Крепление испытание и освоение нефтяных и газовых скважин
..pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
Л.Н. Долгих
КРЕПЛЕНИЕ, ИСПЫТАНИЕ И ОСВОЕНИЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2009
УДК 622.245(075) Д64
Рецензенты:
д-р техн. наук Н.И. Крысин (ООО «ПермНИПИнефть»);
доцент В.П. Болотов
(Пермский государственный технический университет)
Долгих, Л.Н.
Д64 Крепление, испытание и освоение нефтяных и газовых скважин: электронное учебное пособие / Л.Н. Долгих. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – 296 с.
ISBN 978-5-398-00096-2
Кратко изложены вопросы технологии первичного и вторичного вскрытия продуктивных пластов, испытания пластов в процессе бурения и в крепленом стволе скважин, методика проектирования конструкции скважин, методы и расчеты крепления скважин, дана характеристика основных тампонажных материалов. Изложена технология консервации и ликвидации скважин. Приведенные методики соответствуют действующим нормативным документам.
Учебный материал разбит на 4 модуля. Имеются примеры расчетов, контрольные вопросы и тесты по учебным модулям.
Пособие предназначено для студентов специальностей 130304 «Геология нефти и газа», 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» при изучении дисциплин бурового цикла.
УДК 622.245(075)
ISBN 978-5-398-00096-2 © ГОУ ВПО
«Пермский государственный технический университет», 2009
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Введение.................................................................................. |
6 |
Основные обозначения, принятые в учебном пособии..... |
7 |
1. Первичное вскрытие продуктивных пластов .................. |
11 |
1.1. Способы первичного вскрытия продуктивных |
|
пластов................................................................................. |
11 |
1.2. Характеристика процессов, происходящих в прист- |
|
вольной зоне продуктивного пласта при первичном |
|
вскрытии.............................................................................. |
13 |
1.3. Выбор буровых растворов для вскрытия |
|
продуктивных пластов....................................................... |
22 |
1.4. Вскрытие пластов с АВПД, противовыбросовое |
|
оборудование ...................................................................... |
26 |
1.5. Вскрытие пластов на условиях равновесия давле- |
|
ний и депрессии.................................................................. |
29 |
2. Испытание продуктивных пластов в процессе |
|
бурения.................................................................................... |
34 |
2.1. Классификация способов испытания пластов ......... |
34 |
2.2. Исследование скважин опробователями пластов..... |
37 |
2.3. Исследование скважин трубными пластоиспыта- |
|
телями.................................................................................. |
43 |
2.4. Качественный анализ диаграмм глубинных |
|
манометров.......................................................................... |
49 |
2.5. Расчет бурильной колонны и хвостовика |
|
при испытании пластов...................................................... |
51 |
2.6. Испытание пластов с использованием эжекторного |
|
пластоиспытателя............................................................... |
56 |
3. Конструкция нефтяных и газовых скважин.................... |
59 |
3.1. Цели и способы крепления скважин.......................... |
59 |
3.2. Понятие о конструкции скважины............................. |
61 |
3.3. Конструкции призабойной зоны скважин................. |
64 |
3.4. Проектирование конструкции скважины.................. |
71 |
4. Крепление скважин обсадными колоннами .................... |
83 |
4.1. Конструкции обсадных труб и их соединений......... |
83 |
4.2. Прочностные характеристики обсадных труб.......... |
90 |
4.3. Условия работы обсадных колонн............................. |
92 |
3
4.4. Расчет обсадных колонн.............................................. |
95 |
4.5. Подготовка скважин к спуску обсадной колонны.... |
106 |
4.6. Подготовка обсадных труб к спуску в скважину...... |
111 |
4.7. Технологическая оснастка обсадных колонн............ |
112 |
4.8. Технология и организация спуска обсадных |
|
колонн.................................................................................. |
117 |
4.9. Осложнения и аварии при спуске обсадных |
|
колонн.................................................................................. |
121 |
5. Тампонажные материалы................................................... |
122 |
5.1. Классификация тампонажных материалов................ |
122 |
5.2. Основные базовые тампонажные материалы............ |
124 |
5.3. Процессы, происходящие при твердении тампо- |
|
нажного раствора................................................................ |
128 |
5.4. Регулирование свойств тампонажных материалов... |
133 |
5.5. Коррозия цементного камня....................................... |
137 |
6. Цементирование обсадных колонн................................... |
139 |
6.1. Способы цементирования обсадных колонн............. |
139 |
6.2. Факторы, влияющие на качество цементирования... |
160 |
6.3. Организация процесса цементирования обсадных |
|
колонн.................................................................................. |
165 |
6.4. Осложнения при цементировании скважин.............. |
169 |
6.5. Методика расчета цементирования обсадных |
|
колонн.................................................................................. |
171 |
6.6. Контроль качества цементирования обсадных |
|
колонн.................................................................................. |
192 |
6.7. Проверка герметичности обсадных колонн.............. |
195 |
7. Вторичное вскрытие продуктивных пластов................... |
199 |
7.1. Способы перфорации .................................................. |
199 |
7.2. Технология перфорационных работ........................... |
218 |
8. Освоение скважин.............................................................. |
224 |
9. Испытание продуктивных пластов в обсаженном |
|
стволе....................................................................................... |
246 |
10. Заключительные работы при строительстве |
|
скважин.................................................................................... |
251 |
10.1. Обвязка устья скважин.............................................. |
251 |
10.2. Передача скважин заказчику.................................... |
255 |
10.3. Консервация скважин................................................ |
257 |
4
10.4. Ликвидация скважин................................................. |
262 |
11. Пример расчета эксплуатационной колонны и ее |
|
цементирования...................................................................... |
273 |
11.1. Исходные данные ...................................................... |
273 |
11.2. Расчет эксплуатационной колонны.......................... |
274 |
11.2.1. Расчет колонны на избыточные наружные |
|
давления........................................................................... |
274 |
11.2.2. Расчет колонны на растяжение (страгивание) ... |
280 |
11.2.3. Расчет колонны на избыточные внутренние |
|
давления........................................................................... |
282 |
11.3. Расчет цементирования эксплуатационной |
|
колонны............................................................................... |
283 |
11.3.1. Расчет расхода материалов ................................ |
283 |
11.3.2. Гидравлический расчет цементирования |
|
колонны............................................................................ |
286 |
11.3.3. Расчет продолжительности цементирования... |
289 |
11.3.4. Проверка ствола скважины на гидроразрыв..... |
291 |
Библиографический список............................................... |
293 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Электронное учебное пособие «Крепление, испытание и освоение нефтяных и газовых скважин» освещает основные разделы дисциплин «Бурение нефтяных и газовых скважин», «Бурение и освоение скважин», «Заканчивание скважин»
ипредназначено для студентов специальностей 130304 «Геология нефти и газа», 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных
игазовых месторождений», 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин».
Основная цель пособия – формирование у студентов знаний по вопросам теории и практики основных технологических процессов, связанных с креплением скважин, вскрытием и ис-
пытанием продуктивных пластов, освоением, консервацией и ликвидацией нефтегазовых скважин.
Задача учебного пособия – содействие усвоению студентами научных основ, терминов и понятий, а также основных методик расчета и составления проектов на крепление, испытание и освоение скважин, консервацию и ликвидацию скважин.
При работе с учебным пособием студенты должны использовать знания, полученные при изучении предшествующих дисциплин: гидравлика, сопротивление материалов, основы нефтегазопромыслового дела, физика пласта, подземная гидромеханика, гидроаэромеханика в бурении, технология бурения нефтяных и газовых скважин и др.
Учебное пособие структурировано в соответствии с рабочей программы дисциплины «Заканчивание скважин» и содержит 4 модуля. При переходе к изучению последующего модуля предусмотрен промежуточный контроль знаний студентов по предыдущему модулю путем тестирования.
При получении неудовлетворительной оценки за тест по модулю, а также при неправильных ответах по отдельным вопросам теста программа указывает студенту темы, которые необходимо повторить.
В конце изучения материалов учебного пособия студент должен сдать тест (экзамен) по всей дисциплине (40 вопросов за 40 минут).
Учебное пособие работает в программе eCourse Publisher Plaeyer.
6
|
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, |
|
ПРИНЯТЫЕ В УЧЕБНОМ ПОСОБИИ |
Ау |
– альтитуда устья скважины; |
с – толщина стенки обсадных труб, мм; |
|
Dс |
– диаметр скважины, м; |
Dд |
– диаметр долота, м; |
Dн |
– наружный диаметр обсадной колонны, м; |
Dв |
– внутренний диаметр обсадной колонны, м; |
D в |
– внутренний диаметр предыдущей обсадной колонны, м; |
Dв i – внутренний диаметр i-й секции обсадной колонны, м;
е– основание натурального логарифма (2,73);
Fт |
– площадь тела трубы, м2; |
Fтр |
– площадь трубного пространства (канала) обсадной ко- |
|
лонны, м2; |
Fк.п |
– площадь кольцевого пространства, м2; |
g – ускорение свободного падения (9,81 м/с2);
Н– глубина скважины по вертикали, м;
Нк |
– гипсометрическая отметка кровли продуктивного гори- |
Но |
зонта; |
– глубина спуска предыдущей обсадной колонны, м; |
|
Нпл |
– глубина залегания пласта, м; |
Ну |
– глубина уровня жидкости в обсадной колонне, м; |
h |
– глубина уровня цементного раствора за колонной, м; |
hпл |
– толщина пласта, м; |
hcт |
– высота цементного стакана, м; |
hз |
– глубина зумпфа, м; |
k |
– проницаемость незагрязненного пласта; |
kа |
– коэффициент аномальности пластового давления; |
kб |
– коэффициент безопасности для предотвращения гид- |
kп |
роразрыва горных пород; |
– остаточный коэффициент приемистости ствола сква- |
|
kр |
жины, м3/ч МПа; |
– коэффициент превышения гидростатического давления |
|
kпор |
в скважине над пластовым (коэффициент репрессии); |
– коэффициент пористости; |
|
kсж |
– коэффициент сжимаемости продавочной жидкости; |
7
L |
– длина ствола скважины, длина обсадной колонны, м; |
Lпл |
– глубина залегания пласта (по стволу), м; |
L0 |
– глубина спуска предыдущей обсадной колонны (по |
|
стволу), м; |
li |
– длина труб i-й секции, м; |
lб.ж |
– длина столба буферной жидкости, м; |
m |
– водоцементное отношение; |
nвн |
– нормативный коэффициент запаса прочности при |
|
расчете на внутреннее давление; |
nсм |
– нормативный коэффициент запаса прочности на смя- |
|
тие; |
nстр |
– нормативный коэффициент запаса прочности на рас- |
|
тяжение (страгивание) для вертикального ствола |
|
скважины; |
n стр – нормативный коэффициент запаса прочности на рас- |
|
|
тяжение (страгивание) для изогнутого участка ствола |
Рг |
скважины; |
– горное давление, МПа; |
|
Рпл |
– пластовое давление, МПа; |
РГРП |
– давление гидроразрыва горных пород, МПа; |
Рпор |
– поровое давление, МПа; |
Ртр |
– потери давления по длине в обсадной колонне, МПа; |
Рк.п |
– потери давления по длине в кольцевом пространстве, |
Ру |
МПа; |
– давление на устье скважины, МПа; |
|
Ру |
– дополнительное давление на устье скважины при ли- |
Ропр |
квидации проявлений, МПа; |
– давление опрессовки, МПа; |
|
Рнас |
– давление насыщения газа, МПа; |
Рн.и |
– наружное избыточное давление, МПа; |
Рн |
– наружное давление, МПа; |
Рв |
– внутреннее давление, МПа; |
Ркр |
– критическое внутреннее давление для обсадных труб, |
Рсм |
МПа; |
– критическое сминающее давление для обсадных труб |
|
|
без учета осевого растяжения, МПа; |
8
Р см – критическое сминающее давление для обсадных труб с учетом осевого растяжения, МПа;
Q– производительность насосов, дебит, расход жидкости, м3/с;
Qр |
– растягивающая нагрузка на обсадную колонну, кН; |
Qт |
– растягивающая нагрузка, при которой напряжение в те- |
Qстр |
ле трубы становится равным пределу текучести, кН; |
– страгивающая нагрузка для труб, соединяемых тре- |
|
|
угольной резьбой, кН; |
Qi |
– суммарная масса секций; кН; |
Qп |
– приемистость пласта или ствола в целом в процессе |
|
его опрессовки, м3/ч. |
qi |
– масса одного метра труб i-й секции, кг; |
q |
– расход тампонажного материала для приготовления |
qц.а |
1 м3 цементного раствора, кг/м3; |
– производительность цементировочного агрегата, л/с; |
|
qсм |
– производительность цементосмесительной машины, |
|
л/с; |
r– радиальный зазор между элементом обсадной колонны
смаксимальным диаметром и стенкой скважины, мм;
rс |
– радиус скважины; |
Tср |
– средняя температура по стволу скважины, К; |
Ту |
– температура на устье скважины, К; |
Тпл |
– температура в продуктивном пласте, К; |
tн.з |
– начало загустевания цементного (тампонажного) рас- |
vтр |
твора; |
– скорость движения жидкости в трубах, м/с; |
|
vк.п |
– скорость движения жидкости в кольцевом пространст- |
Zм |
ве, м/с; |
– глубина установки цементировочной муфты, м; |
– коэффициент уширения ствола скважины;
пл – эквивалент градиента пластового давления;ГРП – эквивалент градиента давления гидроразрыва пород;
10 – интенсивность искривления ствола скважины, /10 м;
– зенитный угол ствола скважины, град.;
сж – коэффициент сжимаемости газа;
9
– зазор между долотом и внутренней стенкой обсадной колонны, м;
тр |
– коэффициент гидравлических сопротивлений в тру- |
|
бах; |
к.п |
– коэффициент гидравлических сопротивлений в коль- |
|
цевом пространстве; |
1 |
– коэффициент, учитывающий влияние размеров соеди- |
|
нения и его прочностные характеристики; |
2 |
– коэффициент, учитывающий влияние формы тела тру- |
|
бы и ее прочностные характеристики; |
– коэффициент Пуассона для горных пород;
|
– плотность цементного раствора, кг/м3; |
ц.р |
– плотность бурового раствора, кг/м3; |
|
|
р |
– относительная плотность бурового раствора (по отно- |
о.р |
|
|
шению к плотности пресной воды); |
|
– плотность жидкости, заполняющей колонну, кг/м3; |
ж |
– относительная плотность жидкости, заполняющей об- |
о.ж |
|
|
садную колонну (по отношению к плотности пресной |
|
воды); |
|
– плотность продавочной жидкости, кг/м3; |
пр |
– плотность цементного порошка, кг/м3; |
|
|
ц |
– плотность буферной жидкости, кг/м3; |
|
|
б.ж |
– плотность нефти, кг/м3; |
|
|
н |
– плотность жидкости, заполняющей поры цементного |
гс |
|
|
камня, кг/м3; |
г |
– относительная плотность газа по воздуху; |
т |
– плотность сухого тампонажного материала (смеси), |
|
кг/м3; |
|
– плотность жидкости затворения (воды), кг/м3; |
в |
– предел текучести материала труб, МПа. |
т |
10