Крепление скважин - спуск обсадных колонн и разобщение пластов (Лекция 17)
Для разобщения пластов и предупреждения осложнений при бурении ствол скважины закрепляют стальными обсадными трубами, а в кольцевой канал между стенками ствола и трубами закачивают цементный раствор, образующий после схватывания и твердения цементный камень.
Крепление скважины преследует цели:
- образование долговечного и герметичного канала для транспортирования нефти, газа, воды из пласта на поверхности или для закачки в пласт различных агентов;
- обеспечение надежного разобщения пластов с различными давлениями, а также продуктивных горизонтов от непродуктивных и продуктивных друг от друга;
- закрепление стенок скважины, сложенных недостаточно устойчивыми горными породами.
Конструкция скважины
Определяющими факторами являются допустимая протяженность интервалов, где возможно бурение без крепления, и конечный диаметр ствола скважины или рекомендуемый диаметр последней (эксплуатационной) колонны.
Крепление скважины проводят с различными целями: закрепление стенок скважины в интервалах неустойчивых пород; изоляция зон катастрофического поглощения промывочной жидкости и зон возможных перетоков пластовой жидкости по стволу; разделение интервалов, где геологические условия требуют применения промывочной жидкости с весьма различной плотностью; разобщение продуктивных горизонтов и изоляция их от водоносных пластов; образование надежного канала в скважине для извлечения нефти или газа или подачи закачиваемой в пласт жидкости; создание надежного основания для установки устьевого оборудования.
На практике r глубокие скважины обычно спускают несколько обсадных колонн, которые различаются по назначению и глубине спуска (рис. 10.1):
1. - направление - служит для закрепления устья скважины и отвода изливающегося из скважины бурового раствора в циркуляционную систему, обычно спускается на глубину 3 -10 м;
- кондуктор - устанавливается для закрепления стенок скважины в интервалах, представленных разрушенными и выветрелыми по
родами, и предохранения водоносных горизонтов - источников водоснабжения от загрязнения, глубина спуска до нескольких сот метров;
- - промежуточная колонна - служит для изоляции интервалов слабосвязанных неустойчивых пород и зон поглощения промывочной жидкости; глубина спуска колонны зависит от местоположения осложненных интервалов;
- - эксплуатационная колонна - образует надежный канал в скважине для извлечения пластовых флюидов или закачки агентов в пласт; глубина ее спуска определяется положением продуктивного объекта. В интервале продуктивного пласта эксплуатационную колонну перфорируют или оснащают фильтром.
- - потайная колонна - служит для перекрытия некоторого интервала в стволе скважины; верхний конец колонны не достигает поверхности и размещается внутри расположенной выше обсадной колонны. Если она не имеет связи с предыдущей колонной, то называется «летучкой».
Спущенную обсадную колонну цементируют в стволе скважины по всей длине или некотором интервале, начинающемся от нижнего конца колонны. Промежуточная колонна в отдельных случаях, когда имеется опасность чрезмерного ее износа при бурении нижерасположенного интервала, может быть съемной или проворачиваемой. В этом случае ее не цементируют.
При бурении скважин на морских акваториях с опорных или плавучих средств от водной поверхности к донному устью скважины устанавливают подвесную водоизолирующую колонну, которая служит для подъема промывочной жидкости к поверхности и является направлением для бурильной колонны во время спуска в скважину. Кроме того, существует еще съемная или фальш-колонна (проворачивающая).
Если скважину крепят кондуктором и эксплутационной колонной, то такую конструкцию называют одноколонной.
В проектно-технической документации существует определенный порядок представления конструкции скважины на схеме (рис. 10.2).
Разработка конструкции скважины
В проекте строительства скважины разработка ее конструкции — очень ответственный раздел. От правильного учета характера нагру- жения, условий работы и износа колонн за период существования скважины зависит надежность конструкции. Вместе с тем выбранная конструкция предопределяет объем работ в скважине и расход материалов и поэтому существенным образом влияет на стоимостные показатели строительства и эксплуатации скважины.
Разработка конструкции скважины начинается с решения двух проблем: определения требуемого количества обсадных колонн и глубины спуска кавдой из них; обоснования расчетным путем номинальных диаметров обсадных колонн и диаметров породоразрушающего инструмента.
Число обсадных колонн определяется на основании анализа геологического разреза в месте заложения скважины, наличия зон, где бурение сопряжено с большими осложнениями, анализа картины изменения коэффициентов аномальности пластового давления и индексов поглощения, а также накопленного практического опыта проводки скважин. Результаты изучения конкретной геологической обстановки позволяют сделать выводы о несовместимости условий бурения и на этом основании выделить отдельные интервалы, подлежащие изоляции. По имеющимся данным строят график изменения коэффициента аномальности пластового давления кл и индекса давления поглощения кп с глубиной и на нем выделяют интервалы, которые можно проходить с использованием раствора одной плотности (рис. 10.3).
В отдельных случаях, когда имеющихся геологических сведений недостаточно для обоснования количества колонн и у проектировщиков имеются серьезные опасения, что в скважине могут возникнуть непредвиденные осложнения, в конструкции первых поисковых и поисково- разведочных скважин может быть предусмотрена резервная колонна.
Глубину спуска каждой обсадной колонны уточняют с таким расчетом, чтобы ее нижний конец находился в интервале устойчивых монолитных слабопроницаемых пород и чтобы она полностью перекрывала интервалы слабых пород, в которых могут произойти гидроразрывы при вскрытии зон АВПД в нижележащем интервале.
Определив число обсадных колонн и глубину их спуска, приступают к согласованию расчетным путем нормализованных диаметров обсадных колонн и породоразрушающего инструмента. Исходным для расчета является либо диаметр эксплуатационной колонны, который устанавливают в зависимости от ожидаемого дебита скважины, либо конечный диаметр скважины, определяемый размером инструментов и приборов, которые будут использоваться в скважине.
Диаметры рассчитывают в следующем порядке: по наружному диаметру эксплуатационной колонны по ГОСТ 632—80 находят диаметр соединительной муфты DMi; подсчитывают диаметр долота для бурения под эксплуатационную (первую снизу) колонну
где д - зазор между стенкой скважины и муфтой; он зависит от диаметра обсадной колонны и величины ее выхода из-под предыдущей колонны.
Рис. 10.3. График изменения и к для обосновании конструкций скважины:
1-K1; 2 – K2
Рекомендуемые зазоры между стенкой скважины и муфтой обсадной колонны
Номинальный диаметр 114, 140, 168-194 219, 273, 324 - 351 377, обсадной колонны, мм... 127 146 245 299 426
Зазор, мм 10 15 20 25 30 35 45
Диаметр долота Dal уточняют в соответствии с нормализованными размерами по ГОСТ 20692 - 75 и находят Dal н.
Внутренний диаметр последующей обсадной колонны
где Δ - радиальный зазор между обсадной трубой и долотом, Δ= 5 - 10 мм.
По расчетному значению внутреннего диаметра в соответствии с размерами, указанными в ГОСТ 632 - 80, подбирают нормализованный диаметр обсадной колонны. Подобным образом повторяют расчет для каждой последующей колонны до самой верхней.
Если строительство скважины завершается без спуска обсадной колонны на конечную глубину, исходным является диаметр долота для конечного интервала.
10.3. Условия работы обсадных колонн
В процессе спуска в ствол скважины, цементирования и прочих работ в скважине (бурение нижерасположенного интервала, вызов притока, добыча нефти или газа и т. д.) обсадная колонна испытывает различные по величине и характеру нагрузки. Среди них можно выделить: продольные усилия растяжения от собственного веса; дополнительные продольные динамические нагрузки, возникающие в связи с изменением скорости спуска; осевые нагрузки от трения обсадной колонны о стенки скважины при ее спуске; продольные нагрузки сжатия в нижней части колонны от собственного веса при разгрузке ее на забой или под действием окружающих пород при их осадке по мере выработки продуктивного пласта; продольные нагрузки в колонне при бурении и эксплуатации вследствие продольных деформаций под воздействием изменения температурного режима; наружное давление на колонну со стороны массива горных пород и жидкости, заполняющей затрубное пространство; нагрузки в колонне от ее изгиба при спуске в искривленный ствол; внутреннее давление при цементировании колонны, проверке ее герметичности, регулировании притока и т. д.
Сочетание различных нагрузок приводит к возникновению сложного напряженного состояния в материале обсадных труб. Если результирующее напряжение превосходит предел пластичности, то в трубе появляются необратимые деформации, которые в итоге приводят к разрушению обсадной колонны.
Так как невозможно учесть все многообразие нагрузок* воздействующих на обсадную колонну в стволе скважины, на основании экспериментальных исследований и практического опыта выделены три наиболее опасные нагрузки: нагрузка растяжения от собственного веса подвешенной в стволе скважины обсадной колонны, наружное избыточное давление (сминающая нагрузка), внутреннее избыточное давление.
Рассмотрим каждую из указанных нагрузок отдельно.
Нагрузка растяжения возникает под воздействием собственного веса обсадной колонны, возрастает по мере увеличения глубины спуска колонны и достигает максимального значения в верхнем сечении, когда вся обсадная колонна спущена в ствол скважины. В качестве расчетной нагрузки для любого сечения рассматривается вес труб, расположенных ниже этого сечения. Разгрузка колонны от действия выталкивающих сил не учитывается.
Внешнее давление. Источником внешнего давления на обсадную колонну могут быть гидростатическое давление промывочной жидкости, которая остается в затрубном пространстве в незацементирован- ной части; гидростатическое давление столба цементного раствора, прокачанного за колонну, до его полного схватывания; давление пластовых жидкостей (пластовое давление) в интервалах проницаемых пород; боковое давление горных пород, склонных к пластическому течению и вспучиванию.
Внутреннее давление. Высокое внутреннее давление возникает в обсадной колонне при нагнетании под давлением в скважину (продав- ка цементного раствора в затрубное пространство, гидроразрыв пластов и т. д.) и притоке пластового флюида из горизонтов с АВПД. Оно особенно опасно в газовых скважинах при эксплуатации месторождений с высоким пластовым давлением. С точки зрения действия избыточного внутреннего давления наиболее нагруженным оказывается верхнее (устьевое) сечение обсадной колонны. Внутреннее давление имеет максимальное значение в период ввода скважины в действие.