1327

Для определения контактного давления рк и наименьшей величины осевой силы Q, обеспечивающей герметичное разобщение ствола сква­ жины, используют следующие уравнения, вытекающие из (1.3.1):

где F - площадь поперечного (диаметрального) сечения уплотнитель­ ного элемента в деформированном состоянии; G = 5,1... 1 МПа - модуль сдвига резины; /?п и /?с - наружный радиус резины до деформации и после нее (последний равен внутреннему радиусу обсадной колонны); /*,„ - внутренний радиус резины; Ар - перепад давления у пакера.

Высота уплотнительного элемента пакера в свободном состоянии может быть определена из условия равенства площади его поверхности до и после деформирования.

где hc - высота элемента в сжатом состоянии.

Считается, что это условие обеспечивает предохранение от затека­ ния резины в зазор между пакером и обсадной колонной.

Расчеты высоты уплотнительного элемента при учете этого положе­ ния дают наименьшую высоту одного уплотняющего элемента.

В пакере рекомендуют иметь несколько (два - четыре) таких уплот­ нений.

Наибольшая высота уплотнительного элемента может быть найдена по условию самозакрепления пакера при действии осевого усилия.

К » = (Л2п- Л и) Яс3 / [0,45f ( R \ - г2ш) (3Лс + 2R2с гш- г2ш)], (1.3.5)

гд е/- коэффициент трения.

В конструкции пакера должна быть предусмотрена длина хода его штока (ствола), которая обеспечит сжатие уплотняющего эле­ мента до соприкосновения его с обсадной колонной и герметичность уплотнения.

Увеличение хода штока будет приводить к повреждению уплот­ няющих элементов из-за отсутствия ограничения передачи на них уси­ лий и как следствие - получению недопустимых деформаций.

Оптимальную длину хода штока рекомендуют определить по сле­ дующей формуле:

Осевое перемещение свободного конца уплотняющего элемента равно

где /, /0 - шаг намотки нитей корда после прижатия оболочки к обсад­ ной колонне и в свободном состоянии; L - рабочая высота намотки корда в свободном состоянии,

При расчете лакера необходимо проверять влияние плашечного за­ хвата на прочность обсадной колонны.

В конструкциях пакеров, где плашки полностью перекрывают кольцевой зазор, нагрузка на обсадную колонну распределена равно­ мерно по всему периметру. В этом случае предельная осевая нагрузка на плашечный захват, при которой обсадная колонна не нарушается, равна:

£лрел - [а, п tg a (D2 - d2) lm (L„„ + 16/3 f 2, J ' 2} / (D2 + d2). (1.3.12)

При ограниченном контакте плашек по периметру обсадной колон­ ны участки труб между ними работают на изгиб.

Тогда

В (1.3.12) и (1.3.13) а т - предел текучести материала труб обсадной колонны; п ~ число плашек (по радиусу); а - угол конуса плашки; Д d, h - наружный и внутренний диаметры и толщина стенки трубы обсад­ ной колонны; /пл - высота плашек (длина по вертикали); Ьпл - длина хорды плашки;/пл - стрела дуги поверхности плашки.

Запасы прочности при расчетах по (1.3.12) принимают равными 1,15 для обсадных труб диаметрами 114...219 мм и 1,52 - для труб диамет­ ром более 219 мм. При расчетах по (1.3.13) запас прочности берут при­ мерно в 2 раза большим, учитывая, что предел касательного напряже­ ния тт а 0,58 ат.

При разработке конструкции пакера предельная нагрузка сравнива­ ется с нагрузкой, необходимой для создания уплотнения (формула

(1.3.3). Если Qnрсд < Q, то в конструкцию пакера вносят необходимые изменения (угла а, геометрических размеров уплотнения).

При проектировании пакера для использования его в искривленных скважинах надо учитывать возможность деформации пакера при про­ хождении им изогнутых частей ствола.

Длина пакера, при которой он будет касаться обсадной колонны в трех точках (по концам и в середине) при прохождении им изогнутой

между пакером и обсадной колонной.

При большей длине пакер, проходя изгиб, или застрянет, или изо­ гнется сам. Последнее может привести к его повреждению.

Этот расчет относится и ко всякому другому оборудованию, спус­ каемому в искривленную скважину (скважинные штанговые насосы, центробежные насосы, погружные двигатели и т. д.).

Расчет максимально возможного давления, при котором пакер будет находиться в равновесии, производится по формуле

р _ 40(j + xg(fl1Q, (d\ - d ] ) - H lQ2 {D\ - d\ ))

IOTID2

где G - вес HKT; Н,- глубина спуска пакера; D„ - внутренний диаметр эксплуатационной колонны; Ц, внешний диаметр эксплуатационной колонны; dH- наружный диаметр HKT; dB- внутренний диаметр НКТ; pi, р2 - соответственно плотность жидкости в трубах и затрубном про­ странстве.

РАЗДЕЛ 2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОСВОЕНИЯ СКВАЖИНЫ И ОЧИСТКИ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ ПЛАСТА

2.1.МЕТОДЫ ОСВОЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

ИНАГНЕТАТЕЛЬНЫХ СКВАЖИН

Освоение скважины - комплекс технологических операций по вызо­ ву притока и обеспечению ее продуктивности или приемистости, соот­ ветствующей локальным возможностям пласта. После проводки сква­ жины, вскрытия пласта и перфорации обсадной колонны, которую ино­ гда называют вторичным вскрытием пласта, призабойная зона и, осо­ бенно, поверхность вскрытого пласта бывают загрязнены тонкой гли­ нистой взвесью или глинистой коркой. Кроме того, воздействие на по­ роду ударных волн широкого диапазона частот при перфорации вызы­ вает иногда необратимые физико-химические процессы в пограничных слоях тонкодисперсной пористой среды, размеры пор которой соизме­ римы с размерами этих пограничных слоев с аномальными свойствами. В результате образуется зона с пониженной проницаемостью или с полным ее отсутствием [13].

Цель освоения - восстановление естественной проницаемости кол­ лектора на всем протяжении вплоть до обнаженной поверхности пласта перфорационных каналов и получения продукции скважины, соответ­ ствующей ее потенциальным возможностям. Все операции по вызову притока и освоению скважины сводятся к созданию на ее забое депрес­ сии, т. е. давления ниже пластового. Причем в устойчивых коллекторах эта депрессия должна быть достаточно большой и достигаться быстро, в рыхлых коллекторах, наоборот, - небольшой и плавной.

Различают методы освоения пластов с высоким начальным давлением, когда ожидаются фонтанные проявления, и с малым давлением (на разра­ ботанных площадях), когда угрозы открытого фонтанирования нет и пред­ полагается механизированный способ эксплуатации. В практике нефтедо­ бычи известно много случаев открытого нерегулируемого фонтанирования скважин с длительными пожарами в результате нарушения технологии вскрытия пласта и освоения скважины. Такие явления не только выводят из строя скважину, но и приводят к истощению данного месторождения.

Можно выделить шесть основных способов вызова притока: тарта­ ние, свабирование (поршневание), замену скважинной жидкости на бо­ лее легкую, компрессорный метод, прокачку газожидкостной смеси, откачку глубинными насосами.

Перед освоением на устье скважины устанавливается арматура или ее часть в соответствии с применяемым методом и предлагаемым спо­ собом эксплуатации скважины. В любом случае на фланце обсадной колонны должна быть установлена задвижка высокого давления для перекрытия при необходимости ствола скважины.

Тартание - это извлечение из скважины жидкости желонкой, спус­ каемой на тонком (до 16 мм) канате с помощью лебедки. Желонка изго­ тавливается из 'грубы длиной 8 м, имеющей в нижней части клапан со штоком, открывающимся при упоре штока на уровень жидкости или забой. В верхней части желонки предусматривается скоба для прикреп­ ления каната. Диаметр желонки обычно не превышает 0,7 диаметра обсадной колонны. За один спуск желонка выносит жидкость объемом, не превышающим 0,06 м‘"

Тартание - малопроизводительный, трудоемкий способ с очень ог­ раниченными возможностями применения, так как устьевая задвижка при фонтанных проявлениях не может быть закрыта до извлечения из скважины желонки и каната. Однако возможность извлечения осадка и глинистого раствора с забоя и контроля за положением уровня жидко­ сти в скважине дают этому способу некоторые преимущества.

Поршневание. При свабировании (поршневании) поршень или сваб спускается на канате или стальной ленте в НКТ. Поршень представляет собой трубу малого диаметра (25,0...37,5 мм) с приемным клапаном в нижней части. На наружной поверхности трубы (в стыках) укреплены эластичные резиновые манжеты (3-4 шт.), армированные проволочной сеткой. При спуске поршня под уровень жидкость перетекает через клапан в пространство над поршнем. При подъеме клапан закрывается, а манжеты, распираемые давлением столба жидкости над ними, при­ жимаются к стенкам НКТ и уплотняются. За один подъем поршень вы­ носит столб жидкости, равный глубине его погружения под уровень жидкости. Глубина погружения ограничена прочностью тартального каната и обычно не превышает 75... 150 м.

Свабирование (поршневание) в J0...15 раз производительнее тар­ тания.

Устье при свабировании часто также остается открытым, что связа­ но с опасностями неожиданного выброса.

Замена скважинной жидкости. Замена осуществляется при спу­ щенных в скважину НКТ и герметизированном устье, что предотвраща­ ет выбросы и фонтанные проявления. Выходящая из бурения скважина обычно заполнена глинистым раствором. Производя промывку скважи­ ны (прямую или обратную) водой или дегазированной нефтью, можно получить уменьшение забойного давления на величину

где pi - плотность глинистого раствора; р2 - плотность промывочной жидкости; L - глубина спущенных НКТ; р - средний угол кривизны скважины.

Таким способом осваиваются скважины с большим пластовым давлением и при наличии коллекторов, хорошо поддающихся освое­ нию. Как видно из формулы (2.1.1), при смене глинистого раствора (р, = 1200 кг/м3) на нефть (р2 = 900 кг/м3) максимальное снижение давления составит всего лишь 25 % от давления, создаваемого стол­ бом глинистого раствора.

Этим обстоятельство является ограничение возможности метода. Замена жидкости в скважине проводится с помощью насосных агре­

гатов, а иногда и буровых насосов. В некоторых случаях, когда по опыту освоения скважины данного месторождения имеется уверенность в безо­ пасности, применяют дополнительно поршневание для отбора части жидкости из скважины и дальнейшего снижения забойного давления.

Компрессорный способ освоения. Этот способ нашел наиболее широкое распространение при освоении фонтанных, полуфонтанных и частично механизированных скважин. В скважину спускается колонна НКТ, а устье оборудуется фонтанной арматурой. К межтрубному про­ странству присоединяется нагнетательный трубопровод от передвиж­ ного компрессора.

При нагнетании газа жидкость в межтрубном пространстве оттесня­ ется до башмака НКТ или до пускового отверстия в НКТ, сделанного заранее на соответствующей глубине. Газ, попадая в НКТ, разгазирует жидкость в них. В результате давление на забое сильно снижается. Ре­ гулируя расход газа (воздуха), можно изменять плотность газожидкост­ ной смеси в трубах, а следовательно, давление на забое Ру При Р2<Рпп начинается приток, и скважина переходит на фонтанный или газлифт­ ный режим работы. После опробования и получения устойчивого при­ тока скважина переводится на стационарный режим работы.

Освоение ведется с непрерывным контролем параметров процесса при герметизированном устье скважины. Поэтому этот способ наиболее безопасен и позволяет быстро получить значительные депрессии на пласт, что особенно важно для эффективной очистки призабойной зоны скважины. Однако применение компрессорного способа освоения огра­ ничено в скважинах, пробуренных в рыхлых и неустойчивых коллекто­ рах. В некоторых районах возникает необходимость освоения скважин глубиной 4500...5500 м, а увеличение глубины также ограничивает ис­ пользование компрессорного способа.

возможностью образования в скважинах взрывоопасных смесей. Одна­ ко использование инертных или взрывобезопасных газов (азот, вы­ хлопные газы с минимальным содержанием кислорода и т. д.) позволя­ ет применять компрессорный способ освоения скважин.

Освоение скваж ин закачкой газированной ж и дк ости . Освоение скважин путем закачки газированной жидкости заключается в том, что вместо чистого газа или воздуха в межтрубное пространство закачива­ ется смесь газа с жидкостью (обычно вода или нефть). Плотность такой газожидкостной смеси зависит от соотношения расходов закачиваемых газа и жидкости. Это позволяет регулировать параметры процесса ос­ воения. Поскольку плотность газожидкостной смеси больше плотности чистого газа, то это позволяет осваивать более глубокие скважины ком­ прессорами, создающими меньшее давление.

Для такого освоения к скважине подвозится передвижной компрес­ сор, насосный агрегат, создающий по меньшей мере такое же давление, как и компрессор, емкости для жидкости и смеситель для диспергиро­ вания газа в нагнетаемой жидкости. В последнее время для этих целей применяются специально спроектированные бустерные установки, имеющие в своем составе все перечисленные выше узлы. При нагнета­ нии газожидкостная смесь движется сверху вниз при непрерывно изме­ няющихся давлении и температуре. Процесс этот сложный, однако, может быть смоделирован уравнением баланса давлений с усреднен­ ными параметрами смеси и расхода.

При закачке газожидкостной смеси (ГЖС) на пузырьки воздуха дей­ ствует архимедова сила, под действием которой они всплывают в пото­ ке жидкости. Скорость всплытия зависит от размеров газовых пузырь­ ков, вязкости жидкости и разности плотностей: чем мельче пузырьки, тем меньше скорость их всплытия. Обычно эта скорость относительно жидкости составляет 0,3...0,5 м/с. Поэтому скорость движения жидко­ сти вниз должна быть больше скорости всплытия пузырьков газа. Ина­ че газ не достигнет башмака НКТ и давление на забое не снизится. Для создания достаточно больших скоростей жидкости необходимы боль­ шие расходы. Поэтому при закачке ГЖС предпочтительно это делать не через кольцевое пространство, а через НКТ, так как малое их сечение позволяет получить достаточно большие нисходящие скорости при умеренных объемных расходах жидкости. Считается, что для успешно­ го осуществления процесса достаточно иметь нисходящую скорость жидкости порядка 0,8... 1,0 м/с.

Для выноса с забоя тяжелых осадков (глинистого раствора, утяже­ лителя и частиц породы) обычно применяется обратная промывка. По­ этому закачка ГЖС, которая осуществляется после промывки, также