Дәріс 4. Ұңғының қисаю механизмі

Ұңғылардың табиғи қисаюына әсер ететін геологиялық, технологиялық және техникалық себептерін зерттей келе, мынадай тұжырымға келуге болады. Ұңғы оқпанының қисаюы негізінен түбінің үстінгі тағының бірқалыпты таралмауынан немесе жынысталқандағыш құралға түсетін ауытқытушы күштер мен төңкеру моментінің әсерінен болады.

Жынысталқандағыш құрал бекітілетін бұрғылау құбырлар тізбегінің төменгі бөлігінің жұмысына қарай отырып, ұңғы оқпанының қисаюы мына жағдайларда болуы мүмкін: 1) ұңғы қабырғасы мен колонкалық жинақ арасында саңылау болуынан; 2) ұңғының түптік бөлігінің осіне қатысты жынысталқандағыш құралдың қиғаштануынан; 3) осы қиғаштану жазықтығының бағытының тұрақтануынан;

Сірә, ұңғының қисаюы жынысталқандаушы аспаптың ұңғы осіне қатысты ауытқуынан болады. Жынысталқандаушы аспап пен колонка жиынтығының ауытқуынсыз ұңғының қисаю мүмкіндігін қарастырамыз. Ол үшін жынысталқандаушы аспапқа сыртқы диаметрі колонка жиынтығының диаметрінен 2үлкен, әруақытта қапталынан әсер ететін күш оның қалыпты жағдайдан ұңғы осіне қарай жылжытуға ұмтылады деп жобалаймыз. Мұндай жағдайда жынысталқандаушы аспап ұңғы қабырғасын берілген күштің бағытымен талқандап, нәтижесінде қандайда бір аралықта ұңғы түбінің тереңдеуі бастапқы ұңғы осінен қандайда бір бұрышқа қарай бағытталады (сурет. 11, а). Қабырғаның жылжуы шамаға жеткенде колонкалық жиынтық ұңғының қабырғасына тіреледі де, ұңғы түбін тереңдету бағыты бастапқы оқпан аумағына параллель болады (сурет. 11, б). Жынысталқандаушы аспапты жүргізетін колонка жиынтығының ауытқуынсыз және колонна құбырының майысуынсыз ұңғының қисаюы тек мынандай жағдайда болуы мүмкін, жылжу ұңғының диаметрі мен құбыр диаметрі арасындағы айырмашылығының жартысынан аспаса, ал мұндай ұңғыны тереңдету үрдісін қарастыру түсінікті болады. Мұндай байқалмайтын қисаюды ескермеуге болады. Ал кезкелген үлкен қисаюлар колонкалық жиынтықтың ауытқуына немесе колонка құбырларының майысуына әкелуі мүмкін. Ұңғының түпкі бөлігіне қатысты колонка жиынтығының қиғаштануы бұрғы құбыр жинағы арқылы түпке берілген остік күш арқылы болады. Оған тәуелсіз бірнәрсенің әсерінен болатын остік күш бұрғы құбыр жиынтығының бойлық майысуына әкеледі. Бұл ережелерден басқа таяз ұңғыларды және үлкен диаметрлі ұңғыларды остік күшпен ауырлатылған бұрғы құбырымен бұрғылағанда ұңғыдағы құбырда бойлық майысу болмайды. Нағыз изатропты жыныстарды алмасты және қатты қорытпалы коронкалармен бұрғылау кезінде бұрғылау жиынтығының (компоновкасының) қиғаштану жазықтығын тұрақтандыруды қамтамасыз ететін себептер болмайды. Мұндай жағдайдаларда ұңғылар түзу сызықты бұрғыланады. Анизатропты жыныстарды бұрғылау кезінде жынысталқандағыш құралдың осі жыныстың ең катты жазықтығына сүйір бұрышпен жатқанда бұрғы снарядының қиғаштану жазықтығының тұрақтануын қамтамасыз ететін күштер пайда болады.

Ұңғыны бұрғылау кезінде қабатты жыныстарды сүйір бұрышпен қиып өтетін жынысталқандаушы құралдың түбінде пайда болатын төңкеру моментінің әсерінен бұрғылау жиынтығының жазықтықта қиғаштануы тұрақталады.

Сурет. 11. Ұңғы осіне қатысты қалыпты күштің әсерінен колонка жинағының жұмыс істеу сызбасы.

Сурет. 12. Остік салмақ пен төңкеру моментінің әсерінен бұрғылау жинағының жұмыс істеу сызбасы.

Ұңғының табиғи қисаюына бұрғылау жинағының қиғаштану қарқындылығының қаншалықты әсерлілігінің анығына жету үшін оқпанды төңкеру моменті қойылған колонкалы жиынтықпен оқпанды тереңдету кезіндегі қисаю үрдісін қарастырамыз. Бұл қисаюдың сипатын анықтау үшін математикалық модель ретінде ұңғы ішінде таңдалып алынған координат остеріне қатысты бұрғылау жинағының орналасуын көрсететін сызба беріліп отыр (сызба. 12).

Тік сызықты ұңғыда тереңдету (бұрғылау) ұзындығы L АВ бұрғылау жинағымен жүргізіледі. Жынысталқандаушы құралға остік күш бұрғы құбырларының колоннасы арқылы беріледі. Құбырлар колоннасы жинақтың осіне нормаль бағытталған F₁ күші түсірілген шарнирге шамалас үстеме жынысталқандаушы аспапқа төңкеру моменті М_оп = LF₁ қойылған. Шарнирдің арқасында әсер ететін остік күштің бағыты барлық уақытта бұрғылау снарядының осімен сйкес келеді. Бұрғылау жинағы АВ көрсетілген күштердің әсерінен бұрғылау үрдісі кезінде өзінің жоғарғы жағымен ұңғы қабырғасына тұрақты түрде жабысып, оның алғашқы бөлігінің осімен ауыспалы бұрыш жасайды.

Бұрғылау жинағының ұзындығына L дейінгі забойды тереңдету кезіндегі бұрышының өсімі:

(22)

L аралығындағы бұрғылаудың екінші бөлігінде бұрғылау жиынтығының жоғарғы нүктесі ВВ₁ қисығына параллель ОА₂ қисығы бойымен жылжиды. Бұл кезде жынысталқандаушы құралдың түбінің ортасы В₁B₂ траекториясын жасап В₁ нүктесінен В₂ нүктесіне жылжиды. Бұрғылау снаряды А₂В₂ жағдайда орналасып және ОУ осімен₂ бұрышын жасайтын В₁В₂ қисығының жанамасы болады.

Екінші бөліктегі ₂ қисаю бұрышының өсімі:

(23)

Үшінші бөлікте, бұрғылау жинағының ұзындығына L ұңғы түбі тағы да тереңдегенде, ұңғының қисаю сипаты ұқсас әдістеме бойынша табылады және мына теңдікпен белгіленеді:

(24)

Үшінші бөліктің басы мен аяғындағы қисаю бұрыштары: болғанда , болғанда .

Қисаю бұрышының өсімі:

(25)

Арықарай есептеу барысында әрбір келесі бөліктің бұрышының өсімі, үшінші бөліктен бастағанда мынаған тең болады:

(26)

Үшінші бөліктен бастап ұңғы осімен сәйкес келетін LF моментінің әсерінен ұзындығы L бұрғылау жинағымен бұрғылағанда зениттік бұрыштың шамасы мына теңдеумен табылуы мүмкін:

(27)

мұнда: п = 3, 4, 5, . . ., п.

Талқылаудың қорытындысы көрсеткендей, ұңғыны тереңдету кезінде тереңдігі 2L көп болса қисаю қарқындылығы тұрақты болады.

Егер жоғарыда көрсетілген шешімдерге сәйкес, тек бұрғылау жиынтығының қалай қиғаштану нәтижесі тіркелгендегі ұңғының табиғи қисаюын қарастырсақ, онда қисаю қарқындылығының шамасы болмашы болатындығына көз жеткізу қиын емес.

Ұңғының тәжірибелік қисаюы алмазбен бұрғылаған кезде бұл шама едәуір өседі. Мұндай ұңғының қисаю қарқындылығы бұрғы жинағының майысуына немесе ұңғы диаметрінің үлкеюіне алып келуі мүмкін. Әсер етудің бірінші себебін қарастырамыз.

Бұрғылау үрдісінде бұрғы құбыр колоннасымен бірге колонкалық жиынтық остік күштің әсерінен бойлық қисаюға ұшырайды және жартылай толқын құрайды. Ауытқыш күштің жынысталқандаушы аспапқа әсерімен анизатропты (флюиальды және қатпарланған) тау жыныстарын бұрғылау кезінде төменгі қисаю жазықтығында иілген бұрғы жинағында тұрақтылық болады. Мұндайда, жынысталқандаушы аспаптың қиғаштануы ұңғының түпкі бөлігінің осіне қатысты төмендегі формулалармен анықталатын болады, осыдан шығатын, жартылай толқынның қисаю пішіні синусойдалды қисықтықпен (синусоидальной кривой) сәйкес келеді.

- ұңғы оқпанының тіксызықты бөлігі үшін

(28)

- ұңғы оқпанының қисық сызықтығы үшін

, (29)

мұндағы:— ұңғының диаметрі, м; d — колонкалы құбыр диаметрі, м; — берілген диаметрдегі колонкалы құбыр үшін жартылай иілген құбыр (полуволны) ұзындығы, м.

Ұңғының қисаю қарқындылығының мумкіндік шамасы әртүрлі диаметрлердегі қалыпты (стандартты) колонкалық жиынтықпен бұрғылу кезіндегі қорытындының жорамалына сүйенсек ұңғы оқпанының диаметрі жынысталқандаушы аспаптың диаметріне тең. Ұңғының нақты диаметрі жынысталқандаушы аспаптың диаметрінен әрқашанда үлкен болады. Сондықтан, қарастырылатын жыныстарды алмас коронкасымен бұрғылаған кезде (28, 29) формулалардың есептегуінше ұңғының қисаю қарқындылығының шамасы өсуі мүмкін.

Қабаттасқан анизатропты жыныстарды бұрғылаған кезде белгіленген жазықтықта колонкалық жиынтықтың қисаю себебі төңкеру моменті, яғни жинақтың қисаюын өсіру әсері болып табылады.

Көлемді изотропты немесе әлсіз анизотропты жыныстарда ұңғының табиғи қисаюы не болмайды, не болмашы ғана шаманы құрайды, оның үстіне, қисаю кезкелген бағытта болуы мүмкін, мұндай жыныстар бөлігінің кездейсоқ кездесуімен, анизатропты қасиеттерінің әлсіз болып келуімен және ұңғыны қиып өтетін геологиялық қиманың бейберекет орналасуымен түсіндіріледі.

Анизатропты (флюидальды, қатпарланған, кливажды) тау жыныстарын бұрғылаған кезде ұңғының қисаюы остік күштің әсерінен колонкалық жиынтықтың қисаюынан және ұңғы түбінің сопақша (овальной) болып келуінен болады. Осындай жағдайды алмасты жынысталқандаушы аспаппен бұрғылағанда ұңғының қисаю көрсеткіші қатты қорытпалы коронканы немесе шарошкалы қашауды пайдаланғандағы ұңғының қисаюымен салыстырғанда көрсеткіштен аз болады. Бірінші жағдайда қисаю қарқындылығы орташа 100 метрге 2—5°-қа жетеді, ал екіншіде – 100 метрге 3—8⁰ – ты құрауы мүмкін.

Жынысталқандаушы құралдың түбінде пайда болатын төңкеру моментінің әсерінен қабаттық жыныстарды бұрғылау кезінде қисаю қарқындылығы үлкен мәреге жетеді (100 метрге 20⁰ дейін).

Қабаттық жыныстарды бұрғылау кезінде ұңғының қисаюы жынысталқандаушы құралдың түбінде пайда болатын төңкеру моментінің әсерінен болады. При частой переме­жаемости пород интенсивность искривления скважин может до­стигать значительных значений. Ең көп ұңғының қисаю қарқындылығы қабатты шөгінді жыныстарды бұрғылауда байқалады. Мұндай жағдайда ұңғының қисаюы жынысталқандаушы аспапқа төңкеру моментінің әсері болғандықтан, сондай-ақ, түптің сопақша өңделу салдарынан болады.

Сол сияқты жағдайда Орталық Қазақстандағы күрделі шөгінді қатты метаморфизді жынысты Қаражал кен орны мысал болып табылады. Бұл кен орнында диаметрі 76 мм алмас коронкасымен бұрғылағанда ұңғының қисаю қарқындылығы кейбір жерлерде 100 метрге 20° - тан асты.