Вертикальное бурение

Вертикальные скважины – наиболее распространенный тип таких выработок. Их используют во всех случаях, когда это возможно. Однако существуют проблемы с соблюдением траектории бурения. Их решают путем использования современного бурового оборудования.

Общие особенности

Вертикальное бурение – один из 3 видов данных работ. Таким способом создают скважины со стволом, отклоняющимся от вертикали на угол до 5°.

Принцип вертикального бурения состоит в прокладывании штольни вертикально вниз. Это создает кратчайший путь до целевых горизонтов.

Этот способ наиболее распространен и применяется для скважин различного назначения. Его популярность обусловлена следующими преимуществами.

Упрощенный спуск осадной колонны благодаря возможности оставления минимального зазора.
Возможность снижения стоимости работ за счет создания скважины минимального диаметра.

Методы

Для вертикального бурения используют следующие технологии.

Вращательную.
Ударную.
Ударно-вращательную.
Роторную.
Турбинную.
(Электро-)гидравлическую.

Выбор метода определяется условиями работ и особенностями скважины (глубина, конструкция, профиль). Так, роторная технология актуальна для глинистых сланцев и пластинчатых глин, а турбинная используется для бурения на небольшие глубины.

План работ

Бурение вертикальным методом проводится в такой последовательности.

Бурение шахты для кондуктора. Подразумевает спуск буровой колонны в шахту с выбросом шлама. Глубина опускания определяется залеганием твердого грунта.• Установка кондуктора. Буровой инструмент извлекают из ствола и монтируют кондуктор, представляющий собой гильзу, служащую для защиты колонны от механического воздействия пород. В зависимости от грунта применяют кондукторы из ПНД и стали.
Бурение до устойчивого водоносного горизонта. С применением бурового снаряда осуществляют бурение с выбросом шлама. С увеличением глубины наращиваются буровые штанги до достижения целевой глубины забоя.
Монтаж обсадной колонны. Ствол обсаживают колонной, составленной из совмещенных резьбовым соединением пластиковых или стальных труб. Она служит для обеспечения целостности и долговечности скважины.
Прокачка скважины. Подразумевает прочистку и промывку скважины для удаления частиц породы.

Проблема сохранения вертикальной траектории бурения

Ввиду литологических особенностей и несовершенства компоновки низа бурильной колонны большая часть скважин имеет отклонение от вертикали либо изгибы ствола. Это может составить большую проблему в случае расположения скважины на границе проблемного пласта либо земельного участка.

Отклонения бурового ствола, приводящие к локальной интенсивной кривизне, могут быть вызваны резкими перепадами твердости пород. Еще одна причина – наклонное залегание пластов. В таком случае буровое оборудование стремится пройти по пути наименьшего сопротивления, то есть по направлению падения пласта. Ситуация усугубляется при повышении нагрузки на долото с целью ускорения проходки.

Причем кривизна или отклонение от траектории могут быть выявлены только по завершении бурения при каротаже или спуске обсадной колонны по высокому трению.

Даже принятия мер по минимизации отклонения в некоторых ситуациях оказывается недостаточно, и приходится возвращать вертикальное направление ствола путем дополнительного рейса.

Для данных целей обычно используют забойный двигатель с молотком PDC. Однако эта технология имеет некоторые недостатки. Так, нередко работы затруднены и идут медленно. Во избежание заклинивания приходится применять более легкое долото. Переориентация торца бурильного инструмента в соответствии с направлением коррекции занимает время. Все это сокращает производительность, ввиду чего скорость проходки может снизиться более чем вдвое.

Система автоматической коррекции отклонений

Ввиду этого системы вертикального бурения оснащают автоматической коррекцией отклонений. Это позволяет сократить временные и материальные затраты. К тому же такие варианты предусматривают создание скважин «легкой» конструкции. Они отличаются меньшим диаметром верхней и промежуточной колонн. Однако позволяют использовать эксплуатационную колонну стандартного диаметра.

К достоинствам буровых систем с автоматической коррекцией отклонений относят следующие факторы.

Минимальный зазор между стволом и обсадной колонной благодаря гладкости и вертикальности первого.
Меньшие затраты времени и расходы на трубы, цемент и удаление шлама на 30%.

Один из вариантов – система V-Pilot. Автоматическая корректировка ствола основана здесь на гидромеханическом принципе. Данное оборудование рассчитано на применение в условиях жестких сред и высоких температур.

V-Pilot предусматривает возможность ускорения проходки путем повышения нагрузки на долото. Ввиду отсутствия встроенной электроники она мало чувствительна к вибрациям и высоким температурам.

Система включает винтовой забойный двигатель и подсистему контроля вертикали. В последнюю входят 4 вертикальные лопасти, установленные по окружности вблизи долота, 2 башмака и направляющие к ним жидкость гравитационные клапаны. Оборудование реагирует на отклонение от вертикали менее чем на 0,2°. К тому же V-Pilot имеет удлиненный спиральный наддолотный стабилизатор. Он повышает эффективность бурения и качество ствола, исключая или сокращая образование уступов и спиралей.

Величина гидравлического давления на лопасти регулируема. Благодаря этому возможно достижение очень высоких боковых усилий, позволяющих преодолевать отклоняющие силы.

Хорошо продумана надежность системы. Основными факторами, влияющими на буровое оборудование, являются вибрация и высокие температуры. Потенциальные последствия их воздействия минимизированы благодаря механической конструкции. К тому же система сокращает трение и гасит вибрации, исключая влияние последней на чувствительность к отклонениям. Лопасти в нерабочем состоянии втянуты, что снижает их износ и трение. Масляные камеры сбалансированы по давлению и механически изолированы от движущихся компонентов. Они компенсируют термическое расширение масла и рассчитаны на высокое гидростатическое давление. В оборудовании используются только статистические уплотнения, выдерживающие до 200°C.

Хотя V-Pilot рассчитана на высокопроизводительные прямостенные забойные двигатели, возможно ее совмещение с небольшими буровыми установками, оснащенными традиционными забойными моторами. Двухмодульная компоновка позволяет менять двигатели на буровой.

Режим автоматической коррекции отключается по достижении скорости вращения колонны в 25 об/мин. Башмаки втягиваются и оборудование функционирует по традиционной схеме. Даже со втянутыми лопастями оборудование сохраняет вертикальную ориентацию благодаря маятниковому эффекту, вызываемому большой массой и верхним стабилизатором. Ввиду высокой жесткости оно устойчиво к изгибу, создаваемому влиянием боковых сил при взаимодействии с наклонным пластом.