Зенитный угол скважины это

Скважина как математическое понятие траектории непрерывного поступательного движения бурового породоразрушающего инструмента в пространстве и трасса как ее дискретное графическое отображение в форме ломаной линии характеризуются координатами положения и направления, показанными на рис. 1

Рис. 1 Схема определения координат (и их приращений) пространственного положения скважины

Непрерывное определение координат траектории геологоразведочных скважин в настоящее время, как правило, не производится, а их координаты (или приращения) определяются по отдельным дискретным точкам инклинометрической съемки в географических прямоугольных декартовых координатах трехмерного пространства, где обычно выделяют: Х₀, Y₀, Z₀ – начальные координаты заложения скважины; Х_i, Y_i, Z_i– ее текущие координаты в i-й точке, например A_i и X_k, Y_k, Z_k координаты подсечения рудного тела скважиной конечного забоя точки K_i. (Ось X представляет собой касательную к магнитному меридиану в направлении магнитного (географического) севера; ось Y, перпендикулярная к оси X, направленная в сторону магнитного востока, ось Z направлена в сторону действия вектора силы тяжести).

На практике пространственное положение или направление скважины определяются по данным инклинометрической съемки в полярной координатной системе, т.к. большинство инклинометров осуществляют прямое измерение в вертикальной и горизонтальной плоскостях основных полярных параметров: в вертикальной плоскости зенитного угла и_i, или угла наклона д, в горизонтальной плоскости азимутального угла или азимута б_i; глубина измеряется также в каждой текущей i-й точке (например A_i).

Зенитным углом и скважины называется угол между вертикалью (линия OZ в любой текущей точке измерения) и осью скважины OA_i (вектором скорости бурения) или касательной к ней в данной точке. Угол между осью скважины или касательной к ней и горизонталью в той же точке называется углом наклона д. Сумма зенитного угла и угла наклона равна 90°: и + д = р / 2. При увеличении зенитных углов происходит «выполаживание», а при уменьшении – «выкручивание» скважины.

Азимутальным углом, или азимутом б_i скважины называется угол, отсчитываемый по часовой стрелке (в северном полушарии) и лежащий в горизонтальной плоскости и образованный каким-либо ориентированным направлением, принятым за начальный отсчет, например, 0_x и горизонтальной проекцией оси скважины (вектора скорости бурения) в любой ее точке A_i. В зависимости от выбора начального направления отсчета азимут может быть истинным, магнитным или условным. В первом случае отсчет ведется от географического, во втором – от магнитного меридиана, а в третьем – от направления на произвольно взятый репер, географические координаты которого известны. При увеличении азимутального угла происходит правое «+», а при уменьшении левое «–» азимутальное искривление скважины.

Глубина L скважины представляет собой расстояние по ее стволу от устья 0 до забоя K_iили любой i точки замера углов. Глубины (длины) ствола измеряют по буровому снаряду в процессе его подъема из скважины и при контрольных замерах, которые проводятся периодически по мере углубки скважины. Замеры следует также осуществлять перед постановкой искусственного отклонителя в скважине, а также после ликвидации аварий и осложнений.

Для изображения положения скважины в пространстве в координатной системе ее точки рассчитываются для осей X, Y, Z, например, точка А_i проектируется на горизонтальную плоскость осей X, Y (точка А₁ с координатами С₁, С₁), на вертикальную плоскость осей X, Z (точка А₂ с координатами С₁, С₂)и вертикальную плоскость осей Y, Z (точка А₃ с координатами С₂, С₃).

При построении геологических разрезов ее ось проектируют на две плоскости: вертикальную и горизонтальную и называют вертикальной ОА₂ (профиль) и горизонтальной ОА₁(план) проекцией скважины, а величины отрезков А₁ С₁ и А_i А₁ определяют собой отход или смещение забоя скважины от вертикальной и горизонтальной плоскостей.

Вертикальная плоскость, проходящая через ось скважины, и вертикаль в любой точке оси называется апсидальной (зенитной) плоскостью, а двугранный угол, отсчитываемый по ходу часовой стрелки между апсидальной плоскостью и плоскостью искривления, апсидальным углом.

Направленное бурение скважин

При бурении все скважины по различным причинам в той или иной мере отклоняются от первоначально заданного направления. Этот процесс называется искривлением. Непреднамеренное искривление называется естественным, а искривление скважин с помощью различных технологических и технических приемов – искусственным.

Вообще искривление скважин сопровождается осложнениями, к числу которых относятся более интенсивный износ бурильных труб, повышенный расход мощности, затруднения при производстве спуско-подъемных операций, обрушение стенок скважины и др. Однако в ряде случаев искривление скважин позволяет значительно снизить затраты средств и времени при разработке месторождений нефти и газа. Таким образом, если искривление скважины нежелательно, то его стремятся предупредить, а если оно необходимо, то его развивают. Этот процесс называется направленным бурением, которое может быть определено как бурение скважин с использованием закономерностей естественного искривления и с помощью технологических приемов и технических средств для вывода скважины в заданную точку. При этом искривление скважин обязательно подвергается контролю и управлению.

В процессе бурения направленной скважины необходимо знать положение каждой ее точки в пространстве. Для этого определяются координаты ее устья и параметры трассы, к которым относятся зенитный угол Q, азимут скважины a и ее длина L.

Зенитный угол – это угол между осью скважины или касательной к ней и вертикалью. Азимут – это угол между направлением на север и горизонтальной проекцией касательной к оси скважины, измеренный по часовой стрелке. Длина скважины – это расстояние между устьем и забоем по оси.

Проекция оси скважины на вертикальную плоскость называется профилем, а на горизонтальную – планом.

Вертикальная плоскость, проходящая через ось скважины, или касательную к ней, называется апсидальной.

При выполаживании скважины происходит увеличение зенитного угла (бурение с подъемом угла), а при выкручивании – уменьшение (бурение с падением угла). При искривлении скважины влево азимут ее уменьшается, а вправо – увеличивается.

Темп отклонения скважины от ее начального направления характеризуется интенсивностью искривления i, которая может быть определена как для зенитного iQ, так и азимутального ia искривления

где Qн и aн – соответственно начальные зенитный и азимутальный углы на определенном интервале скважины, град; Qк и aк – то же для конечных углов интервала, град; L – длина интервала скважины, м.

Если скважина искривляется с постоянной интенсивностью и только в апсидальной плоскости, то ее ось представляет собой дугу окружности радиусом R, величина которого может быть определена по формуле

Следует отметить, что интенсивность азимутального искривления существенно зависит от зенитного угла скважины и при малых зенитных углах может достигать весьма значительных величин, а это не дает полного представления о положении скважины. Для оценки общего искривления служит угол пространственного искривления j. В случае, если бы скважина, имеющая в точке А зенитный угол Qн и азимут aн, не искривлялась, то забой ее оказался бы в точке В, но за счет искривления фактически забой оказался в точке С, зенитный угол стал равным Qк, а азимут aк. Угол ВАС и является углом пространственного искривления. Величина его аналитически определяется по формуле

j = arccos [cos Qн. cos Qк + sin Qн. sin Qк. cos(aк – aн)].

С достаточной степенью точности этот угол может быть определен по формуле М. М. Александрова

j = [DQ2 + (Da. sin Qср)2]0,5,

где DQ и Da – соответственно приращения зенитного и азимутального углов на интервале, град; Qср – средний зенитный угол интервала, град.

Интенсивность пространственного искривления ij определяется по формуле

где L – длина интервала, для которого определен угол пространственного искривления, м.

Величина ij не может быть больше интенсивности искривления для тех или иных средств направленного бурения, определяемых их технической характеристикой.

Кроме указанных величин направленные скважины характеризуются величиной отхода (смещения) S и глубиной по вертикали h. Отход – длина горизонтальной проекции прямой, соединяющей устье и забой скважины. Глубина по вертикали – длина вертикали, соединяющей устье с горизонтальной плоскостью, проходящей через забой скважины .

Отклонение скважин от проектного положения может происходить вследствие неправильного заложения оси скважины при забуривании или искривления в процессе бурения. В первом случае имеют место причины субъективного характера, которые могут быть легко устранены. Для этого необходимо обеспечить соосность фонаря вышки, проходного отверстия ротора и оси скважины; горизонтальность стола ротора, прямолинейности ведущей трубы, бурильных труб и УБТ согласно техническим условиям.

Во втором случае действуют объективные причины, связанные с неравномерным разрушением породы на забое скважины. Каждая из этих причин проявляется в виде сил и опрокидывающих моментов, действующих на породоразрушающий инструмент. Все эти силы и моменты могут быть приведены к одной равнодействующей и главному моменту. При этом возможны четыре случая.

• Все силы приводятся к равнодействующей, совпадающей с осью скважины, момент отсутствует . В этом случае обеспечивается бурение прямолинейной скважины. Таким образом, если искривление нежелательно, то необходимо создать вышеприведенные условия, что, однако, трудно достижимо.
• Все силы приводятся к равнодействующей, направленной под углом к оси скважины, момент отсутствует . Под действием боковой составляющей равнодействующей силы происходит фрезерование стенки скважины, а следовательно, искривление. Интенсивность искривления зависит от физико-механических свойств пород, боковой фрезерующей способности долота, механической скорости бурения и других факторов. Следует отметить, что при искривлении только за счет фрезерования стенки скважины имеют место резкие перегибы ствола, что приводит к посадкам инструмента при спуске и требует дополнительной проработки скважины.
• Все силы приводятся к равнодействующей, совпадающей с осью породоразрушающего инструмента и к опрокидывающему моменту относительно его центра. Вследствие этого между осью скважины и осью инструмента образуется некоторый угол d, в результате чего и происходит искривление. Интенсивность искривления в этом случае практически не зависит от физико – механических свойств горных пород и фрезерующей способности долота, ось скважины представляет собой плавную линию близкую к дуге окружности, что облегчает все последующие работы.
• Все силы приводятся к равнодействующей, не совпадающей с осью скважины, и к опрокидывающему моменту . В этом случае искривление скважины происходит за счет совместного действия фрезерования стенки скважины и наклонного положения инструмента относительно оси скважины.

Возникновение вышеуказанных сил и моментов, действующих на породоразрушающий инструмент, происходит из-за множества причин, не все из которых известны. Все они условно могут быть подразделены на три группы – геологические, технологические и технические.

Общие закономерности искривления скважин

Анализ искривления скважин показывает, что оно подчиняется определенным закономерностям, но для разных месторождений они различны и могут существенно отличаться. Однако можно сформулировать следующие общие закономерности искривления.

1. В большинстве случаев скважины стремятся занять направление, перпендикулярное слоистости горных пород. По мере приближения к этому направлению интенсивность искривления снижается.
2. Уменьшение зазора между стенками скважины и инструментом приводит к уменьшению искривления.
3. Места установки центрирующих элементов и их диаметр весьма существенно влияют на направление и интенсивность зенитного искривления.
4. Увеличение жесткости инструмента уменьшает искривление скважины, поэтому скважины большего диаметра искривляются менее интенсивно, чем скважины малого диаметра.
5. Увеличение осевой нагрузки приводит к увеличению интенсивности искривления, а повышение частоты вращения колонны бурильных труб – к снижению искривления.
6. Направление и интенсивность азимутального искривления зависят от геологических факторов.
7. Абсолютная величина интенсивности азимутального искривления зависит от зенитного угла скважины. С его увеличением интенсивность азимутального искривления снижается.

Определение координат пространственного положения и направления скважины

Скважина как математическое понятие траектории непрерывного поступательного движения бурового породоразрушающего инструмента в пространстве и трасса как ее дискретное графическое отображение в форме ломаной линии характеризуются координатами положения и направления , показанными на рис. 9.1 .

Рис. 9.1. Схема определения координат (и их приращений) пространственного положения скважины.

Непрерывное определение координат траектории геологоразведочных скважин в настоящее время, как правило, не производится, а их координаты (или приращения) определяются по отдельным дискретным точкам инклинометрической съемки в географических прямоугольных декартовых координатах трехмерного пространства, где обычно выделяют: Х 0 , Y 0 , Z 0 – начальные координаты заложения скважины; Х i , Y i , Z i – ее текущие координаты в i -й точке, например A i и X k , Y k , Z k координаты подсечения рудного тела скважиной конечного забоя точки K i . (Ось X представляет собой касательную к магнитному меридиану в направлении магнитного (географического) севера; ось Y , перпендикулярная к оси X , направленная в сторону магнитного востока, ось Z направлена в сторону действия вектора силы тяжести).

На практике пространственное положение или направление скважины определяются по данным инклинометрической съемки в полярной координатной системе, т.к. большинство инклинометров осуществляют прямое измерение в вертикальной и горизонтальной плоскостях основных полярных параметров : в вертикальной плоскости зенитного угла θ i , или угла наклона δ, в горизонтальной плоскости азимутального угла или азимута α i ; глубина измеряется также в каждой текущей i -й точке (например A i ).

Зенитным углом θ скважины называется угол между вертикалью (линия OZ в любой текущей точке измерения) и осью скважины OA i (вектором скорости бурения) или касательной к ней в данной точке. Угол между осью скважины или касательной к ней и горизонталью в той же точке называется углом наклона δ. Сумма зенитного угла и угла наклона равна 90°: θ + δ = π / 2. При увеличении зенитных углов происходит «выполаживание», а при уменьшении – «выкручивание» скважины.

Азимутальным углом , или азимутом α i скважины называется угол, отсчитываемый по часовой стрелке (в северном полушарии) и лежащий в горизонтальной плоскости и образованный каким-либо ориентированным направлением, принятым за начальный отсчет, например, 0 x и горизонтальной проекцией оси скважины (вектора скорости бурения) в любой ее точке A i . В зависимости от выбора начального направления отсчета азимут может быть истинным, магнитным или условным . В первом случае отсчет ведется от географического, во втором – от магнитного меридиана, а в третьем – от направления на произвольно взятый репер, географические координаты которого известны. При увеличении азимутального угла происходит правое «+», а при уменьшении левое «—» азимутальное искривление скважины.

Глубина L скважины представляет собой расстояние по ее стволу от устья 0 до забоя K i или любой i точки замера углов. Глубины (длины) ствола измеряют по буровому снаряду в процессе его подъема из скважины и при контрольных замерах, которые проводятся периодически по мере углубки скважины. Замеры следует также осуществлять перед постановкой искусственного отклонителя в скважине, а также после ликвидации аварий и осложнений.

Для изображения положения скважины в пространстве в координатной системе ее точки рассчитываются для осей X, Y, Z , например, точка А i проектируется на горизонтальную плоскость осей X, Y (точка А 1 с координатами С 1 , С 1 ), на вертикальную плоскость осей X, Z (точка А 2 с координатами С 1 , С 2 )и вертикальную плоскость осей Y, Z (точка А 3 с координатами С 2 , С 3 ).

При построении геологических разрезов ее ось проектируют на две плоскости: вертикальную и горизонтальную и называют вертикальной ОА 2 ( профиль ) и горизонтальной ОА 1 ( план ) проекцией скважины, а величины отрезков А 1 С 1 и А i А 1 определяют собой отход или смещение забоя скважины от вертикальной и горизонтальной плоскостей.

Вертикальная плоскость, проходящая через ось скважины, и вертикаль в любой точке оси называется апсидальной (зенитной) плоскостью , а двугранный угол, отсчитываемый по ходу часовой стрелки между апсидальной плоскостью и плоскостью искривления, апсидальным углом.