В последние годы на месторождениях Западной Сибири широкое распространение получило строительство пологих и горизонтальных скважин (ГС), ствол которых вскрывает продуктивный пласт под углом 50-70° или горизонтально протяженностью 500 метров и более.

Практическое внедрение горизонтальное бурение скважин получило при разбуривании месторождений по дополнительной сетке разработки, причем бурение ГС с кустовых площадок в проектном азимуте горизонтального ствола требует использования профилей пространственного типа (Федоровское месторождение). Граничные условия, предъявляемые к профилю ГС (ограничения величины максимального зенитного угла в интервале набора  и стабилизации параметров кривизны, интенсивности искривления ствола на 10 или 100 м интервала, глубина вертикального участка, величина зенитного угла входа в продуктивный пласт, «коридор» допуска бурения горизонтального ствола, изменение азимутального направления скважины от первоначального до 90° и др.) в первую очередь определяются требованиями по созданию крепи повышенной надежности, увеличению сроков межремонтного периода работы глубиннонасосного оборудования и безопасной проходимости бурильных и обсадных колонн по стволу в процессе бурения и заканчивания скважин.

Подавляющее большинство наклонно направленных скважин, проектируемые в одной плоскости, в процессе бурения естественно искривляются в пространстве, при этом интенсивность пространственного искривления ствола достигает значительных величин.

Естественное пространственное искривление связано в первую очередь с геологическими и технологическими условиями бурения, а также несовершенством применяемых КНБК с опорно-центрирующими элементами. Кроме того, пространственное искривление ствола является необходимым условием для выполнения сетки разработки месторождения горизонтальными скважинами (рис. 17).

В связи с этим представляет практический интерес решение задач проектирования оптимального профиля пологих и ГС пространственного типа, отвечающих требованиям надежности скважин, как технического сооружения, и эффективности их эксплуатации.

При расчете профиля пространственного типа используются данные анализа естественного зенитного и азимутального искривления стволов ранее пробуренных скважин, проектное начальное и конечное азимутальное направление ствола ГС, требования к профилю и конструкции скважины, предъявляемые заказчиком проекта на их строительство.

Рис. 17 Профиль ствола скважины с пространственным искривлением

Рис. 18 Схема к расчету  и  на участке вскрытия продуктивного пласта

Отличительной особенностью проектирования профиля пологой скважины является то, что здесь предварительно в зависимости от толщины продуктивного пласта  и требуемых значений длины ствола  (или проекции ствола на горизонтальную плоскость ) задается зенитный угол , под которым вскрывается продуктивный пласт [9].

Для ГС значение  задается в зависимости от расстояния между кровлей пласта и осью ствола горизонтального участка , а также радиуса искривления  на втором участке набора зенитного угла (рис. 18).

В табл. 15 с учетом схемы (рис. 18) приведены расчетные данные по , и , вычисленные для пологих скважин с  при . В табл. 16 приведены расчетные , , ,. вычисленные для различных величин  и радиусов искривления R.

Зенитный угол  и радиус искривления  принимаются в зависимости от условий бурения, конструкции скважины, а также требований по надежной эксплуатации глубинно-насосного оборудования.

Кроме того, значение зенитного угла в начале интервала стабилизации можно определить по следующей формуле:

где  - горизонтальное отклонение на кровле продуктивного пласта для пологих скважин, горизонтальное отклонение скважины без учета длинны горизонтального участка (для горизонтальных скважин);

Н - вертикальная проекция участка искривления скважины, м;

;

 - глубина точки зарезки первоначального искривления скважины, м;

 - глубина по вертикали до кровли продуктивного пласта, м.

Расчет, профиля ведется в трех проекциях - вертикальной (ось Z, направлена вниз) и двух горизонтальных (оси Х и Y), где ось Х является касательной к магнитному меридиану в направлении магнитного севера, а ось Y направлена в сторону магнитного востока.

На рис. 19, 20 изображены пространственный профиль ствола скважины и углы пространственного искривления.

Рис. 19 Проектный профиль наклонно направленной пологой скважины Федоровского месторождения

Таблица 15

Расчетные данные для пологой скважины

Толщина продуктивного пласта, , м	Параметры искривления пологой скважины в продуктивном пласте в зависимости от зенитного угла
	60°			65°				70°					75°				80°				85°
10	17,3		20		21,4		23,6		27,5		29,2	37,2			38,5	56,4			57,4	113,3			113,8
20	34,6		40		42,9		.47,3		54,9		58,5	74,4			77,0	112,9			114,7	226,6			227,5
40	69,3		80		85,8		94,6		109,9		117	148,9			154,1	225,9			229,4	453,2			455,0
60	103,9		120		128,6		141,8		164,8		175,4	223,3			231,2	338,8			344,1	679,9			682,5
80	138,6		160		171,5		189,1		219,8		233,9	297,8			308,3	451,8			458,8	906,5			910,0

Таблица 16

Расчетные данные для горизонтальной скважины

Рассто-яние от кровли продук- тивного пласта, , м	Параметры искривления горизонтальной скважины в продуктивном пласте в зависимости от радиуса кривизны R, м
	250			300			350			400			450			500
5	49,7	50,1	78,5	54,5	54,8	79,5	58,9	59,2	80,3	63	63,3	80,9	66,9	67,1	81,5	70,5	70,8	81,9
10	70	70,9	73,7	76,8	77,7	75,2	83,1	83,3	76,3	88,9	89,6	77,2	94,3	95	77,9	99,5	100,2	78,5
15	85,3	87	70,1	93,7	95,3	71,8	101	103	73,2	108,5	109,9	74,3	115,2	116,5	75,2	121,6	122,8	75,9
20	98	100	66,9	107	110	69	117	119	70,5	124,9	127	71,8	132,7	134,7	72,9	140	141,9	73,7
30	119	123	61,6	130	135	64,2	142	146	66,1	152	155,9	67,7	161,6	165,2	69	170,6	174,1	70,1

Рис. 20 Углы пространственного искривления скважин

Исходными данными для расчета являются: начальный зенитный угол ( ); зенитный угол на участке стабилизации ( ); угол входа в продуктивный горизонт ( ); конечный зенитный угол в продуктивном горизонте ( ); начальный азимутальный угол ( ); азимутальное изменение за каждый интервал бурения ( ); проектное смещение ( ); глубина скважины по вертикали до кровли продуктивного пласта ( ); глубина вертикального участка ( ); глубина продуктивного пласта ( ); смещение в продуктивном горизонте ( ) для наклонно направленных скважин или длина горизонтального участка ( ) для горизонтальных скважин.

Если изменение азимутального угла не происходит, то оно приравнивается к нулю и расчет профиля сводится к плоскостному типу.

Главным при расчете пространственного профиля является определение азимутального угла поправки, необходимого для коррекции профиля непосредственно перед началом бурения относительно круга и коридора допуска, который рассчитывается по формуле:

где:  - азимутальное искривление за i интервал проходки, град;

 - расстояние от вертикали до точки входа ствола в пласт, м.

Начальный азимутальный угол с учетом поправки ( ) определяется по следующей формуле:

где:  - поправка азимутального угла, град;

 - начальный азимутальный угол, град.

Начальный зенитный угол с учетом поправки на изменение азимутального направления ( ) определяется по формуле (82), где вместо  используется  - отклонение с учетом азимутальной поправки:

где:  - отклонение забоя от вертикали с учетом , м.

  - суммарное изменение азимутального угла, град.

Расчетные формулы для определения элементов профиля приведены в табл. 17.

В качестве примера приведем расчет рассмотренного пятиинтервального профиля при следующих исходных данных: глубина скважины по вертикали H=1890 м; отклонение А=662 м; длинна вертикального участка =1250 м; радиусы искривления  равны 380 м. Скважина искривлена в пространстве на 52°;  = 27°,  = 7°,  = 13°,.  =5°,  =0°. Начальный азимут  =30°.

Таблица 17

Расчетные формулы элементов пространственного профиля скважины

Длина скважины по стволу, L, м	Смещение А, м	Проекции
		вертикальная Z, м	горизонтальная
			Х, м	Y, м
Вертикальный
Набор зенитного угла
Наклонно прямолинейный
Набор зенитного угла
Участок набора зенитного угла в продуктивном пласте
Горизонтальный участок
Примечание: В графе проекции  - азимутальные углы в конце интервала с учетом начального азимута .

Расчет профиля начинается с определения величины зенитного угла. В зависимости от толщины пласта ( ) по данным табл. 13 принимаем зенитный угол при входе в пласт равным  Конечный зенитный угол . Длина горизонтального участка .

Далее определяем значение начального зенитного угла по формуле (94):

Результаты расчета пятиинтервального пространственного профиля на примере наклонно направленной пологой скважины Федоровского месторождения приведены в табл. 18.

Строительство наклонно направленных скважин с пологим и горизонтальным окончанием ствола пространственного типа выдвигает дополнительные требования к качеству буровых растворов при первичном вскрытии продуктивных горизонтов, к программе промывки и очистки ствола скважины от выбуренной породы, сохранению устойчивости его стенок, а так же к снижению коэффициента трения и сил адгезии.

В интервалах установки внутрискважинного оборудования (тангенциальный участок), кривизна ствола ограничивается, как правило, величиной 0,25°/10 м проходки. Для выполнения данного требования в настоящее время нет эффективных многоцентраторных КНБК, методики их конструирования расчета геометрических размеров, выбора и сборки в условиях буровой (кустовой площадки).

Таблица 18

Результаты расчета пространственного профиля пологой скважины