Практическое работа № 2 Изучение конструкции скважин

1. Общие положения

При бурении нефтяных и газовых скважин необходимо крепить их стенки, в результате:

• укрепляются стенки скважин, сложенные недостаточно устой­чивыми горными породами;

• разобщаются нефтеносные или газоносные пласты друг от дру­га, а также от водоносных пород.

Это позволяет создать долговечный и герметичный канал, по которому нефть или газ поднимаются с забоя до устья скважины без потерь. Пласты разобщают при помощи специальных труб, которые называются обсадными. Так как одно крепление стенок скважины обсадными трубами не создает разобщения пластов, то затрубное пространство заполняют цементным раствором при по­мощи специального цементировочного оборудования и приспо­соблений. Этот процесс называется цементированием скважины.

Рис. 1. Этапы бурения и обсадки ствола нефтегазовой скважины

2. Конструкция скважин

Понятие о конструкции скважины.

Расположение обсадных ко­лонн с указанием их диаметра, глубины установки, высоты подъема закачанного цементного раствора, диаметра долот, которыми ве­дется бурение под каждую колонну, а иногда и других данных на­зывается конструкцией скважины (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Пример конструкции скважины: а — профиль; б — концентрическое расположение колонн в стволе; в — графическое изображение конструкции скважины; г — рабочая схема конструкции скважины

В конструкции скважины используются следующие типы об­садных колонн:

направление — для крепления верхнего интервала, сложенного неустойчивыми отложениями. Предназначено для предотвращения размыва устья скважины;

кондуктор — для крепления верхних неустойчивых интервалов разреза, изоляции водоносных горизонтов от загрязнения, уста­новки на устье противовыбросового оборудования, а также для подвески последующих обсадных колонн;

промежуточная обсадная колонна — для крепления и изоляции вышележащих зон геологического разреза, несовместимых по ус­ловиям бурения с нижележащими. Служит для предотвращения осложнений и аварий в скважине при бурении последующего ин­тервала. В благоприятных условиях промежуточная колонна может быть использована в качестве эксплуатационной;

эксплуатационная колонна — для крепления и разобщения продуктивных горизонтов и изоляции их от других горизонтов геологического разреза скважины. Предназначена для извлечения нефти или газа на поверхность любыми известными способами.

Конструкция скважины должна обеспечить высокое качество строительства скважины как долговременно эксплуатируемого сложного нефтепромыслового объекта, предотвращение аварий и осложнений в процессе бурения и создание условий для снижения затрат времени и материально-технических средств на бурение.

Число обсадных колонн, необходимых для обеспечения пере­численных требований, определяется исходя из несовместимости условий бурения отдельных интервалов скважины.

Под несовмес­тимостью условий бурения понимается такое их сочетание, когда заданные параметры технологических процессов бурения нижележащего интервала скважины вызовут осложнения в пробуренном вышележащем интервале, если последний не закреплен обсадной колонной, а проведение дополнительных специальных технологических мероприятий по предотвращению этих осложнений невоз­можно.

Рис. 2. Двухколонная конструкция скважины: D1′ D2′ D3 — диаметры долот, применяемых соответственно при бурении под кондуктор, промежуточную и эксплутационную колонны; d1′ d2′′ d3′ d4 — диаметры соответственно направления, кондуктора, промежуточной и эксплутационной колонны; h1, h2, hv ht — интервалы цемен­тирования затрубного пространства соот­ветственно за направлением, кондуктором, промежуточной и эксплутационной колон­нами; L1′ L2′ L3′ L4 — глубина спуска соответственно направления, кондуктора, про­межуточной и эксплутационной колонн

Промежуточные обсадные колонны могут быть: сплошные, т. е. перекрывающие весь ствол скважины от забоя до устья, неза­висимо от крепления предыдущего интервала;

хвостовики — для крепления только необсаженного интервала скважины с перекры­тием предыдущей обсадной колонны, не менее чем на 100 м;

ле­тучки — специальные промежуточные обсадные колонны, слу­жащие только для ликвидации осложнений и не имеющие связи с предыдущей или последующими обсадными колоннами. Летуч­ки до устья скважины не наращиваются.

Промежуточная колонна-хвостовик может наращиваться до ус­тья скважин или при благоприятных условиях служить в качестве эксплутационной колонны. Когда износ последней промежуточ­ной колонны незначительный, эксплуатационная колонна может быть спущена в виде хвостовика.

При подсчете числа колонн, входящих в конструкцию сква­жин, направление и кондуктор не учитывают. Конструкцию сква­жины, состоящую из эксплуатационной и одной промежуточной колонны, называют двухколонной, а из эксплуатационной и двух промежуточных — трехколонной и т.д.

Выбор числа обсадных колонн и глубины их спуска.

Основными исходными данными для выбора числа обсадных колонн и глуби­ны их спуска являются:

• цель бурения и назначение скважины;

• проектный горизонт (пласт), глубина скважины, диаметр экс­плуатационной колонны;

• пластовые давления и давления гидроразрыва пород стратигра­фических горизонтов;

• способы заканчивания скважины и ее эксплуатации;

• профиль скважины (вертикальная, наклонно-направленная) и его характеристика (величина отклонения от вертикали, темп изменения угла и азимута искривления);

• характеристика пород по крепости.

Если достовер­ность геологического разреза недостаточна, допускается включе­ние в конструкцию скважины резервной промежуточной обсад­ной колонны. Если в процессе бурения будет установлено, что необ­ходимость в спуске резервной обсадной колонны отпала, то про­должают углубление ствола под очередную обсадную колонну до запроектированной глубины.

Выбор диаметров обсадных колонн и долот, высоты подъема це­мента.

Выбор диаметров обсадных колонн и диаметров долот осу­ществляется снизу вверх, начиная с эксплуатационной колонны. При заканчивании скважин открытым стволом выбор диаметров обсадных колонн и долот начинается с открытой части ствола. Диаметр эксплуатационной колонны зависит от способа заканчи­вания скважины, условий ее эксплуатации и задается заказчиками на буровые работы.

Диаметр долота D_a, которым предстоит бурить ствол скважины под колонну обсадных труб, определяют по следующей формуле:

D_д = D_м + 2

где D_M — диметр муфты спускаемой колонны обсадных труб, мм;

 — величина зазора между муфтой обсадной трубы и стенками, мм.

Величина зазора  зависит от диаметра и типа соединений об­садных труб и профиля скважины, сложности геологических усло­вий, гидродинамических давлений при бурении и креплении ин­тервала, а также выхода из-под башмака предыдущей колонны. Величина  выбирается в результате анализа опыта бурения и креп­ления скважин в данном районе или специально поставленных исследовательских работ при проходке опорно-технологических скважин на данной площади:

В Единых технических правилах ведения работ при строитель­стве скважин на нефтяных, газовых и газоконденсатных место­рождениях предусматриваются следующие требования при выборе интервалов цементирования:

• за кондуктором — до устья скважины;

• за промежуточными колоннами нефтяных скважин, проект­ная глубина которых до 3000 м, с учетом геологических условий, но не менее 500 м от башмака колонны;

• за промежуточными колоннами разведочных, поисковых, параметрических, опорных и газовых скважин вне зависимости от глу­бины и нефтяных скважинах глубиной более 3000 м — до устья скважин;

• за эксплуатационными колоннами нефтяных скважин с учетом перекрытия башмака предыдущей колонны не менее 100 м. Это же условие распространяется на газовые и разведочные скважины при осуществлении мероприятий, обеспечивающих герметичность соединений обсадных труб (сварные соединения, специальные высокогерметичные резьбовые соединения и др.). Во всех остальных случаях цемент должен подниматься до устья скважины.

При определении высоты подъема цемента за эксплуатацион­ными колоннами учитывают возникновение дополни­тельных напряжений от температуры и давления, возникающих в колонне при эксплуатации скважин. Если в разрезе скважин име­ются зоны интенсивного поглощения, то для выполнения требо­вания о высоте подъема цемента необходимо предусматривать при­менение ступенчатого цементирования с использованием специ­альных муфт, растворов пониженной плотности и др. мероприятий

Характерные особенности конструкций газовых скважин.

В отли­чие от нефтяных при выборе конструкций газовых скважин необ­ходимо учитывать следующие специфические особенности:

• после проявления газоносного пласта и заполнения всего объ­ема скважины газом из-за его относительно небольшой плотности давление на устье почти не отличается от забойного, т.е. возника­ют большие давления по всему стволу скважины от устья до забоя. Такое распределение давления требует создания прочного ствола газовой скважины, чтобы в случае внезапного проявления пласта при бурении можно было регулировать отбор газа или задавить его в пласт;

• газ обладает большей подвижностью, чем жидкость, и поэтому он может проникать в самые незначительные неплотности. В связи с этой особенностью газа предъявляются повышенные требования к герметизации резьбовых соединений обсадных труб, а также затрубного пространства;

• газовые скважины имеют большие свободные дебиты, в резуль­тате чего создаются значительные скорости движения газа по ство­лу, которые могут вызвать чрезмерную вибрацию обсадных колонн и увеличить степень их напряженности. Эта особенность газовых скважин требует создания не только прочных обсадных ко­лонн, но и определенной их устойчивости и жесткости.

3. Обсадные трубы

Размеры обсадных труб. Обсадные трубы и муфты к ним из­готавливаются по ГОСТ 632 — 80 следующих размеров (условный диаметр трубы, мм):

114; 127; 140; 146; 168; 178; 194; 219; 245; 273; 299; 324; 340; 351; 377; 406; 426; 473; 508. Трубы размерами 351, 377 и 426 мм применять не рекомендуется.

Поставляют трубы длиной от 9,5 до 13,0 м, однако в поставляемой партии труб допускается до 20 % труб длиной 8... 9,5 и до 10 % — длиной 5... 8 м. На один конец трубы навинчена и закреплена муфта, резьба дру­гого конца защищена предохранительным кольцом.

Обсадные трубы соединяются на резьбе, которая может быть короткой и удлиненной. В обсадных трубах используется треугольная и трапецеидальная резьбы.

Обсадные трубы с трапецеидаль­ной резьбой труб и муфт к ним получили шифр ОТТМ. Трапецеи­дальный профиль резьбы обеспечивает прочное и высокогерме­тичное соединение. В трубах марки ОТТГ прочность достигается трапецеидальной резьбой, а герметичность — специальными коническими уплотнительными поверхностями, расположенными со стороны торца труб. Трубы обсадные и безмуфтовые (ТБО) идентичны и взаимозаменяемы с трубами ОТТГ. Отличаются они только способом выполнения. Трубы ОТТГ соединяются с помощью муфт, а трубы ТБО являются безмуфтовыми, резьбы у них выполнены по наруж­ной высадке (рис. 3).

В США обсадные трубы выпускаются следующих четырнадцати наружных диаметров: 114,3; 127,0; 139,7; 152,4; 168,3; 177,8; 193,7; 219,1; 244,5; 272,5; 298,5; 339,7; 406,7 и 508 мм толщиной стенок от 5,2 до 14,15 мм.

Рис. 3. Конструкции обсадных труб ОТТМ, ОТТГ, ТБО:

а — резьбовое соединение; б — уплотнительная часть соединения

Контрольные вопросы

1. Что понимается под конструкцией скважины? Что она должна обес­печивать? Какие типы обсадных колонн используются в конструкции сква­жины?

2. Как выбирается число обсадных колонн и глубина их спуска?

3. Каким образом выбирается диаметр обсадных колонн и высота подъ­ема цемента?

4. Назовите характерные особенности конструкций газовых скважин.

5. Какие трубы применяют для крепления скважин? Какие резьбы используются в этих трубах?