Глава 3

КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИН

Успешная проводка и заканчивание скважин в значительной степени зависят от правильного выбора конструкции, которая обеспечивает разделение зон, характеризующихся несовмес­ тимыми буровыми растворами.

Одна из основных задач в глубоком разведочном бурении - тщательный учет всех факторов с целью выбора наиболее раци­ ональной конструкции скважин, особенно бурящихся на глуби­ ны свыше 4000-5000 м. Наиболее важный фактор - использо­ вание совершенной технологии процессов бурения, разработан­ ной с учетом особенностей проходки скважин в сходных геоло­ гических условиях на основе глубокого анализа опыта их буре­ ния.

Практика проводки скважин в сложных геологических ус­ ловиях, научные разработки в области бурения и крепления, выполненные за последние годы, позволили резко увеличить глубину скважин и совершенствовать их конструкции в следу­ ющих направлениях:

увеличение выхода из-под башмака предыдущих колонн, использование долот уменьшенных и малых диаметров;

применение способа секционного спуска обсадных колонн и крепление стволов промежуточными колоннами-хвостовиками; использование обсадных труб со сварными соединитель­ ными элементами и безмуфтовых обсадных труб со специаль­ ными резьбами при компоновке промежуточных и в некоторых

случаях эксплуатационных колонн; уменьшение конечного диаметра скважин и эксплуатацион­

ных колонн; обязательный учет условий вскрытия и разбуривания про­

дуктивного объекта; крепление наклонно направленных и горизонтальных сква­

жин.

3.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ СКВАЖИН

3.1.1. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ И ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Все обсадные колонны по своему назначению подразделяют­ ся следующим образом.

Направление - первая колонна труб или одна труба, пред­ назначенная для закрепления приустьевой части скважин от размыва буровым раствором и обрушения, а также для обеспе­ чения циркуляции жидкости. Направление, как правило, одно. Однако могут быть случаи крепления скважин двумя направ­ лениями, когда верхняя часть разреза представлена лёссовыми почвами, насыпным песком или имеет другие специфические особенности. Обычно направление спускают в заблаговременно подготовленную шахту или скважину и бетонируют на всю длину. Иногда направления забивают в породу, как сваю.

Кондуктор - колонна обсадных труб, предназначенная для разобщения верхнего интервала разреза горных пород, изоля­ ции пресноводных горизонтов от загрязнения, монтажа проти­ вовыбросового оборудования и подвески последующих обсад­ ных колонн.

Промежуточная обсадная колонна служит для разобщения несовместимых по условиям бурения зон при углублении сква­ жины до намеченных глубин.

Промежуточные обсадные колонны могут быть следующих видов:

сплошные - перекрывающие весь ствол скважины от за­ боя до ее устья независимо от крепления предыдущего интер­ вала;

хвостовики - для крепления только необсаженного интерва­ ла скважины с перекрытием предыдущей обсадной колонны на некоторую величину;

летучки - специальные промежуточные обсадные колонны, служащие только для перекрытия интервала осложнений и не имеющие связи с предыдущими или последующими обсадными колоннами.

Секционный спуск обсадных колонн и крепление скважин хвостовиками являются, во-первых, практическим решением проблемы спуска тяжелых обсадных колонн и, во-вторых, ре­ шением задачи по упрощению конструкции скважин, умень­ шению диаметра обсадных труб, зазоров между колоннами и стенками скважины, сокращению расхода металла и тампони­

рующих материалов, увеличению скорости бурения и сниже­ нию стоимости буровых работ.

Эксплуатационная колонна - последняя колонна обсадных труб, которой крепят скважину для разобщения продуктивных горизонтов от остальных пород и извлечения из скважины неф­ ти или газа или, наоборот, для нагнетания в пласты жидкости или газа. Иногда в качестве эксплуатационной колонны может быть использована (частично или полностью) последняя про­ межуточная колонна.

Основные параметры конструкций скважины - количество и диаметр обсадных колонн, глубина их спуска, диаметр долот, которые необходимы для бурения под каждую обсадную ко­ лонну, а также высота подъема и качество тампонажного рас­ твора за ними, обеспечение полноты вытеснения бурового рас­ твора.

Разработка конструкции скважины базируется на следую­ щих основных геологических и технико-экономических факто­ рах:

а) геологические особенности залегания горных пород, их физико-механическая характеристика, наличие флюидосо­ держащих горизонтов, пластовые температуры и давления, а также давление гидроразрыва проходимых пород;

б) назначение и цель бурения скважины; в) предполагаемый метод заканчивания скважины; г) способ бурения скважины;

д) уровень организации, техники, технологии бурения и гео­ логическая изученность района буровых работ;

е) уровень квалификации буровой бригады и организация материально-технического обеспечения;

ж) способы и техника освоения, эксплуатации и ремонта скважины.

К объективным геологическим факторам относятся предпо­ лагаемая и фактическая литология, стратиграфия и тектоника разреза, мощность пород с различной проницаемостью, прочно­ стью, пористостью, наличие флюидосодержащих пород и плас­ товые давления.

Геологическое строение разреза горных пород при проекти­ ровании конструкции скважин учитывается как неизменный фактор.

В процессе разработки залежи ее первоначальные пластовые характеристики будут изменяться, так как на пластовые давле­ ния и температуру влияют продолжительность эксплуатации, темпы отбора флюидов, способы интенсификации добычи и поддержания пластовых давлений, использование новых видов

воздействия на продуктивные горизонты с целью более полного извлечения нефти и газа из недр. Поэтому эти факторы необхо­ димо учитывать при проектировании конструкции скважин.

Конструкция скважин должна отвечать условиям охраны окружающей среды и исключать возможное загрязнение плас­ товых вод и межпластовые перетоки флюидов не только при бу­ рении и эксплуатации, но и после окончания работ и ликвида­ ции скважины. Поэтому необходимо обеспечивать условия для качественного и эффективного разобщения пластов. Это один из главнейших факторов.

Все технико-экономические факторы - субъективные и из­ меняются во времени. Они зависят от уровня и степени совер­ шенствования всех форм организации, техники и технологии буровых работ в совокупности. Эти факторы влияют на выбор конструкции скважин, позволяют ее упростить, однако не яв­ ляются определяющими при проектировании. Они изменяются в широких пределах и зависят от исполнителей работ.

Таким образом, принципы проектирования конструкций скважин прежде всего должны базироваться' и определяться геологическими факторами.

Простая конструкция (кондуктор и эксплуатационная ко­ лонна) не во всех случаях рациональна. В первую очередь это относится к глубоким скважинам (4000 м и более), вскрываю­ щим комплекс разнообразных отложений, в которых возникают различные, иногда диаметрально противоположные по харак­ теру и природе осложнения.

Следовательно, рациональной можно назвать такую конст­ рукцию, которая соответствует геологическим условиям буре­ ния, учитывает назначение скважины и другие, отмеченные выше, факторы и создает условия для бурения интервалов между креплениями в наиболее сжатые сроки. Последнее усло­ вие является принципиальным, так как практика буровых ра­ бот четко подтверждает, что чем меньше времени затрачивает­ ся на бурение интервала ствола между креплениями, тем меньше количество и тяжесть возникающих осложнений и ни­ же стоимость проводки скважины.

Рассмотрим влияние некоторых перечисленных факторов на подбор рациональной конструкции скважины.

Геологические условия бурения. Чтобы обеспечить лучшие условия бурения, наиболее эффективную технологию проводки и предупредить возможные осложнения, необходимо учиты­ вать:

а) характеристику пород, вскрываемых скважиной, с точки зрения возможных обвалов, осыпей, кавернообразования;

б) проницаемость пород и пластовые (поровые) давления; в) наличие зон возможных газо-, нефте- и водопроявлений и

поглощений промывочной жидкости и условия, при которых эти осложнения возникают;

г) температуру горных пород по стволу; д) углы падения пород и частоту чередования их по твердос­

ти.

Детальный учет первых трех факторов позволяет определить необходимые глубины спуска обсадных колонн.

Породы с низкой прочностью должны быть перекрыты об­ садной колонной (или колоннами) сразу же после вскрытия всей их толщины, так как при бурении могут образоваться обва­ лы и резко осложняться работы по проходке.

Зоны с различным характером осложнений (проявления и поглощения) также должны быть изолированы друг от друга, если пластовые давления превосходят давления гидроразрыва пород, так как предупреждение каждого из этих осложнений достигается прямо противоположными несовместимыми мето­ дами.

Температура горных пород в процессе бурения значительно влияет на вязкость, статическое напряжение сдвига (СНС) и водоотдачу бурового раствора: чем выше температура горных пород, тем труднее поддерживать эти параметры в допустимых пределах. Иногда кроме термостойких реагентов для прохож­ дения таких зон требуются различные несовместимые системы буровых растворов, что вызывает необходимость разобщения подобных зон обсадными колоннами. Значительная разница температур Требует применения различных типов тампонаж­ ных цементов.

Углы падения горных пород и частота чередования их по твердости при прочих равных условиях оказывают доминиру­ ющее влияние на темп искривления ствола в процессе бурения. Чем больше углы падения пород (примерно до 60е) и чем чаще породы с различной твердостью переслаиваются, тем выше темп самопроизвольного набора кривизны.

колебания значений зенитного и азимутального углов явля­ ются основной причиной образования желобных выработок в стволе и препятствуют достижению обсадными колоннами про­ ектных глубйн в стволе вследствие их заклинивания при спуске в Желобах. Для успешного выполнения заданной программы крепления необходимо, чтобы углы искривления ствола “верти­ кальной” бь*ли минимальными. Если проектная конструкция нарушаетсяf то возникает опасность ликвидации скважины в результате невозможности довести ее до проектной глубины.

Назначение скважины. Сочетание обсадных колонн различ­ ных диаметров, составляющих конструкцию скважины, зави­ сит от диаметра эксплуатационной колонны.

Диаметр эксплуатационных колонн нагнетательных сква­ жин обусловлен давлением, при котором будет закачиваться вода (газ, воздух) в пласт, и приемистостью пласта. При выборе диаметра эксплуатационной колонны разведочных скважин на структурах с выявленной продуктивностью нефти или газа ре­ шающий фактор - обеспечение условий для проведения опробо­ вания пластов и последующей эксплуатации промышленных объектов.

В разведочных скважинах (поискового характера) на новых площадях диаметр эксплуатационной колонны зависит от необ­ ходимого количества спускаемых промежуточных обсадных колонн, качества получаемого кернового материала, возможно­ сти проведения электрометрических работ и испытания вскры­ тых перспективных объектов на приток. Скважины этой кате­ гории после спуска последней промежуточной колонны можно бурить долотами диаметром 140 мм и менее' с последующим спуском 114-мм эксплуатационной колонны или колонны меньшего диаметра.

Наиболее жесткие требования, по которым определяют диа­ метр эксплуатационной колонны, диктуются условиями экс­ плуатации скважин. Снижение уровня жидкости при добыче нефти или воды в обсадной колонне и уменьшение давления газа в пласте обусловливает возникновение сминающих нагрузок. Вследствие этого обсадная колонна должна быть составлена из труб такой прочности, чтобы в процессе эксплуатации не про­ изошло их смятия (необходимая прочность обсадной колонны на сминающие и страгивающие усилия и внутреннее давление).

При проектировании конструкций газовых и газоконденсат­ ных скважин необходимо учитывать следующие особенности:

а) давление газа на устье близко к забойному» что требует обеспечения наибольшей прочности труб в верхней части ко­ лонны;

б) незначительная вязкость газа обусловливает его высокую проникающую способность, что повышает требования к герме­ тичности резьбовых соединений и заколонного пространства;

в) интенсивный нагрев обсадных колонн приводит к возник­ новению дополнительных температурных напряжений в незацементированных участках колонны и требует учета этих явле­ ний при расчете их на прочность;

г) возможность газовых выбросов в процессе Дурения требует установки противовыбросового оборудования;

д) длительный срок эксплуатации и связанная с ним воз­ можность коррозии эксплуатационных колонн требуют приме­ нения специальных труб с противокоррозийным покрытием и пакеров.

Общие требования, предъявляемые к конструкциям газовых и газоконденсатных скважин, заключаются в следующем:

прочность конструкции в сочетании с герметичностью каж­ дой обсадной колонны и цементного кольца в колонном прост­ ранстве;

качественное разобщение всех горизонтов и в первую оче­ редь газонефтяных пластов;

достижение предусмотренных проектом режимов эксплуа­ тации скважин, обусловленных проектами разработки горизон­ та (месторождения);

максимальное использование пластовой энергией газа для его транспортировки по внутрипромысловым и магистральным газопроводам.

Предусмотренные проектом режимы эксплуатации с макси­ мальными дебитами и максимальное использование пластовой энергии требуют увеличения диаметра эксплуатационной ко­ лонны.

Метод вскрытия пласта. Метод вскрытия определяется главным образом особенностями продуктивных пластов, к ко­ торым относятся пластовое давление, наличие пропластковых и подошвенных воД> прочность пород, слагающих пласт, тип коллекторов (гранулярный, трещиноватый и др.).

При н ор м а л ь н ы х (гидростатических) и повышенных давле­ ниях эксплуатационную колонну цементируют через башмак.

При пониженных пластовых давлениях, отсутствии пропла­ стковых и подошвенных вод и достаточной прочности пород пласта в некоторых случаях после вскрытия объекта эксплуа­ тационную колонНУ, имеющую фильтр против продуктивных горизонтов, цементируют через боковые отверстия, располо­ женные над кровлей этих горизонтов (так называемое манжет­ ное цементирование), или “обратным” цементированием.

Однако в ряде случаев до вскрытия продуктивных горизон­ тов при наличии в Разрезе пластов с аномально высоким пласто­ вым давлением (АВЦЦ) или обваливающихся пород скважины бурят с промывкой забоя буровыми растворами повышенной плотности. Вскрыше объекта с использованием указанных рас­ творов часто сопровождается их поглощением трещиноватыми коллекторами.

Освоение таки* скважин затрудняется, а иногда заканчива­ ется безрезультатно. Для успешного вскрытия, а затем освое­

ния таких объектов плотность буровых растворов должна быть минимальной. В рассматриваемых случаях вскрытие продук­ тивных пластов возможно только при условии предварительно­ го перекрытия всего разреза до их кровли промежуточной об­ садной колонной. Буровой раствор проектируется специально для вскрытия пласта. При этом эксплуатационная колонна мо­ жет быть либо сплошной, либо представлена хвостовиком и промежуточной колонной. Если породы продуктивных гори­ зонтов устойчивы, скважины могут эксплуатироваться и без крепления обсадной колонной.

На рис. 3.1 показаны различные конструкции эксплуатаци­ онных колонн в зависимости от метода вскрытия и крепления продуктивных горизонтов.

Способ бурения. В нашей стране бурение скважин осуществ­ ляется роторным способом, гидравлическими забойными дви­ гателями или электробурами. Для обеспечения эффективной работы долота при бурении глубоких скважин используют тур­ бобуры диаметрами 168 и 190 мм. По диаметру турбобуров при заканчивании скважины определяют возможную ее конструк­ цию.

Наименьший диаметр работоспособного электробура состав­ ляет 215 мм, поэтому возможно только следующее сочетание

диаметров обсадных колонн в конструкции скважины: 377х299(273)х146(168) мм.

Наиболее широк диапазон возможных сочетаний диаметров обсадных колонн в конструкциях при бурении скважин ротор­ ным способом.

Для повышения скорости бурения часто применяют (после­ довательно и одновременно) турбинный и роторный способы. Как правило, на конструкцию скважины турбинный способ от­ рицательного влияния не оказывает.

При разработке рациональной конструкции глубоких разве­ дочных скважин необходимо исходить из условий получения наибольших скоростей бурения при наименьших объемах работ в промежуточных колоннах, выбора минимально допустимых зазоров между колонной и стенками скважины, максимально возможного увеличения глубины выхода спускаемой колонны из-под предыдущей. При выборе конструкции должны быть обеспечены условия максимального сохранения естественного состояния продуктивных пластов.

Впроцессе бурения происходит естественное или принуди­ тельное искривление скважины, что затрудняет крепление ствола колоннами обсадных труб.

Впроцессе спуска обсадных труб в скважину наблюдается активное взаимодействие колонны труб со стенками скважины

Изаполняющей ее жидкостью. Это взаимодействие носит слож­ ный характер и проявляется в виде сопротивления, которое оказывает скважина спуску колонны труб. М.М. Александро­ вым отмечено, что сила сопротивления спуску колонны труб, замеренная в скважине, отражает влияние многочисленных физических и геометрических факторов, т.е. является величи­ ной статистического характера, но анализ совокупного влияния зтпх факторов позволяет вполне определенно проследить зави­ симость силы сопротивления скважины от суммарной силы, Прижимающей колонну труб к ее стенкам. Это дает основание Рассматривать силу сопротивления как произведение прижи­ мающей силы на коэффициент сопротивления.

Сопротивления, возникающие в определенных условиях, Могут достигать больших значений и препятствовать спуску

обсадных колонн в скважину.

Для успешного спуска обсадных колонн ствол скважины в Интервале крепления должен иметь среднюю интенсивность Пространственного искривления. Плотность бурового раствора •ЦоЛжна быть минимально допустимой. Особое значение при ОгоМ приобретают гидродинамические нагрузки на продуктив­ ный пласт.

Таблица 3.1 Расчетный износ труб промежуточных колонн

Использование в конструкциях скважин колонн-секций и потайных колонн предопределяет применение комбинирован­ ных бурильных колонн. Это позволяет увеличить на 22-53 % количество подаваемого на конечную глубину бурового раство­ ра, что приводит к иным гидродинамическим условиям при разбуривании продуктивного горизонта.

Буровая скважина представляет собой сложное инженерное сооружение и, как всякое инженерное сооружение, строится по рабочему проекту, в основе которого лежит ее конструкция - крепь.

Необходимость постоянного совершенствования теоретичес­ ких основ и практики проектирования и строительства скважин обусловлена следующими основными факторами:

постоянное возрастание глубин как поисково-разведочных, так и эксплуатационных скважин;

выход в ранее малоизученные или неизученные горно­ геологические условия вскрываемых разрезов (наличие серо­ водородной и углекислотной агрессии, рапосодержащих отло­ жений, пластов с аномалией пластовых давлений до 2,0 и более, многолетнемерзлых пород и др.);

резкое возрастание объемов бурения наклонно направленных скважин;

прогрессирующий в последние годы способ проводки сква­ жин с горизонтальным окончанием ствола;

развитие техники и технологии бурения; и, наконец, постоянное совершенствование собственно поня­

тия “конструкция скважины” на основе углубления знаний о физико-химических процессах и закономерностях формирова­ ния крепи и условиях ее работы и др.

Вопросам конструкции скважин, в частности разработке предъявляемых к ним требований, и совершенствованию тех­ ники и технологии крепления посвящены многочисленные ра­ боты отечественных и зарубежных производственников и ис­ следователей.

Со временем менялись как методы проектирования конст­ рукции скважин на базе целенаправленных исследований и промыслового опыта, так и формирование самого понятия “конструкция скважины” (в последнее время все чаще “крепь скважины”) с акцентированием на определяющие ее совершен­ ство элементы и предъявляемые к ним требования.

Практика показала, что кроме диаметров долот и бурильных труб для углубления скважины необходимо учитывать величи­ ны допустимого минимального зазора между смежными обсад­ ными колоннами, а также между колоннами и стенками сква­ жины, в первую очередь по двум основным критериям. Первый из них диктуется обеспечением благоприятных условий для применения заколонной технологической оснастки и гидроди­ намики процесса цементирования, которые, в свою очередь, при прочих равных условиях являются определяющими для формирования герметичного цементного кольца и устойчивой к поперечным нагрузкам крепи скважины. Второй вытекает из условия проходимости обсадной колонны по стволу скважины заданного профиля. В последнем случае решение оптимизаци­ онной задачи предусматривает обратную связь, заключающую­ ся в корректировке профиля ствола скважины по интенсивности пространственного искривления и эффективного диаметра на отдельных участках.

Номенклатура и типоразмеры имеющихся на вооружении в настоящее время бурильных труб, забойных двигателей,

КНБК, породоразрушающих инструментов в сочетании с буро­ выми насосами, обеспечивающими реализацию оптимальной гидравлической программы углубления и управление скважи­ ной, носят соподчиненный характер по отношению к конструк­ ции скважины.

Элемент конструкции скважин, включающий в себя “сведения о цементировании обсадных колонн” , долгое время сводился к высоте подъема цементного раствора за колоннами, т.е. к интервалам зацементированного затрубного пространства без оценки характера распределения цементного камня в попе­ речных сечениях и по высоте, а также показателей свойств сформировавшейся системы обсадная колонна - цементный ка­ мень - горные породы - контактные пристенные зоны. В насто­ ящее время - это многофакторный и один из основных, опреде­ ляющих элементов конструкции скважин, выходящий далеко за пределы задачи выбора подъема цементного раствора, хотя сам по себе выбор интервалов цементирования и высоты подъе­ ма цементного раствора лежит в основе рассматриваемых эле­ ментов (показателей) конструкции скважины.

ВГОСТах и отраслевых стандартах газонефтяной отрасли до настоящего времени нет определения термина “конструкция скважины” . В то же время совершенно очевидно, что без такого определения и раскрытия его содержания не может быть и од­ нозначной концепции и решения задачи выбора конструкции скважины и ее оценки.

Обобщив взгляды специалистов, можно сформулировать следующее понятие “конструкция скважины” .

Конструкция скважины - это совокупность элементов крепи горной выработки с поперечными размерами, несоразмерно ма­ лыми по сравнению с ее глубиной и протяженностью, обеспечи­ вающая при современном техническом и технологическом во­ оружении безаварийное, с учетом охраны недр, экономичное строительство герметичного пространственно устойчивого ка­ нала между флюидонасыщенными пластами и остальной час­ тью вскрытого геологического разреза, а также дневной по­ верхностью, эксплуатирующегося в заданных режимах и вре­ мени в зависимости от назначения: изучение геологического разреза, разведка и оценка газонефтеводоносности отложений, добыча продукции, поддержание пластовых давлений, наблю­ дение за режимом эксплуатации месторождения и др.

Вгазонефтяной отрасли нет также единого методическо­ го подхода к оценке качества проектирования и строительст­ ва скважин, в том числе их конструкции. Такое положение приводит к разночтению отдельных понятий, недооценке

факторов, являющихся определяющими совершенство кре­ пи, приносит субъективизм во взаимоотношения между заказ­ чиками на строительство скважин, подрядчиками и контроли­ рующими организациями. В то же время необходимость и воз­ можность создания такового методического обеспечения оче­ видна.

3.1.2. ВЫБОР ДИАМЕТРА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КОЛОНН ВЫСОКОДЕБИТНЫХ ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

В литературе предложено несколько методов расчета рацио­ нальных диаметров газовых скважин, но точного решения дан­ ной задачи нет. Диаметр эксплуатационной колонны определя­ ют исходя из условия максимального использования энергии пласта при минимальных капиталовложениях в разработку ме­ сторождения. Например, М.А. Цайгер считает, что показателем рациональности конструкции I может служить следующее вы­ ражение:

(3.5)

где q - дебит скважины; Ар - депрессия на пласт; Кс - капита­ ловложения в строительство одной эксплуатационной скважи­ ны данного диаметра.

Однако Н.В. Черский полагает, что в методике указанных работ не учитывается вся пластовая энергия, затрачиваемая на движение в системе пласт - скважина, и данный метод приме­ ним лишь для приближенного определения рационального ди­ аметра скважин только в однородных пластах с одинаковой, по­ стоянной для всего периода разработки месторождения физико­ механической характеристикой пород в пределах площади га­ зоносности, которые встречаются очень редко.

Б.М. Нанивский под показателем рациональности конструк­ ции понимает отношение затрат капиталовложений и пластовой энергии к добыче 1 тыс. м8 газа в сутки, т.е.

Я

гдерпл - пластовое давление скважины; ру - давление на устье. Сравнение зависимостей (3.5), (3.6) показывает, что послед­

няя учитывает замечание Н.В. Черского. Однако справедли­ вость и точность уравнения (3.6) также вызывают сомнение,

ибо при определении рационального диаметра обобщают и сум­ мируют данные по добыче всех эксплуатационных скважин вне зависимости от их местоположения на структуре, мощности вскрытого продуктивного горизонта, изменения коллекторских свойств пласта как по условиям залегания, так и во време­ ни. Поэтому оптимальный диаметр эксплуатационной колонны Р.Е. Смит и М.У. Клегг определяют исходя из условия обеспе­ чения максимального значения удельного дебита средней скважины.

Е.М. Нанивский рекомендует принимать диаметр эксплуа­ тационных колон газовых скважин для Уренгойского место­ рождения при дебитах от 6,5 до 1,0 млн. м3/сут равным 299 мм, а для месторождения Медвежье при дебите скважин от 4,7 до 0,7 млн. м3/сут -2 7 3 мм. Расчеты Г.С. Грязнова подтвержда­ ют, что наиболее рациональные диаметры эксплуатационных колонн, способные пропустить поток газа с дебитом 5-8 млн. м3, при оптимальном расходе пластовой энергии и наиболее высо­ кой экономической эффективности равны 245-273 мм для мес­ торождений типа Медвежьего и 245-324 мм для месторожде­ ний типа Уренгойского.

Следует отметить, что исходя из криологических и теплофи­ зических условий указанных месторождений диаметр эксплуа­ тационной колонны 219 мм является граничным. При меньшем диаметре возможно образование кристаллогидратных пробок, для предупреждения которых потребуется ввод в скважины ингибиторов.

Заслуживает внимания выбор диаметра эксплуатационной колонны на основании детальных подсчетов потерь давления в начальный период добычи и с учетом тех изменений в потерях, которые произойдут в процессе дальнейшей разработки залежи (Е.М. Минский и Л.Л. Хейн).

При больших диаметрах эксплуатационных колонн необхо­ димо учитывать взаимодействие скважин по пласту и возмож­ ность образования крупных воронок депрессии, размеры кото­ рых превысят расстояние между ними. Такая интерпретация может привести к снижению забойного давления и ухудшению технико-экономических показателей работы скважин.

Экономически оправдано заканчивание высокодебитных скважин эксплуатационными колоннами диаметром 219— 324 мм. При увеличении диаметра колонн в 2,2 раза (от 146 до 324 мм) дебит возрастает в 8—8,5 раза, а стоимость строи­ тельства - лишь в 1,6 раза (Уренгойское месторождение).

соблюдать оптимальное соотношение между диаметрами забой­ ного двигателя и скважины для сохранения условия, обеспечи­ вающего интенсивность очистки забоя. Последнее достигается неизменностью в процессе бурения скважины удельного расхо­ да промывочной жидкости д, т.е. расхода Q, отнесенного к пло­ щади забоя:

где D - диаметр скважины.

Условие использования максимума гидравлической мощнос­ ти потока при ограниченном давлении на насосах - реализация на забое 2/3 общего перепада давления в циркуляционной сис­ теме. Ухудшение показателей бурения с ростом глубин связано не только с увеличением энергоемкости разрушения пород на больших глубинах, но и с закономерным падением забойной мощности. В этом случае выбор недостаточно обоснованной кон­ струкции скважины (оптимальных соотношений диаметров до­ лот и бурильных труб, соответствующего типа и размера забой­ ного двигателя) будет способствовать быстрому снижению за­ бойной гидравлической мощности, так как сохранение опти­ мального соотношения перепада давления, равного 2/3, сильно затрудняется с увеличением глубины и уменьшением диаметра скважины.

В табл. 3.2 приведены рациональные диаметры скважины и бурильных труб. Эти варианты обеспечивают лучшие условия для бурения скважины: большие расходы обеспечивают турбу­ лентный режим течения жидкостей; тип и конструкция забой­ ного двигателя позволяют получить максимальную мощность на забое скважины; бурильные трубы при минимальном весе обеспечивают максимальный КПД гидравлической мощности.

Надежность конструкции в зависимости от давлений в стволе скважины и возможности возникновения интенсивных погло­

тав лица 3.2 Рациональные диаметры скважины и бурильных труб

щений бурового раствора или газонефтеводопроявлений служит основой методики.

Необходимая глубина спуска кондуктора или промежуточ­ ной колонны Н х определяется из условия максимального и ми­ нимального значений давления гидравлического разрыва плас­ тов, вскрываемых при бурении под очередную промежуточную колонну:

(3.8)

гдер х - ожидаемое давление на устье скважины; Дрх - ожидае­ мое значение градиента гидростатического давления газиро­ ванного бурового раствора в случае газопроявления в процессе бурения под очередную промежуточную колонну; Др2 - мини­ мальное значение градиента давления разрыва пласта для ин­ тервала ниже башмака кондуктора.

Как следует из выражения (3.8), необходимая длина обсад­ ной колонны находится в прямой зависимости от значений дав­ ления на устье скважины и градиента гидростатического дав­ ления бурового раствора.

При отсутствии в геологическом разрезе в интервале под очередную промежуточную колонну после кондуктора водога­ зонефтенасыщенных пластов с АВПД значение рх принимается равным 0,1. Тогда выражение, определяющее длину кондук­ тора Щ при проектировании конструкции скважин для нор­ мальных условий, имеет вид

где Арз - максимальное значение градиента гидродинамическо­ го давления промывочной жидкости, применяемого при буре­ нии под промежуточную колонну, МПа/м.

Для газовых месторождений при возможности фонтанирова­ ния глубину спуска кондуктора Н " в результате незначитель­ ности градиента гидростатического давления газового столба находят из выражения

где р2 - давление газонасыщенного пласта.

В случае ожидания возможных поглощений ниже башмака промежуточной колонны возникает необходимость определить глубину спуска этой колонны Н2, которую рассчитывают из максимального значения гидродинамического давления, воз­

лонн, использующая эмпирические данные, служит основой проектирования конструкций скважин в США. Глубины спуска колонн выбирают из условия Предупреждения гидроразрывов горных пород и несовместимости отдельных интервалов по ус­ ловиям бурения. Аналогичный подход к определению зон крепления скважины принят в настоящее время в СНГ. При этом вводится единый принцип выбора конструкции скважин - совместимость отдельных интервалов геологического разреза по горно-геологическим условиям бурения.

Для выбора количества обсадных колонн (зон крепления) используют совмещенный график изменения пластового давле­ ния, давления гидроразрыва пород и гидростатического давле­ ния столба бурового раствора, построенный на основании ис­ ходных данных в прямоугольных координатах глубина - экви­ валент градиента давления (рис. 3.3).

Под эквивалентом градиента давления понимают плотность жидкости, столб которой в скважине на глубине определения создает давление, равное пластовому (поровому) или давлению гидроразрыва.

Кривые, характеризующие изменение пластового (норового) давления и давления гидроразрыва пластов, строят на основа­ нии данных промысловых исследований.

В исключительных случаях при полном отсутствии промыс­ ловых данных допускается использовать эмпирическую зави­ симость

гДе Ргр “ давление гидроразрыва пластов; Н - глубина опреде­ лений гидроразрыва; Рпд - пластовое давление на глубине опре­ деления давления гидроразрыва.

Определение зон совместимости, количества обсадных ко­ лонн и глубин их спуска производят в приведенной ниже после­ довательности.

1. По литологической характеристике разреза выделяют ин­ тервалы с аномальной характеристикой пластовых давлений и давлений гидроразрыва.

2. Для интервалов по п. 1 находят значения эквивалентов градиентов пластовых (поровых) давлений и давлений гидро­ разрыва слагающих пород.

3. На совмещенный график наносят точки эквивалентов и строят кривые эквивалентов градиентов давлений (см. рис. 3.3, точки 1, 2..., 19 - пластовых давлений, точки 20, 21,..., 39 - давлений гидроразрыва).

4. Параллельно оси ординат проводят линии АВ, EF, KL и ОР

5.Зоны ABCD, EFGH, KLMH> OPQS являются зонами сов­ местимых условий бурения.

6.Линии АВ, EFy KL, OP определяют граничные условия по пластовым давлениям для соответствующих интервалов

разреза, а линии CD, GN, MN, QS - по давлениям гидрораз­

рыва.

Зоны совместимых условий бурения являются зонами креп­ ления скважины обсадными колоннами. Количество зон креп­ ления соответствует количеству обсадных колонн.

7.Глубина спуска обсадной колонны (установки башмака) принимается на 10-20 м выше окончания зоны крепления (зоны совместимых условий), но не выше глубины начала сле­ дующей зоны совместимых условий.

8.Плотность бурового раствора, применяемого при бурении в данной зоне крепления, должна находиться в пределах зоны совместимых условий и отвечать следующим требованиям: для скважин глубиной до 1200 м гидростатическое давление в скважине, создаваемое столбом бурового раствора, должно

превышать пластовое на 10-15 % , а для скважин глубиной > 1200 м - на 5-10 % . Отклонения от установленной плотности промывочной жидкости для ее значений до 1, 45 г/см8 не допу­ скаются больше чем на 0,02 г/см8, а для значений выше 1,45 г/см8 - не более чем на 0,03 г/см8 (по камерам бурового раствора, освобожденного от газа).

Глубина спуска эксплуатационной колонны определяется способами заканчивания и эксплуатации скважины, а глубина спуска кондуктора - требованиями охраны источников водо­ снабжения от загрязнения, предотвращения осложнений при бурении под очередную обсадную колонну, обвязки устья скважины противовыбросовым оборудованием и подвески об­ садных колонн.

При проектировании и бурении первых трех разведочных скважин, если достоверность геологического разреза недоста­ точна, допускается включать в конструкцию скважины резерв­ ную промежуточную обсадную колонну. В этом случае бурение скважины производят в расчете на крепление резервной обсад­ ной колонной намеченного интервала. Однако если в процессе бурения будет установлено, что необходимость в спуске резерв­ ной обсадной колонны отпала, продолжают углублять ствол под очередную обсадную колонну до запроектированной глу­ бины.