Разработка конструкции скважины

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 к_л и индекса давления поглощения к_п 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 D_Mi; 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 D_al уточняют в соответствии с нормализованны­ми размерами по ГОСТ 20692 - 75 и находят D_{al 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.