клина и «прозрачность» этой операции для всестороннего контроля позволяет уверенно предположить, что неконтролируемое изменение азимута происходит не в процессе ориентирования, а на последующих этапах при неконтролируемом (т.е. в отсутствии измерительных средств) углублении ствола скважины. Тем не менее, поскольку ориентирование является всё же основополагающим этапом, обеспечивающим «попадание» ствола скважины в заданное направление, всестороннее изучение дополнительных факторов, влияние которых может сказаться на результатах ориентирования, представляется важным и актуальным.
На Рис. 1 показан клин-отклонитель; ориентирование производится его поворотом относительно оси бурильной колонны и установки отклоняющей плоскости клина в нужном направлении, т.е. когда проекция оси отклоняющей плоскости на горизонтальную плоскость – НДО, установлено в требуемом (проектном) азимуте - β ндо.
Ориентирование производится при помощи гироинклинометра, спущенного в колонну бурильных труб, и располагающегося непосредственно над клином-отклонителем в специальном «посадочном» переводнике, конструкция которого обеспечивает фиксацию гироинклинометра относительно клина-отклонителя, т.е. исключает их взаимный поворот относительно оси бурильной колонны.
Принцип действия гироинклинометра показан на Рис. 2. Прибор измеряет горизонтальную составляющую угловой скорости вращения Земли – ωгор при помощи двух датчиков со взаимно перпендикулярными осями чувствительности X и Y, расположенными в плоскости, перпендикулярной продольной оси рпус гироинклинометра располагается в «посадочном» переводнике таким образом, что направление оси X совпадает с НДО, то угол β, измеренный гироинклинометром, будет соответствовать азимуту НДО:
(На практике, обычно ось Х сдвинута относительно НДО на некоторый, заранее известный фиксированный угол, который складывается с результатом измерений для определения азимута НДО, однако, для дальнейших рассуждений это несущественно.)
Если ствол скважины в месте установки клина не вертикальный, т.е. имеет небольшой наклон, возможная ошибка измерения азимута НДО будет определяться двумя факторами:
а) ошибка, связанная с дополнительной погрешностью измерительного устройства,
б) ошибка, обусловленная тем, что угол поворота клина в наклонной скважине не совпадает с углом поворота НДО.
Оценим каждую из этих составляющих. Расчетная схема для определения ошибки измерения гироинклинометра, обусловленной невертикальностью, показана на Рис. 3.
Плоскость осей чувствительности X и Y не горизонтальна и наклонена под углом αскв, равным углу наклона скважины. Горизонтальная составляющая, измеренная гироинклинометром ωιгор станет равной:
но поскольку величина αскв мала, то Cos αскв= 1 и ωιгор= ωгор.
Однако, из-за наклона вертикальной оси Z, на плоскость осей Х и Y будет проектироваться вертикальная составляющая угловой скорости вращения Земли – ωверт, а величина её проекции составит:
Ошибка измерения будет максимальной, если величина ωιιгор сдвинута относительно ωιгор на 90°, как показано на Рис. 3б.
Учитывая, что tg Δ1= Δ1, Sin αскв = αскв, ωверт/ ωгор = tg θ,
где θ – широта географической координаты места установки клина-отклонителя, окончательно получим:
Таким образом, при углах наклона скважины менее 3-х градусов, для месторождений, расположенных южнее Северного Полярного Круга (θ= 66,5°) максимальная ошибка ориентирования из-за наклона гироинклинометра не превысит 7°, что представляется допустимо малой величиной.
Вторая составляющая возможной ошибки ориентирования не связана с измерительным средством, а является исключительно методической. Расчетная схема для вычисления этой ошибки показана на Рис. 4, где
αскв – наклон ствола скважины (или оси бурильной колонны) в месте установки клина-отклонителя; αкл – угол клина, см. также Рис. 1; αнакл – наклон оси отклоняющей плоскости клина.
Как видно из рисунка, при повороте клина (бурильной колонны) на угол βпов, изменение азимута НДО клина составит угол βНДО≠ βпов; если скважина вертикальная (см. Рис. 1), то эти углы равны. В результате проведённых в соответствии с расчетной схемой Рис. 4 вычислений, была получена формула, связывающая угол поворота клина-отклонителя с изменением азимута НДО:
где Δ = tg αскв/ tg αкл
Как и должно быть, при αскв = 0, т.е. когда скважина вертикальна, формула (2) вырождается в простое равенство:
Следует обратить внимание, что в формуле (2) угол поворота клина – βпов и азимут НДО – βНДО отсчитываются от направления азимута бурильной колонны.
Оценка возможных ошибок была произведена в соответствии с формулой (2) для клина с αкл= 2,5° в скважинах с различным наклоном - от вертикальной (αскв = 0), до αскв = 2°. Результаты расчетов показаны на графиках Рис.5. Ошибка ориентирования, которая может оцениваться как
достигает максимальных значений при углах поворота 100° - 150°, причём, если при небольших углах наклона скважины – (0,5°- 1°), её максимальное значение не превышает (10° - 15°), то при угле наклона 2° ошибка будет составлять более 60°, что уже весьма существенно.
Например, необходимо забурить боковой ствол в проектном азимуте βНДО = 210°. Методика ориентирования заключается в том, чтобы поворачивая бурильную колонну с укреплённым на ней клином-отклонителем, в соответствии с показаниями гироинклинометра (с учётом имеющихся углов сдвига), установить значение - βНДО = 210°. Предположим, то же задание необходимо выполнить с тем же клином (αкл= 2,5°) в слегка наклонной скважине, например, αскв = 2,4°, азимут которой составляет, например, 60°. Выполняя те же самые действия, мы получим (в соответствии с формулой 2)
т.е. забуримся на 80° левее по азимуту.
Просто и наглядно ошибка Δ2 описывается круговой диаграммой, представленной на Рис. 6, где величины βпов и βНДО с приемлемой точностью соответствуют формуле 2. Величина ошибки зависит от соотношения между αскв и αкл. Если эти углы малы, то
а скважина может считаться вертикальной, если Δ « 1
Для полноты картины необходимо отметить, что невертикальность скважины в месте установки клина-отклонителя, влияет не только на азимут и НДО, но и на угол наклона бокового ствола. Если считать, что НДО определяется углом αнакл – наклоном оси отклоняющей плоскости клина (см. Рис. 1), то в соответствии с расчётной схемой на Рис. 4, его зависимость от угла поворота в невертикальной скважине будет описываться формулой 3:
Зависимость угла наклона клина – αнакл от угла поворота – βпов при различных наклонах скважины показана на графиках Рис. 7. Представляется важным тот факт, что угол наклона бокового ствола скважины в месте зарезки может быть весьма мал – например, при βпов>150°-160° и αскв = 2°, угол наклона становится менее 1°. При таких углах наклона скважина становится почти вертикальной и оценивать её азимут (или измерять его) весьма затруднительно.
Рассмотренные в настоящей статье особенности использования клина-отклонителя в невертикальной скважине, целесообразно учитывать как при проектировании бурения боковых стволов, так и при их зарезке с клина-отклонителя.