В результате искривления скважины забой ее может уйти далеко в сторону от заданного направления.

Значительная кривизна скважины осложняет режим работы, часто приводит к поломке бурильных труб, затрудняет производство ловильных работ и искажает истинную мощность пород. Крепление трубами искривленной скважины представляет большие трудности. Поэтому нужно принимать все возможные меры к тому, чтобы скважины бурились с наименьшим углом отклонения от заданного направления.

В практике бурения различают плоское искривление скважины, сопровождаемое уменьшением ее зенитных углов, — выкручивание скважины—и плоское искривление скважины, сопровождаемое увеличением ее зенитных углов — выполаживание скважины.

Искривление скважин в процессе бурения может произойти по причинам геологического, технического и технологического характера.

Особенности геологического строения месторождения, выражающиеся в частом переслаивании различных по твердости пород, а также наличии рассланцованных пород, карстовых пустот и сильных тектонических нарушений, являются основными причинами естественного искривления скважин в процессе бурения.

Практикой бурения установлено, что при углах падения пород до 50— 55° ось скважины стремится занять положение, нормальное к плоскости напластования, при этом скважина искривляется вверх по восстанию пластов.

Направление естественного искривления скважины определяется величиной угла между плоскостью напластования и осью скважины, называемого углом встречи. При углах встречи более 20° скважины обычно искривляются в направлении, нормальном к плоскости напластования пород; при углах встречи менее 20° — в направлении, параллельном плоскости напластования пород.

Искривление скважин по причинам технического характера может возникнуть в результате: а) неправильной установки шпинделя станка, направления и кондуктора в скважине, оси которых не совпадают с осью скважины; б) работы непрямолинейными колонковыми и бурильными трубами, кривизна которых превышает предельно допустимое значение (1 мм на 1 м длины трубы); в) нарушения правил перехода от большого диаметра бурения к меньшему — без применения ступенчатых колонковых снарядов; г) отсутствия соосности резьбовых соединений породоразрушающего инструмента, колонковых труб н переходников.

К причинам технологического характера, способствующим искривлению скважин, относится нарушение режима бурения, установленного геолого-техническим нарядом, например, чрезмерное давление на породоразрушающий инструмент при бурении пород, часто перемежающихся по твердости, бурение с короткой колонковой трубой при больших нагрузках на забой, подача большого количества жидкости при бурении легко размываемых пород, применение бурильных труб малого диаметра в скважинах большого диаметра, работа с неисправным указателем давления и пр.

Рис. 1. Отклонение ствола скважины при переходе коронки из мягких в твердые породы.
1 — буровая коронка; 2 — мягкая порода; 3 — твердая порода; 4 — керн; 5 — направление вращения коронки.

Оперативный контроль состояния ствола скваяшны осуществляется силами буровой бригады путем периодических замеров в процессе бурения простейшими приборами, действующими по принципу горизонтальности уровня яшдкости, например, 20%-ного раствора плавиковой кислоты или 30%-ного раствора медного купороса.

Чтобы своевременно заметить начинающееся искривление скважины, рекомендуется производить замеры зенитного угла через каждые 25—50 м проходки в зависимости от сложности геологического строения месторождения.

Замер искривления скважины с помощью плавиковой кислоты производится следующим образом. В стеклянную трубку диаметром 18— 20 мм наливают 20%-ный раствор плавиковой кислоты 1/3 или на 1/2 ее высоты, плотно закрывают резиновой пробкой, обертывают снаружи несколькими слоями бумаги и вставляют в гнездо патрона, соединяемого с бурильными трубами (если патрон опускается в скважину на трубах) или с канатом. После этого в головку патрона ввинчивают переходник под бурильные трубы или ушко для каната. Спуск патрона в скважину нужно производить немедленно по установке трубки в патроне. Опустив прибор на требуемую для замера глубину и выждав 20—30 мин, в течение которых прибор остается в скважине в полном покое, можно поднять прибор. Трубку вынимают из патрона, выливают кислоту и споласкивают чистой водой. В трубку вкладывают этикетку с указанием названия ГРИ, номера и глубины скважины и даты замера.

Рис. 2. Замеры состояния ствола скважины простейшими приборами.
а — патрон для плавиковой кислоты; б — патрон для раствора медного купороса; в— отпечаток уровня жидкости на стенках стеклянной трубки (плавиковая кислота); г — граница осадка меди (А — Б) на стальном стержне (меный купорос).

Плавиковая кислота, разъедая стекло, оставляет отпечаток (след) уровня жидкости на стенках стеклянной трубки. След уровня жидкости при вертикальном положении патрона представляет собой круг, а при наклонном — эллипс. Из рисунка видно, что ось эллипса вытянута тем более, чем больше зенитный угол скважины. По отпечаткам на трубках определяют угол наклона скважины.

Измерение угла наклона скважины с применением раствора медного купороса производится следующим образом: в патрон наливают 30%-ный раствор медного купороса, погружают патрон в скважину на 20—30 мин. В течение этого времени на стальном стержне образуется осадок меди, граница которого четко отмечает уровень свободной поверхностижидкости.

При помощи плавиковой кислоты или медного купороса можно замерить только угол наклона скважины (зенитный угол). Но кроме величины наклона скважины надо знать и направление искривления скважины (азимут скважины). Одновременные замеры угла наклона и азимута скважины производятся периодически каротажными партиями с помощью специальных цриборов — инклинометров, опускаемых в скважину на кабеле. Инклинометры обеспечивают беспрерывные замеры угла наклона и азимута скважины за один спуск-подъем на всем контролируемом^штервале. После окончания бурения скважины каротажные работы проводятся в обязательном порядке по всему стволу. Конструкция инклинометров зависит от того, обладают ли разбуриваемые породы слабыми или сильными магнитными свойствами. Контроль искривления скважин, пробуренных в слабомагнитных средах, производится инклинометрами типа И0; ИШ-4; ИТ-200; УМИ-25. В приборах, предназначенных для работы в слабомагнитных средах, для измерения азимутальных углов используется магнитная стрелка, а для определения зенитных углов — отвес. Величины зенитных углов, азимутов и углов ориентации прибора показываются на наземном пульте управления.

Замеры величины искривлений в скважинах, пробуренных в сильномагнитных средах, осуществляются гироскопическими инклинометрами типа ИГ-2; ИГ-70, а также инклинометрами типа Зенит-IV КазИМСа и МИА-ШМ конструкции ВИТРа.

В качестве мероприятий, направленных на предупреждение возможных искривлений ствола, рекомендуются:
а) применение колонковых труб возможно большей длины (порядка 9 м);
б) применение утяжеленных бурильных труб в нужном по расчету количестве; в) исключение из состава инструмента кривых бурильных и колонковых труб;
г) применение глинистого раствора при бурении легко размываемых пород, например, пески, глины;
д) строгое соблюдение параметров режима бурения, особенно числа оборотов снаряда и нагрузки на забой при резком чередовании пород по твердости и степени разрушения;
е) применение соответствующего направления в случае выхода меньшим диаметром коронки с предварительной разведкой нижележащих пород.

Исправление кривизны скважины является трудоемкой работой и не всегда дает положительный результат. Наиболее верным способом исправления кривизны в породах мягких и средней твердости является цементирование соответствующего участка ствола и последующее бурение на пониженных оборотах длинной колонковой трубой.

В практике разведки месторождений полезных ископаемых, особенно рудных тел, часто целесообразно подсечение их скважинами, направленными по проектному профилю в заранее заданной на глубине точке, или скважинами с разветвленно направленными забоями из одного основного ствола без демонтажа и перевозки бурового оборудования (многозабойное бурение). Как показывает практика, многозабойное бурение позволяет до 30—40% сэкономить метраж бурения в безрудной толще, сократить объемы работ по монтажу, демонтажу и транспортировке оборудования и пр.

Сущность многозабойного бурения заключается в том, что с некоторой глубины из основного ствола скважины задаются один или несколько дополнительных (отклоненных) стволов. При этом конечный забой каждого дополнительного ствола должен находиться на заданном направлении и расстоянии от забоя основного ствола. Таким образом, устье дополнительного ствола не выходит на дневную поверхность. Иногда практикуют многоствольное бурение, при котором бурят 2—3 ствола одновременно одной буровой установкой. Устье каждого ствола при многоствольном бурении выходит на дневную поверхность.

Основной трудностью проведения направленных и многозабойных скважин является обеспечение бурения ствола по заранее запроектированному профилю. Для этих целей в практике бурения широкое применение нашли стационарные и съемные клинья, разного рода компоновки бурового снаряда в сочетании с соответствующими режимами бурения.

При необходимости резкого изменения направления скважины используют отклоняющие клинья. В скважине клинья устанавливают ориентированно или свободно и закрепляют либо цементированием (в мягких и средней твердости породах), либо заклиночным материалом (дробью) при дробовом бурении. При алмазном бурении стационарные клинья раскрепляют при помощи специальных устройств. Общая длина стационарного клина должна быть не менее 10—12 м, а угол скоса желоба клина 2°—3°. От-бурку от клиньев необходимо производить коротким снарядом со специальным наконечником и притом с пониженными параметрами бурения.

Наряду с преимуществами (простота устройства, возможность изготовления в партиях и экспедициях и несложность работы с ними), стационарные клинья имеют и существенные недостатки (однократное использование клиньев, возможность искривления ствола скважины только в месте постановки клина, большая затрата времени на постановку и закрепление клина в скважине). Основным недостатком стационарных клиньев является то, что они должны оставаться в скважине и при ее дальнейшем значительном углублении ниже клина могут явиться причиной аварий. В связи с этим в настоящее время нашли широкое применение съемные клинья. Существует большое количество конструкций съемных клиньев как для алмазного бурения, так и для дробового и твердосплавного. Ниже приводятся конструкции некоторых отклоняющих снарядов.

На рис. 2 показан съемный клин конструкции Ш. У. Давликамова. Он применяется в породах не выше VIII категории буримости. Его технические характеристики приводятся ниже:

Съемный клин состоит из трех основных частей: отбурочного снаряда, отклоняющего устройства, представляющего собой цельнометаллический клин и закрепляющего устройства (распорного клина).

Рис. 2. Съемный клин конструкции Ш. У. Давликамова.

Распорный клин и отбурочный снаряд во время спуска прикреплены к отклоняющему приспособлению штифтами. Отбурочный снаряд представляет собой короткую (1 м) колонковую трубу с коронкой, заправленной твердыми сплавами, присоединенную к бурильной колонне при помощи шарнирного переходника.

Вся компоновка с установленным выше отклоняющего приспособления сигнализатором опускается на трубах в скважину. Над забоем скважины при помощи сигнализатора желоб отклоняющего клина ориентируется в заданном направлении. Затем компоновка опускается на забой. При упоре в забой скважины срезаются штифты, удерживающие клин, и при двгокении отклоняющего клина вниз происходит его закрепление в скважине распорным клином. Затем при дополнительном давлении на забой 1500—2000 кГ срезаются штифты, удерживающие отбурочный снаряд, и производится отбурка на полную длину колонковой трубы. После отбурки съемный клин извлекается из скважины.

На рис. 3 показан отклоняющий снаряд конструкции ВИТРа, применяемый в скважинах алмазного бурения. Снаряд служит для искривления скважин в любом направлении как при проведении дополнительного (отклоненного) ствола в случае многозабойного бурения, так и при необходимости исправления искривлений, возникших в процессе бурения скважины.

Снаряд состоит из металлического клина, соединенного с корпусом при помощи заклепки или специальной шпонки. Инструмент для отбуривания по клину состоит из алмазной коронки, колонковой трубы, бурильной трубы, переходника и замка для соединения с колонной бурильных труб. Соединение корпуса снаряда с бурильными трубами производится при помощи втулки.

Отклоняющий снаряд устанавливается на забой скважины. При этом под влиянием веса бурильных труб и давления на забой, осуществляемого гидравлической системой бурового станка, срезается заклепка, соединяющая клин с корпусом снаряда. Вследствие этого освободившийся корпус снаряда, проседая вниз, прочно закрепляет клин в скважине (расклиниваясь между стенкой скважины и желобом клина).

Рис. 3. Отклоняющий снаряд типа СО-73/46-3° конструкции В И ТР.

После установки и закрепления клина в стволе срезается винт, удерживающий клин и отбурочный снаряд во время спуска его в скважину, и производиться зарезка нового ствола.

Так как инструмент для отбуривания от клина имеет меньший диаметр в сравнении с диаметром скважины, то новый (отклоненный) ствол должен быть расширен до номинального диаметра скважины. После отбуривания нового ствола весь снаряд поднимается из скважины.

Для скважин диаметром 76 мм диаметр отклоняющего снаряда 73 мм, а диаметр коронки для отбуривания 46 мм и для скважин диаметром 59 мм — соответственно 57 и 36 мм.

Ориентирование положения клина в скважине производится на расстоянии 0,5—0,8 м от забоя одним из следующих способов: ориентированного спуска клина на бурильных трубах при помощи визирных трубок; с применением апсидоскопа типа АШ-3 конструкции Восточно-Казахстанского ТГУ и др. Для этих же целей служит аппаратура «Курс», разработанная в ВИТРе.