В самой природе вращательного бурения заложены предпосылки для искривления скважин. Кроме того, при бурении по крутопадающим породам и при чередовании пород различной крепости опасность искривления возрастает.

Искривление скважин может получиться также в результате небрежного монтажа буровой установки и несоблюдения технологии бурения (негоризонтальная установка ротора, плохая центрировка установки, криво установленный кондуктор, отсутствие достаточной нагрузки на долото, раскачивание бурильных труб и т. д.). Искривление скважины приводит к большим осложнениям, возникает опасность поломки бурильных труб, прихвата бурового снаряда и затрудняется обсадка скважины трубами.

Для предупреждения искривления скважин необходимо тщательно вести монтаж бурового оборудования, точно по вертикали устанавливать направляющую трубу - кондуктор, а в процессе работ соблюдать установленный режим бурения и в соответствии с характеристикой проходимых пород регулировать нагрузку на долото и количество его оборотов.

Для уменьшения горизонтальных смещений инструмента на забое применяют центраторы, представляющие собой обсадную трубу, вмонтированную в буровой снаряд выше долота. Диаметр центратора принимается равным диаметру труб, намеченных для крепления скважины.

До спуска колонны труб скважину проверяют шаблоном, который изготовляют из намеченных к обсадке труб, длиной 20-25 м.

Учитывая ряд серьезных осложнений, имевших место при обсадке скважин трубами большого диаметра, автором были разработаны «временные нормы» выхода колонн труб в породе в зависимости от диаметра труб и диаметра бурения, где были учтены большая вертикальность скважин, получаемая в результате применения РТБ, поэтому для этого способа бурения норма выхода колонн труб по сравнению с бурением расширителями увеличена (табл. 10). Приведенные в таблице величины не являются постоянными для всех случаев и уточняются в зависимости от местных условий.

Норматив по расширителям принят с учетом применения центраторов.

Одним из наиболее тяжелых   осложнений,

Таблица 10

возникающих при сооружении скважин и нередко приводящих к их гибели, является деформация обсадных труб.

Анализ причин деформации труб показал, что почти все они произошли под действием гидростатического давления, проявление которого не было своевременно учтено.

На трубы, опущенные в скважину, действуют две нагрузки: гидростатическое давление жидкости и горное давление породы.

Гидростатическое давление является основной   нагрузкой и определяется   по   формуле

(7)

где     - удельный вес жидкости;
Н - глубина ниже уровня жидкости.

С увеличением глубины увеличивается   гидростатическое давление.
При сооружении скважины на обсадные трубы может передаваться давление подземных вод (). давление глинистого раствора, оставшегося в затрубном пространстве (), и, наконец, давление цементного раствора в период затрубной цементации до его схватывания ().

В процессе бурения   внешнее   гидростатическое давление не представляет особой опасности, так как скважина заполнена глинистым раствором, создающим изнутри противодавление.

Опасность может возникнуть при вскрытии  скважинной водообильной зоны, что влечет за собой катастрофическое    поглощение промывочной жидкости: уровень ее внутри скважины резко понижается, в результате чего с наружной стороны скважины создастся избыточное гидростатическое давление, могущее привести к деформации труб.После окончания сооружения скважины до ее опорожнения надо убедиться в надежности проведенной затрубной цементации и отсутствии в затрубном пространстве глинистого или несхватившегося цементного раствора.

Горное давление, как нагрузка   на   обсадные трубы, играет второстепенную роль.

Многие специалисты считают, что для расчета обсадных труб на сжатие при    глубоких скважинах следует учитывать   только   гидростатическое давление. Одной из наиболее простых формул для определения горного давления является формула проф. Протодьяконова

(8)

где     -удельный вес породы;
Н - мощность пласта породы;
- угол внутреннего трения породы.

Из формулы видно, что величина горного давления зависит от угла внутреннего трения. Чем меньше его значение, тем больше давление на трубы, следовательно, в сыпучих породах (песках) давление будет больше, чем в породах связанных. В породах скального типа (гранитах, твердых песчаниках), где = 90°, давление на трубы равно нулю.

Горное давление может привести к смятию труб при подвижках или вывалах породы, когда последняя, соприкасаясь с обсадными трубами, на отдельных участках создает неравномерное давление на них. Лучшей защитой от такой опасности является затрубная цементация, устраняющая пустоты вокруг колонны труб.

Зная, каким нагрузкам будут подвергаться трубы в процессе бурения и эксплуатации скважины, можно составить конструкцию и расчетом подобрать нужные параметры обсадных труб.

Прочность труб зависит от ряда факторов, основными из которых являются: толщина стенок, диаметр трубы и марка стали. Помимо указанных факторов на прочность трубы влияют (отрицательно) ее овальность и разностенность, которые имеют место, как правило, в трубах большого диаметра.

Есть ряд формул различных авторов, по которым величину сминающих нагрузок определяют в зависимости от, вышеперечисленных факторов. Эти формулы,   а   также таблицы и номограммы, упрощающие их применение, можно найти в руководствах по бурению.

В настоящем разделе приводятся зависимости между величиной допускаемого давления на трубы Ркр и вышеперечисленными тремя основными факторами:

а) зависимость от диаметра трубы (при толщине стенки b=10 мм):

б) зависимость от толщины стенки трубы

в) зависимость от материала трубы.

При повышении предела пропорциональности материала трубы в 2 раза (с 2200 до 4400 кг/см²) допускаемое давление на трубу в зависимости от толщины стенок возрастает от 10 до 20%.

Из приведенных зависимостей видно, какое большое значение для прочности труб имеет каждый из перечисленных факторов.

Поэтому совершенно недопустимо, когда на буровой при отсутствии труб с нужной толщиной стенки иногда опускают в скважину без соответствующего согласования трубы с более тонкой стенкой.

Овальность труб на буровой не проверяют, а в трубах большого диаметра она иногда достигает значительных размеров.

Как вывод из всего сказанного следует, что на каждую скважину, намеченную к бурению, необходимо разрабатывать проект производства работ, определяющий технологию бурения и конструкцию скважины.

Для глубоких скважин большого диаметра должен быть выполнен расчет труб на прочность.

На Яковлевском месторождении КМА бурили водопонижающую скважину глубиной 540 м для откачки воды из известняков, кровля которых залегает на глубине 500 м.

Вышележащие породы вмещают 4 водоносных горизонта, приуроченных к мергелям и пескам.

Проектная конструкция скважины была следующей:

Бурение осуществлялось до глубины 90 м РТБ-920 и до глубины 496 м РТБ-760. На указанную глубину были посажены трубы диаметром 630 мм. Бурение ниже башмака труб 630 мм по известнякам производилось роторным способом долотом 490 мм с промывкой водой.

На глубине 534 м была вскрыта карстовая полость, в результате чего произошло полное поглощение промывочной жидкости и уровень воды в скважине упал до 180 м. Трубы 630 мм на интервале 164-179 м оказались смятыми.

В момент поглощения промывочной жидкости на колонну труб 630 мм действовало гидростатическое давление (рис. 30), равное:

Толщина стенок труб была 11 мм. Если принять, что эллипсность в трубах отсутствовала и стенки труб на всем протяжении были одинаковыми, то и в этом случае критическое давление для указанных труб составляет 14,5 кГ/см2,т. е. будет меньше, чем возникшее гидростатическое давление.

На ликвидацию аварии было затрачено много времени и средств. Внутрь скважины была спущена торпеда и взорвана против деформированного участка трубы. Силой взрыва смятые трубы были распрямлены и после развальцовки их «грушей», внутрь удалось спустить колонну труб 426 мм и закончить сооружение скважины.

Рис.  30. Схема действия гидростатического давления на трубы
Во избежание повторения подобных случаев конструкция последующих водопонижающих скважин была усилена.
Цементирование обсадных колонн бывает двух видов: подбашмачное и цементирование затрубного пространства.