книги из ГПНТБ / Григорян, Н. А. Бурение наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров

Григорян Н. А. Бурение наклонных скважин умень­ шенных н малых диаметров. М., «Недра», 1974, 240 с.

В книге изложены основные вопросы бурения на­ клонных скважин уменьшенных и малых диаметров. Рассмотрены отличительные стороны бурения таких скважин, влияние конструктивных особенностей элемен­ тов компоновки низа бурильного инструмента па отдель­ ные этапы проводки наклонных скважин, условия • их нормальной эксплуатации. Приведены результаты впер­ вые проведенных экспериментальных исследований про­ цесса фрезерования стенки ствола, температуры нагрева бурильных труб и трехшарошечпых долот в процессе бурения. В книге новыми вопросами являются иссле­ дование боковых фрезерующих способностей буровых долот, их влияние на процесс искривления скважин, условия проектирования бурения наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров, комплексная харак­ теристика процесса турбинного бурения наклонных скважин н зарезки нового ствола.

Книга предназначена для научных и инженеонотс.хннчески.х работников, занимающихся бурением нефтя­ ных и газовых скважин.

Табл. 32, ил. 72, список лит.— 85 назв.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Директивами XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану раз­ вития народного хозяйства предусматривается к 1975 г. довести добычу нефти до 480—500 млн. т в год, а добычу и производство газа — до 300—320 млрд. м3. Необходимость такого бурного раз­ вития нефтяной и газовой промышленности страны вызвана тем, что нефть и газ используются не только как дешевое и высокока­ лорийное энергетическое сырье, но и как сырье для бурно разви­ вающейся химической промышленности, которая стала основой подъема сельскохозяйственного производства и роста благосостоя­ ния советского народа.

Претворение в жизнь этих грандиозных задач, наряду с откры­ тием и освоением новых месторождений, улучшением показателей работы нефтепромысловых хозяйств и широкого разворота фронта буровых работ, требует дальнейшего совершенствования техники

итехнологии проводки нефтяных и газовых скважин. Важнейшим техническим мероприятием в области совершенствования бурения является уменьшение диаметра и облегчение конструкций сква­ жин. Это позволяет значительно сократить капитальные вложения

исэкономить большее количество металла, труб, цемента, химиче­ ских реагентов, утяжелителя, электроэнергии, топлива и т. д.

Значительное сокращение капитальных затрат и времени дает бурение наклонных скважин в процессе разработки нефтяных и газовых месторождений, залегающих под дном морей, и трудно­ доступных площадей. Наклонными скважинами пользуются при многозабойном вскрытии продуктивных пластов с целью увеличе­ ния зоны дренирования и поверхности фильтрации, а также при тушении фонтанов, ликвидации открытых выбросов и т. д. Этот вид бурения часто применяют для ликвидации последствий различ­ ного рода осложнений и аварий в скважинах путем зарезки но­ вого ствола.

Большое многообразие условий, при которых проводка наклон­ ных скважин оказывается наиболее рациональной и рентабельной, привело к тому, что турбинное бурение наклонных скважин, разра­ ботанное в 1940 г. Р. А. Иоаннесяном, П. П. Шумиловым, Э. И. Тагиевым и М. Т. Гусманом, в настоящее время получило широкое распространение и применяется почти во всех нефтяных районах страны. Это является результатом плодотворной и творческой дея­ тельности большого числа научных, инженерно-технических работ­ ников и производственников.

Значительный вклад в развитие теории и практики бурения наклонных скважин внесли М. М. Александров, А. О. Асан-Нури,

Н. С. Тимофеев, В. С. Федоров, А. Н. Шаньгин, К. Б. Шахбазбеков, Г. А. Шетлер, П. П. Шумилов и др.

Вполне очевидно, что уменьшение диаметра наклонных сква­ жин позволит еще больше повысить эффективность этого вида бу­ рения. Однако темпы уменьшения диаметра наклонных скважин отстают от темпов уменьшения диаметра вертикальных скважин и не отвечают имеющимся возможностям. В основном это может быть объяснено трудностями регулирования направления ствола наклонных скважин при уменьшении их диаметра. Практика пока­ зала, что ряд положений и взглядов по вопросам техники и техно­ логии бурения наклонных скважин, основанных на опыте проводки таких скважин долотами диаметрами 243, 269 мм и выше, для случаев уменьшенных и малых диаметров неприменимы, так как не отображают действительную картину явлений и становятся сдерживающими факторами в деле их успешной проводки.

Влияние уменьшения основных размеров элементов компоновки низа бурильного инструмента, а также зазора между ними и стенками ствола при бурении наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров в ряде случаев носит не только количествен­ ный, но и качественный характер. Этим может быть объяснено, что в первоначальной стадии внедрения турбобуров диаметром 65/з" в наклонном бурении с 214 и 190-мм долотами применение ком­ поновки аналогично той, которая успешно использовалась при бу­ рении долотами диаметром 295, 269 и 243 мм не имела успеха.

В имеющихся монографиях и работах вопросы, характеризу­ ющие специфику бурения наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров, боковые фрезерующие способности буровых до­ лот, особенности забойных двигателей, закономерности процесса фрезерования стенки ствола, методику выбора рациональных па­ раметров искривления ствола и основных размеров отклоняющих компоновок, температурный режим работы долот и бурильных труб в наклонных скважинах, опыт бурения наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров или не рассмотрены, или осве­ щены весьма недостаточно.

Исследование этих вопросов, установление всех положительных

иотрицательных сторон бурения наклонных скважин уменьшенных

ималых диаметров, разработка соответствующих мероприятий для повышения эффективности их проводки являются настоятельной необходимостью не только для улучшения технико-экономических показателей этого вида бурения скважин, но и для освоения боль­ ших глубин. Дело в том, что с ростом глубин приходится ступен­

4

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ И ОСОБЕННОСТИ БУРЕНИЯ НАКЛОННЫХ СКВАЖИН УМЕНЬШЕННЫХ И МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ

В зависимости от диаметра скважины подразделяются иа сле­ дующие группы:

а) скважины большого диаметра, у которых ствол пробурен долотами диаметром 295 мм и более;

б) скважины нормального диаметра, у которых ствол пробу­ рен долотами диаметром 269 и 243 мм;

в) скважины уменьшенного диаметра, в которых проходка ствола осуществлена долотами диаметром 214 и 190 мм;

г) скважины малого диаметра, в которых проходка ствола осу­ ществлена долотами диаметром 172 мм и ниже.

Такая классификация скважин по диаметру, как и их разделе­ ние по глубине на глубокие и сверхглубокие, является условным. Она характеризует освоенность и масштабы работ, поэтому с усо­ вершенствованием техники и технологии бурения скважин может претерпевать соответствующие изменения.

Скважина большой глубины с многоколонной конструкцией мо­ жет состоять из интервалов стволов большого, нормального, уменьшенного, а также малого диаметра. Если речь идет о буре­ нии скважин уменьшенных и малых диаметров, то это относится к интервалу бурения под эксплуатационную колонну, т. е. к ниж­ ней части скважин. Бурение верхних интервалов таких скважин может быть осуществлено долотами большого и нормального диа­ метров под промежуточные колонны и кондуктор.

Эксплуатационная колонна должна обеспечивать получение на­ ибольшего дебита нефти и газа; применения различных методов искусственного воздействия на пласт (гидроразрывы пласта, хими­ ческая обработка забоя, термические воздействия и т. д.); возмож­ ность возвращения на вышележащие горизонты; производство ловильных и ремонтных работ при аварии с насосно-компрессор­ ными трубами, глубинными насосами и т. п.

На промыслах СССР в качестве эксплуатационных применя­ ются колонны, составленные из обсадных труб с наружным диа­ метром 168, 159, 146, 141, 127 и 114 мм [76, 71]. Для газовых сква­ жин диаметр эксплуатационной колонны может быть и больше указанных величин. Необходимый диаметр скважины под эксплуа­ тационную колонну принятого размера определяют из соотноше­ ния [76]

где jDm— диаметр муфты обсадной колонны; б — толщина цемент­ ного кольца против муфты трубы в затрубном пространстве.

Величина зазора между муфтами обсадных труб и стенками скважин зависит от величины выхода рассматриваемой колонны из-под башмака предыдущей обсадной колонны: чем больше вы­ ход, тем больший нужен зазор. На промыслах СССР рекомендуе­ мые значения величин зазора изменяются в пределам 15—50 мм и зависят от жесткости колонны, степени» искривления ствола сква­ жины и условий бурения.

В табл. 1 представлены рекомендуемые значения зазора между стенками скважины и диаметром муфт [76] и соответствующие им диаметры долот для бурения под эти колонны.

П р и м е ч а н и е . В скобках указаны диаметры алмазных долот.

Из таблицы следует, что диаметры скважин соответствуют ре­ гламентируемым нормам и являются рациональными, если буре­ ние под эксплуатационные 168, 159, 146 и 141-мм колонны осуще­ ствляется долотами уменьшенного диаметра, а под 127 и 114-мм колонны — долотами малого диаметра. Однако такое рациональ­ ное сочетание диаметров скважины и эксплуатационной колонны имеет место при проводке скважин на сравнительно небольшие глубины, а также в нижних интервалах сверхглубоких скважин после спуска промежуточных колонн — 219 и 194-мм хвостовиков. Основной объем бурения под эксплуатационные колонны произво­ дится долотами нормального диаметра (269 и 243 мм), а несколько лет назад производился даже долотами большого диаметра (295 мм). Такое положение скорее всего является результатом

7

большого опыта и навыков в технике и технологии бурения сква­ жин долотами нормального диаметра.

На практике долотами диаметром 269 мм бурят и под проме­ жуточную колонну — 219-мм хвостовик и под эксплуатационные 168 и 146-мм колонны.

Экономическая целесообразность уменьшения диаметра наклонных скважин

Экономическая целесообразность уменьшения диаметров на­ клонных скважин вызывается тем обстоятельством, что примерно 75—80% затрат от общего объема на строительство скважины зависят от ее диаметра. Затраты изменяются с изменением глу­ бины, скважины, скорости и условий бурения.

К затратам, зависящим от диаметра скважин, относятся: а) об­ садные трубы; б) энергия; в) цемент; г) глинистый раствор, хи­ мические реагенты и утяжелители; д) долота; е) цементаж; ж) транспорт обсадных труб, цемента, глины, химических реаген­ тов и утяжелителей.

Переход к бурению наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров дает следующие технико-экономические преимущества

[68].

1.Снижаются капитальные затраты на строительство скважин

врезультате уменьшения расходов металла, энергии, цемента, гли­

нистого раствора, химических реагентов, утяжелителя и транспорта этих материалов; возникает возможность получить, при одних

итех же капиталовложениях и в меньшие сроки, больше нефти и газа, так как за одни и те же средства можно пробурить больше скважин уменьшенного и малого диаметров и сократить сроки раз­ работки залежи.

2.Возникает возможность (в ряде случаев) в процессе проек­ тирования разработки залежи сократить расстояние между сква­ жинами на структуре, т. е. увеличить число скважин уменьшенных

ималых диаметров без увеличения капиталовложений, что и соз­ дает более благоприятные условия для повышения конечного коэф­ фициента нефтеизвлечения.

3.Увеличивается возможность применения передвижных буро­ вых установок, уменьшаются сроки и стоимость строительства скважин по сравнению со стационарными буровыми установками.

4.Ускоряются различные технологические процессы и облегча­ ется труд рабочих на скважине, вследствие применения облегчен­ ных оборудования и инструмента.

5.Возникает возможность освоения больших глубин, так как

при прочих равных условиях вес бурильных и обсадных колонн уменьшается, а устойчивость их (на смятие и на внутрен­ нее давление) — увеличивается.

6. Создаются условия для экономии металла и других материа­ лов при строительстве морских нефтяных промыслов.

8

Расчеты А. Б. Сулейманова для условий морского нефтяного месторождения Грязевая Сопка показывают, что при переходе от скважин обычного диаметра к скважинам уменьшенного диаметра, нагрузки и напряжения на морские основания снижаются на 5,1 По­ следовательно, соответственно можно уменьшить металлоемкость морских гидротехнических сооружений.

Отмеченные экономические преимущества от перехода к буре­ нию наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров про­ явятся полностью, если при этом техника и технология бурения не приведут к существенному снижению скорости строительства сква­ жин. Влияние скорости бурения скажется на затратах, зависящих от времени.

Если совокупное влияние факторов, снижающих затраты на строительство скважин от уменьшения их диаметра, будет преоб­ ладать над совокупным влиянием другой группы факторов, увели­ чивающих эти затраты от возможного снижения скорости бурения, то переход к бурению наклонных скважин уменьшенных и малых диаметров будет экономически целесообразным.

Практика разработки ряда площадей (Артем-море, банка Дар­ вина, Нефтяные Камни, Грязевая сопка и др.) показывает, что постепенный переход от бурения наклонных 295-мм скважин к 269, 243, 214 и 190-мм скважинам (под эксплуатационные колонны диа­ метром 168 и 146 мм) способствовал значительному снижению об­ щих затрат и стоимости строительства скважин. Поскольку конеч­ ная цель бурения скважин добыча нефти и газа, то при выборе их диаметров и диаметров эксплуатационных колонн решающее зна­ чение должны иметь не технико-экономические показатели буре­ ния, а обеспечение необходимого отбора жидкости из пласта. Следовательно, уменьшение диаметра наклонных скважин, а в ряде случаев и диаметра эксплуатационной колонны, не дол­ жно существенно снижать производительность скважин.

Влияние диаметра скважин на их производительность

При разработке месторождений нефти, газа и газоконденсата с высокими дебитами скважин обычно стремятся использовать экс­ плуатационные колонны возможно большего диаметра. Глубина спуска этих колонн зависит от глубины скважин. В скважины, пробуренные долотами нормального диаметра (269 и 243 мм), на средние глубины обычно спускают эксплуатационные 168, 159 и 146-мм колонны, а в глубоких и сверхглубоких скважинах — ком­ бинированные эксплуатационные 168 и 146-мм колонны. Эксплуа­ тационные колонны указанных диаметров могут быть спущены н

вскважины, пробуренные долотами уменьшенных диаметров (214

и190 мм). Поэтому с точки зрения получения намечаемых деби­

тов нефти, газа и газоконденсата нет ограничивающего фактора для перехода от бурения наклонных скважин нормальных диаметров

9