Технология бурения сложнопрофильных скважин

УДК 622.24 
ББК 33.131 
М92 
 
 
 
Рецензент: 
д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Бурение нефтяных 
и газовых скважин» ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной 
технический университет» Р. А. Исмаков 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Мухаметгалиев, И. Д. 
М92  
Технология бурения сложнопрофильных скважин : монография / 
И. Д. Мухаметгалиев. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
116 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1754-9 
 
Представлена виртуальная инженерная программа-тренажер для ЭВМ «Слайд 
Мастер 1.18» для обучения практическим навыкам бурения нефтяных и газовых скважин с использованием забойных ТМС в производственных организациях и учебно- 
образовательных учреждениях. Описывается сама структура программного обеспечения, а именно подробно поясняется суть работы, приводятся примеры, варианты исполнения, порядок проверки и порядок выполнения в каждом из симуляторов комплекса 
тренажеров. 
Для специалистов и инженеров по бурению ННС, выполняющих тренировочную 
работу с целью обучения проводке и телеметрическому сопровождению бурения 
нефтяных и газовых скважин сложного профиля. 
 
УДК 622.24 
ББК 33.131 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1754-9 
” Мухаметгалиев И. Д., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие ............................................................................................................... 4 
Основные понятия и определения 
......................................................................... 5 
Введение ...................................................................................................................... 7 
1. Основные понятия и определения 
..................................................................... 9 
1.1. Режимы и параметры бурения ........................................................................ 9 
1.2. Факторы, определяющие режим бурения 
...................................................... 9 
1.3. Виды, причины и применение искривления скважин 
................................ 10 
1.4. Распространенные профили ННС ................................................................ 16 
2. Теоретические основы ННБ 
.............................................................................. 19 
2.1. Магнитное склонение .................................................................................... 19 
3. Основы наклонно-направленного бурения  .................................................. 24 
3.1. Параметры, определяющие пространственное положение   
ствола скважины 
.................................................................................................... 24 
3.2. Реактивный момент 
........................................................................................ 25 
3.3. Пространственное расположение профиля скважины 
............................... 27 
3.4. Метод подсчета интервала бурения в режиме «Слайд»............................. 33 
3.5. Расчет окончательного забоя скважины ...................................................... 38 
4. Назначение программы-тренажер «Слайд Мастер 1.18» 
............................ 39 
4.1. Тренажер «КНБК» 
.......................................................................................... 40 
4.2. Тренажер «Мера Инструмента» ................................................................... 41 
4.3. Тренажер «Бурение ННС» 
............................................................................. 41 
4.4. Тренажер «Бурение ННС. Выбор профиля» ............................................... 42 
5. Порядок работы 
................................................................................................... 44 
5.1. Тренажер «КНБК» 
.......................................................................................... 44 
5.2. Тренажер «Мера Инструмента» ................................................................... 48 
5.3. Тренажер «Бурение ННС» 
............................................................................. 52 
5.4. Принцип завершения работы тренажера «Бурение ННС» ........................ 87 
6. Проверка выполненной работы 
....................................................................... 92 
6.1. Перечень критериев с соответствием оценки в зависимости  
от параметров бурения, фактического профиля и условий  
выполнения ............................................................................................................ 95 
6.2. Условия неудовлетворительной оценки работы 
......................................... 96 
Заключение ............................................................................................................... 98 
Общие указания к выполнению практических работ 
............................................ 99 
Практическая работа № 1 ....................................................................................... 100 
Практическая работа № 2 ....................................................................................... 102 
Практическая работа № 3 ....................................................................................... 105 
Вопросы для самоконтроля .................................................................................... 113 
Список использованных источников .................................................................... 114 
 
 
 
3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Данная монография подготовлена в помощь обучающимся при проведении 
тренировочных работ в программе – тренажер «Слайд Мастер 1.18». Монографией будут пользоваться лица, выполняющие тренировочную работу с целью 
обучения проводке и телеметрическому сопровождению бурения нефтяных и газовых скважин сложного профиля.  
Рекомендуется проводить личную подготовку к аттестации и всем видам промежуточной проверки квалификации в программе тренажер «Слайд Мастер 1.18», 
руководствуясь настоящей монографией.  
Рассмотрен новый метод преподавания в учебно-образовательных учреждениях, принципы и порядок инженерного сопровождения при бурении 
наклонно-направленных скважин (ННС) с применением забойной телеметрической системы (ТМС). Действительная эффективность применения достигается 
путем симуляции процесса бурения ННС в виртуальной среде посредст- 
вом ЭВМ, где испытуемому предстоит произвести буровые работы с выстраиванием трех- или пятиинтервального профиля скважины. Далее приводится описание разработанного комплекса тренажеров «Слайд Мастер» версии 1.18: характеристика в качестве виртуального тренажера, системные требования к эксплуатации и меры предосторожности. Описывается сама структура программного 
обеспечения, а именно подробно поясняется суть работы, приводятся примеры, 
варианты исполнения, порядок проверки и порядок выполнения в каждом из симуляторов комплекса тренажеров. Что касается порядка выполнения, то здесь 
дается общая схема работы и связь компонентов ПО «Слайд Мастер 1.18», которые сопутствуют достаточно эффективному усвоению материала аудиторией. 
  
 
 
 
4 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
 
Зенитный угол – угол между касательной к оси скважины в точке замера и 
вертикалью. 
Азимут магнитный – это угол, измеряемый в горизонтальной плоскости 
между направлением на Cевер и проекцией на горизонтальную плоскость касательной к оси скважины в точке замера по часовой стрелке. Различают истинный 
(геофизический) и картографический азимуты. Географический азимут отсчитывается от направления на северный географический полюс. 
Вертикальная глубина (истинная глубина «TVD») – глубина скважины по 
вертикали, опущенной от поверхности земли через рассматриваемую точку 
ствола скважины и центр земли. Вертикальная глубина необходима для составления геологического разреза и контроля траектории скважины. 
Апсидальная плоскость – вертикальная плоскость, проходящая через касательную к оси скважины в точке проведения замера. 
Отклонитель (tool face) – угол, измеренный в плоскости, перпендикулярной к оси бурильной колонны, между опорным направлением (от вертикали, 
либо от направления на выбранный «Север») и направлением отклоняющей системы (кривого переводника, направления угла перекоса на ВЗД и т. д.). 
I   четверть – 0–90°;          II   четверть – 90–180°; 
III четверть – 180–270°;   IV четверть – 270–0°(360°). 
Изменение параметров кривизны определяется работой отклонителя (кривого переводника) в определенной четверти. 
Магнитное склонение – угол между географическим и магнитным меридианами. В бурении принято использовать несколько опорных направлений: магнитный, истинный (географический), картографический (Grid) Север. Необходимо знать, что все ТМС, основанные на инклинометрах, измеряют азимут и положение отклонителя относительно магнитного севера. Бурение в опорном 
направлении на истинный или картографический Север требует применения поправок. Поправка на картографический север – это сближение меридиан, которое 
может быть более минус 3° и менее 3°. Поправка на схождение картографической сетки преобразует значения азимута относительно картографической сетки 
в значения относительно истинного севера. Если север картографической сетки 
расположен западнее истинного севера, то используется поправка на западное 
схождение, а если север картографической сетки расположен восточнее истинного севера, то используется поправка на восточное схождение. 
Точка замера – рассматриваемая точка ствола скважины, в которой производится измерение зенитного угла, азимута и геофизических данных. 
Длина скважины (глубина по стволу) – это расстояние от устья до забоя по 
оси ствола скважины.  
Смещение – это расстояние между устьем скважины и точкой замера, спроецированной на горизонтальную плоскость. 
Интенсивность пространственного искривления – степень одновременного изменения зенитного угла и азимута за интервал. 
5 

Профиль скважины – проекция оси скважины на вертикальную плоскость, 
проходящую через ее устье и забой. 
Напряжённость магнитного поля – это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции и вектора намагниченности. Электромагнитные величины СГС (сантиметр-грамм-секунда), применяемые для измерения напряженности магнитного поля Земли называются «гамма». Приведем соотношения: 1 гамма – 1 нано тесла; 1 микротесла – 1000 гамма; 1 тесла – 109 гамма; 
1 гаусс – 105 гамма; 1 гаусс – 10–4 тесла; 1 гаусс – 1 эрстед. 
Зарезка скважины – забуривание скважины с искусственным искривлением ствола и установкой работы отклонителя в соответствии с заданным 
направлением. 
«Слайд» – направленный режим бурения, который производится с использованием телеметрической системы (ТМС), как правило, без вращения бурильной колонны с установкой отклонителя в определенный сектор с целью изменения параметров профиля скважины. 
Зона установки ГНО – интервал монтажа глубинного насосного оборудования в нефтяных и газовых скважинах с целью извлечения флюидов. 
Оператор ЭВМ (оператор) – пользователь ЭВМ, эксплуатирующий программу-тренажер «Слайд Мастер 1.18». 
 
 
6 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Виртуальная инженерная программа-тренажер для ЭВМ «Слайд Мастер 1.18» 
предназначена для обучения практическим навыкам бурения нефтяных и газовых скважин с использованием забойных ТМС в производственных организациях и учебно-образовательных учреждениях. Приобретаемые знания и навыки 
в виртуальном тренажере максимально приближены к требованиям, предъявляемым инженерам по бурению ННС.  
При существующей актуальной проблеме возникла необходимость создания исключительно инженерной программы-тренажера «Слайд Мастер 1.18»,  
в которой обучающиеся будут выполнять практические занятия по приобретению навыков бурения направленных скважин распространенных типов профилей. При выполнении практических занятии оператор обучается: 
– навыкам составления документа, обозначающим наименование элемента 
компоновки низа бурильной колонны (КНБК), внешний диаметр, размер, тип 
резьбы и длину; 
– расчету интервала установки бурильного яса относительно требуемой 
длины УБТ и осевой нагрузки на долото; 
– расчету требуемого количества стальных бурильных свеч, обозначению 
наличия или отсутствия одиночной трубы, а также длины захода ведущей бурильной трубы (квадрат) для безаварийного достижения КНБК естественного забоя скважин; 
– анализировать замеренные статические параметры кривизны скважины 
забойной ТМС; 
– манипуляции бурильной колонной с учетом полноценного реактивного 
момента с учетом соотношения «глубина – нагрузка»; 
– направленному бурению абсолютно всеми способами установки отклонителя, так как в данном тренажере создана модель воздействия физико-механического фактора на бурильную колонну; 
– производству направленного бурения во всех режимах измерения ТМС; 
– «зарезке» направления скважины. В тренажере она осуществляется  
в полном соответствии условиям в практике и с установкой вспомогательного 
сектора в табло положения отклонителя; 
– учету аварийных ситуации вследствие нарушения технологии безопасного бурения;  
– бурению с учетом естественного искривления скважин, благодаря заложенному отклонению параметров кривизны при бурении в режиме «Вращение». 
Отклонение возникает в результате симуляции воздействия «геологических»  
и многих других условий, которые минимизируют разницу работы на тренажере 
и в реальных условиях; 
– проведению краткосрочных и долгосрочных прогнозирований после получения фактических параметров искривления профиля скважины; 
– производству завершающих работ в качестве инженера по наклоннонаправленному бурению (ННБ) после достижения проектных параметров. 
7 

Настоящее учебное пособие направлено на формирование у обучающихся 
практических навыков интеллектуальной проводки скважин без выезда на буровую. 
«Слайд Мастер 1.18» – это программа, созданная на основе анализа низкого уровня профессионализма лиц, принимающих непосредственное участие  
в буровых работах, длительности и причин возникновения непроизводительного 
времени (НПВ) по вине человека. 
 
 
8 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
 
1.1. Режимы и параметры бурения 
 
Режим бурения – это совокупность всех факторов, которые влияют на эффективность разрушения породы, определяют интенсивность износа долота, которыми можно управлять в процессе работы долота на забое. 
Основные требования к выбору режима бурения при включении в состав 
КНБК ТМС – необходимость успешной проводки ствола направленной скважины при возможных осложнениях с высокими технико-экономическими показателями: 
– вращением. Бурение со стабилизацией параметров кривизны или применение заведомо известного направления естественного искривления скважины. 
Главное преимущество: минимальный риск возникновения прихватов при устойчивых параметрах бурения; 
– направленно. За счет использования отклоняющей системы посредством 
изменения угла перекоса в регулировочном узле ВЗД достигается изменение показателей кривизны скважины, а также длины скважины, вертикальной глубины 
и смещения, которые в совокупности способствуют достижению круга допуска; 
– комбинированный (комбинирование двух выше приведенных режимов). 
Наиболее распространенный в настоящее время. Позволяет управлять траекторией ствола скважины без подъема КНБК на поверхность. 
  
1.2. Факторы, определяющие режим бурения 
 
Основные параметры режимов бурения: 
– Осевая нагрузка на долото G, кН (тс) – создает необходимое усилие для 
разрушения горной породы на забое. Регулируется посредством манипуляции 
положением долота относительно забоя скважины. Изменение значения осевой 
нагрузки на долото достигается процессами разгрузки (команда «Грузить» в тренажере «Бурение ННС») и расхаживания бурильного инструмента. От осевой 
нагрузки на долото зависят второстепенные параметры бурения: момент, давление, МСП. 
– Частота вращения долота n, (об./мин) оказывает влияние на скорость 
углубления забоя скважины. Регулируется посредством манипуляции фактическим оборотом ротора за единицу времени (минута). При использовании в составе КНБК ВЗД или турбобура параметр частоты вращения долота регулируется запуском или остановкой циркуляции бурового раствора, а также регулировкой частоты двойных ходов насосов, а именно расходом бурового раствора. 
От частоты вращения долота зависят второстепенные параметры бурения: момент и МСП. 
– Расход бурового раствора Q, мଷ/с ሺл/с) – обеспечивает полную и своевременную очистку забоя и скважины от шлама, а также работу ВЗД. Регулируется посредством манипуляции фактическим значением частоты двойного хода 
(команда «ЧДХ» в тренажере «Бурение ННС») насосов за единицу времени (секунда). От расхода бурового раствора зависит второстепенный параметр бурения: давление в циркуляционной системе [3]. 
9 

1.3. Виды, причины и применение искривления скважин 
 
Все скважины при бурении в той или иной мере отклоняются от первоначально заданного (проектного) направления. Этот процесс называется искривлением ствола скважины [1]. 
Искривление скважин может быть: 
– естественным – непреднамеренное искривление по различным причинам; 
– искусственным – специальное целенаправленное искривление с помощью различных технологических и технических приемов. 
Причины естественного искривления скважин представлены на рис. 1. 
 
 
 
Рис. 1. Причины естественного искривления скважин 
 
 
1.3.1. Вертикальные скважины.  
Способы предупреждения искривления 
 
Вертикальной считается скважина, у которой устье и центр круга допуска 
располагаются по вертикальной прямой, являющейся проектным профилем скважины, а отклонение ствола от вертикали не превышает радиус круга допуска. 
Проводка строго вертикальных скважин представляет собой довольно 
сложный процесс, т. к. при бурении часто возникает самопроизвольное искривление ствола, которое затрудняет проводку и последующую эксплуатацию скважины, а также приводит к увеличению стоимости бурения. Наиболее важное значение обеспечение вертикальности ствола имеет для глубоких и сверхглубоких 
скважин. 
10 

Способы предупреждения самопроизвольного искривления скважин: 
– увеличение жесткости компоновки низа бурильной колонны (КНБК); 
– установка 2–3 полноразмерных центраторов; 
– снижение осевой нагрузки на долото; 
– периодическое вращение бурильной колонны; 
– использование КНБК, основанных на эффекте отвеса; 
– применение метода пилотной проводки скважины; 
– применение реактивно-турбинных буров; 
– применение комбинированного способа бурения. 
В процессе бурения скважины, подверженные естественному искривлению, могут не выйти на нефтегазоносные слои и, следовательно, не выполнить 
своих проектных заданий. Но накопленный фактический материал по естественному искривлению позволил установить ряд общих закономерностей, учитывая 
которые буровики научились проходить скважины в строго заданном направлении. Такие скважины получили название наклонно-направленных. Искусственное отклонение – это направление ствола скважины в процессе бурения по определенному плану с доведением забоя до заданной точки. 
 
1.3.2. Использование закономерностей естественного искривления 
 
При использовании закономерностей естественного искривления, бурение 
проектируют и осуществляют на основе типовых трасс (профилей), построенных 
по фактическим данным естественного искривления пробуренных скважин. Способ типовых трасс применим только на хорошо изученных месторождениях, при 
этом кривизной скважин не управляют, а лишь приспосабливаются к их естественному искривлению. Недостаток указанного способа – удорожание стоимости скважин вследствие увеличения объема бурения. Также для каждого месторождения необходимо определять зоны повышенной интенсивности искривления по ранее пробуренным скважинам и учитывать это при составлении соответствующего проектного профиля.  
 
1.3.3. Применение искусственного искривления скважин 
 
Искусственное отклонение скважин подразделяется на наклонное, горизонтальное, многозабойное (разветвленно-наклонное, разветвленно-горизонтальное), многоствольное (кустовое) и многоярусное бурение. Бурение этих 
скважин ускоряет освоение новых нефтяных и газовых месторождений, увеличивает нефтегазоотдачу пластов, снижает капиталовложения и уменьшает затраты дефицитных материалов. 
Искусственное отклонение применяется в следующих случаях: 
– при вскрытии нефтяных и газовых пластов, залегающих под пологим 
сбросом или между двумя параллельными сбросами (см. рис. 2); 
– при отклонении ствола от сбросовой зоны (зоны разрыва) в направлении 
продуктивного горизонта; 
– при проходке стволов на нефтяные пласты, залегающие под соляными 
куполами, в связи с трудностью бурения через них. Иллюстрация представлена 
на рис. 3; 
11