§ 2. Конструкция скважин

Скважиной называют вертикальную или наклонную горную вы­работку с круглым поперечным сечением диаметром порядка не­скольких сантиметров и глубиной до нескольких километров. Дно скважины называют забоем, боковую поверхность — стволом, а выход на поверхность — устьем.

При бурении и эксплуатации скважины ее стенки должны быть надежно укреплены для исключения их обвалов. Все пласты, че­рез которые пробурена скважина, должны быть разобщены друг от друга. Для этого в скважину спускают металлические обсадные трубы, а пространство между ними и горной породой заполняют жидким цементным раствором, который, застывая, образует коль­цо цементного камня.

В зоне расположения продуктивного пласта в колонне обсадных труб и цементном камне создают ряд отверстий, соединяющих пласт с внутренней полостью обсадных труб. Полученный после

выполнения всех этих работ вертикальный или наклонный капал, соединяющий продуктивный пласт с трубопроводами, расположен­ными на поверхности земли, и является скважиной.

В зависимости от геологического разреза, способов бурения и вскрытия эксплуатационного пласта, ожидаемого пластового дав­ления и т. д. используют различные конструкции скважин, отлича­ющиеся числом рядов концентрически расположенных обсадных труб различных диаметров, спускаемых на различные глубины. Совокупность колонн обсадных труб различного диаметра и дли­ны, спущенных в скважину, называется конструкцией скважины.

В зависимости от расположения и назначения каждого ряда труб различают:

направление — первый ряд труб, спускаемых на глубину до 40 м для предохранения устья скважины от размывания промы­вочной жидкостью и исключения межпластовых перетоков и заг­рязнения верхних водоносных горизонтов в течение всего срока эк­сплуатации скважины;

кондуктор — второй ряд труб с максимальной глубиной спуска до 500-—600 м, предназначенный для обеспечения устойчи­вости стенок скважины в верхнем ее интервале. В процессе буре­ния эта колонна труб препятствует проникновению бурового раст­вора и других технологических жидкостей, используемых при бу­рении скважины, в водоносные горизонты;

технические (или промежуточные) колонны — один или несколько концентрически расположенных рядов труб, спускаемых в скважину в процессе бурения для изоляции водо­носных пластов, нефтяных и газовых горизонтов, зон поглощения или зон с неустойчивыми, плохо сцементированными породами. В зависимости от конкретных условий их число и глубина спуска меняются. При благоприятных условиях бурения они могут вооб­ще не использоваться.

эксплуатационная колонна — последний ряд труб, спускаемых в скважину. После спуска этой колонны в скважину процесс ее углубления прекращается. В эксплуатационную колон­ну спускают внутрискважинное оборудование для подъема продукции пласта на поверхность или закачки в него жидкости или газа. В отдельных случаях подъем или закачку жидкости или газа осуществляют с использованием только эксплуатационной колонны.

Техническая и эксплуатационная колонны могут спускаться на всю глубину — от забоя до устья скважины или перекрывать не-обсаженный интервал ствола скважины от забоя до предшествую­щей колонны. Такие колонны называют хвостовиками.

Если конструкция скважины включает помимо направления и кондуктора только эксплуатационную колонну, то ее называют од­ноколонной, при наличии одной или нескольких промежуточных колонн ее называют соответственно двух- или многоколонной (рис. 1.2).

В настоящее время при бурении скважин в большинстве слу­чаев стремятся ограничиваться эксплуатационной колонной дпа-

7

Рис. 1.2. Схема конструкций скважин:

а, б — с двумя обсадными колоннами; в — с тремя обсадными колоннами; 1 — кондуктор; 2 — эксплуатационная колонна; 3 – техническая колонна; г — схема колонной головки: 1 — фланец катушки; 2 — пробка; 3— корпус головки; 4 — уплотнение; 5 — корпус уплотнения; 6 — клинья, 7 — патрубок; 8 — фланец; 9 — эксплуатационная колонна; 10 — фланец кон­дуктора

метром 146 или 168 мм, позволяющими спускать в них оборудова­ние, обеспечивающее при механизированной добыче нефти дебиты порядка 700 м³/сут (а при фонтанном способе и выше), а газа — до 500 тыс. м³/сут. Спущенные в скважину обсадные колонны цементируют путем закачки цемента в кольцевое пространство между стенками скважины и колонны. После затвердевания це­ментный камень разобщает нефте- и газоносные пласты, исключа­ет перетоки между ними, защищает обсадные трубы от корродиру­ющего воздействия минерализованных пластовых вод.

У устья скважины все спущенные в нее колонны обвязываются с помощью колонной головки. В дальнейшем на ее верхнем флан­це монтируют оборудование для эксплуатации скважины.

К завершающему этапу бурения относится вскрытие продук­тивного пласта. Способ вскрытия зависит от пластового давления, устойчивости пород продуктивного пласта, его проницаемости и т. п. При вскрытии пласта должны быть приняты меры для предот-

вращения открытого фонтани­рования, сохранения природ­ных фильтрационных свойств пласта, исключения попадания в его поры бурового или тампонажного раствора. Техноло­гия вскрытия пласта должна обеспечивать длительную его эксплуатацию и максималь­ный приток нефти и газа в скважину.

Применяемый способ вскры­тия предопределяет форму и размеры отверстий (рис. 1.3), соединяющих внутреннюю по­лость эксплуатационной ко­лонны с продуктивным пла­стом. Для этого используются пулевые, торпедные, кумуля­тивные и гидропескоструйные перфораторы.

Рис. 1.3. Форма отверстий при вскры­тии с использованием различных спосо­бов перфорации:

а — пулевая; б — торпедная; в — кумулятив­ная; г — гидропескоструйная; 1 — колонна обсадных труб; 2 — цементное кольцо; 3 — пласт

Пулевые перфораторы опускают в скважину на специальном электриче­ском кабеле. При подаче элек­трического импульса происхо­дит залп и в радиальном на­правлении выстреливаются пу­ли диаметром 12,5 мм, которые, пробивая обсадную колонну и це­ментное кольцо, внедряются в продуктивный пласт. В результате образуются каналы, длина которых в зависимости от прочности породы и типа перфоратора составляет 65—150 мм.

Более эффективны торпедные перфораторы, стреляю­щие разрывными снарядами диаметром 22—32 мм замедленного действия, при взрыве которых образуются каверны глубиной до 100—160 мм. Недостатком и тех и других является возможность образования трещин в обсадной колонне и цементном кольце.

При использовании кумулятивных перфораторов от­верстие в колонне, цементном кольце и продуктивном пласте об­разуется за счет прожигания их сфокусированной струей газов, возникающих при взрыве кумулятивных зарядов и движущихся со скоростью 6000—8000 м/с. При этом давление струи газа на стенку скважины составляет до 30 ГПа. Кумулятивный эффект достигается за счет создания на поверхности заряда выемки осо­бой формы. В породе образуется сужающийся канал глубиной до 350 мм с максимальным диаметром 8—14 мм. К недостаткам этого способа вскрытия относится то, что в процессе перфорации струя газов увлекает за собой жидкость, которой заполнена сква­жина, и под большим давлением внедряет ее в породу пласта. При

этом происходит засорение пор пласта — кольматация, затрудняю­щая в дальнейшем приток нефти в скважину.

От недостатков пулевой и кумулятивной перфорации свободна гидропескоструйная перфорация. При использовании этого метода перфоратор спускают на колонне труб и с помощью специальных насосов нагнетают под давлением 15—30 МПа жид­кость с песком, которая, вытекая из насадок перфоратора, посте­пенно разрушает колонну, цементное кольцо и породу пласта. В результате образуется коническая полость с увеличивающимся диаметром (от 30 до 60 мм) и глубиной до 1000 мм. При этом ко­лонна не разрушается в местах, не подвергаемых воздействию по­тока жидкости, и не появляются трещины в цементном кольце.

После опробования скважины и испытания продуктивного пла­ста скважина сдается в эксплуатацию и в нее спускают подъем­ные трубы для подъема пластовой жидкости, закачки жидкости или газа в пласт.

Как и любое другое сооружение, скважина нуждается в уходе и ремонте, поскольку и оборудование, находящееся в ней и на устье, и стволовая часть, и фильтр рано или поздно разрушаются, изна­шиваются и перестают выполнять свои функции.

В процессе эксплуатации скважины может возникнуть необхо­димость перехода на новый продуктивный горизонт (т. е. другой пласт), лежащий выше или ниже уже освоенного, углубления сква­жины или забуривания нового ствола, идущего в бок от уже имею­щегося. Помимо этого, могут возникнуть повреждения цементно­го кольца, смятие колонны обсадных труб, что усложняет или во­обще делает невозможным дальнейшую эксплуатацию скважины.