книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

имеем:

4 4

Тогда величина наружного давления р„ будет:

Л = Я—7*Дй-

4

Имея давления р, и р„, можно, пользуясь формулой Ламе, определить напряжения о, и ог.

На внутренней поверхности: а, =-р-*Др,

Напряжения аг, а„ о, являются главными напряжениями, причем все они сжимающие. Наибольшее (по абсолютной ве­ личине) из них —а,, а наименьшее — аг. Напряжения а, и аг переменны по толщине стенки цементного кольца, причем на­ ибольшая их разность —на внутренней поверхности кольца.

5.11.2. УСЛОВИЕ ПРОЧНОСТИ ДЛЯ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ

(Cement strength theory)

Определив главные напряжения, можно перей­ ти к составлению условия прочности, для чего необходимо вы­ брать теорию прочности.

Для такого материала, как цемент, приемлемой теорией, по-видимому, может оказаться теория прочности Мора. Одна­ ко для пользования последней надо иметь огибающую Мора, для построения которой необходимых данных еще не имеет­ ся. Впредь до получения данных условие прочности с достаточ­ ным основанием может быть принято в форме:

( 5 . 2 2 1 )

т

где асж— предел прочности на сжатие; т — запас прочно­ сти; X. —коэффициент (больше единицы), являющийся поправ­ кой при переходе от третьей теории прочности к теории Мора и зависящий от абсолютных величин ст, и аг.

421

Разность |о, —a j на внутренней поверхности кольца будет |с , - о г| = 2ЛДр,.

Тогда условие (5.221) запишем в форме:

2*Др, =

Величина Ар, является снижением ргвнутреннего давления в процессе эксплуатации, которое определяется выражением:

Обычно у0 > у„, а поэтому Ар, тем больше, чем больше z.

Следовательно, наибольшего значения Ар, достигают у забоя при z = L:

По формуле (5.224) для любых конкретных условий можно отыскать (Ар,)тах, а затем по формуле (5.222), имея значения т и X, определить необходимый предел прочности тампонажно­ го камня на сжатие. Как видно из (5.224), величина асжбудет зависеть от конкретных условий: глубины скважины, уровней цемента и жидкости и удельных весов. На это указываем пото­ му, что по действующему стандарту нормы прочности на там­ понажные цементы не привязаны к конкретным условиям, за исключением того, что нормирование ведут раздельно для хо­ лодных и горячих скважин.

П р и м е р . Определим (в виде примера) осждля следую­ щих условий: глубина скважины I = 3000 м; уровень жид­ кости в начальный период Н = 0, а через год Н = 1200 м; глу­ бина уровня цемента h = 2000 м; плотности бурового раствора, нефти и цементного раствора соответственно равны: 1,25 г/см3;

0,85 г/см3; 1,85 г/см3.

Для расчетов необходимо еще знать коэффициент Xи запас прочности ш. Примем, что отношение т : X = 1. Тогда по фор­

муле (5.222) асж= 0,5 Ар,.

422

Р а з д е л б

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ПО ОСВОЕНИЮ СКВАЖИН

(PRACTICAL WELL COMPLITION PROBLEMS)

6.1. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ФИЛЬТРОВ (ЗАБОЕВ) СКВАЖИН

(Selection of bottom-hole screen)

С момента начала бурения продуктивного плас­ та начинаются заключительные операции по строительству скважин, которые называются заканчиванием скважины. Это наиболее ответственный этап ее строительства, так как качес­ тво заканчивания полностью определяет качество конечного продукта дорогой скважины, хотя затраты на окончание глубо­ кой скважины в проекте на строительство занимают значитель­ ную часть общей стоимости. Одна из слагаемых качественно­ го заканчивания скважин — правильный выбор конструкции забоя скважины, которая определяется исходя из характерис­ тик основных видов объектов эксплуатации.

На рис. 6.1 изображены основные типы конструкций забо­ ев скважин.

Рис. 6.1. Основные типы забоев скважин:

I — обсадная колонна; 2 — цементное кольцо; 3 — зона перфорации; 4 — продуктив­ ный пласт; 5 — заколонный пакер; 6 — фильтр в колонне; 7 — подвеска фильтра; 8 — водоносный пласт; 9 — фильтр-хвостовик,- 10 —гравийный фильтр; 11 — зона про­ никновения; 12 — фильтр из тампонажного материала.

424

Конструкции открытого забоя (рис. 6.1, б —г) предназначе­ ны для заканчивания скважин в условиях, когда применение тампонажного материала недопустимо из-за ухудшения кол­ лекторских свойств пласта. Продуктивный объект остается от­ крытым или перекрывается незацементированным фильтром.

Конструкция закрытого забоя (рис. 6.1, а) необходима для изоляции продуктивных горизонтов друг от друга с целью обес­ печения их разработки по системе снизу вверх или для сов­ местно-раздельной эксплуатации. Продуктивный объект пере­ крывается сплошной или потайной колонной с обязательным ее цементированием.

Конструкции забоя смешанного типа (рис. 6.1, д, е) сочета­ ют элементы конструкций открытого и закрытого забоев. Та­ кие конструкции рациональны в однородной залежи для изо­ ляции близко расположенных от кровли объектов напорных горизонтов. С этой целью в верхнюю часть продуктивного объ­ екта спускают и цементируют эксплуатационную колонну. Ниж­ няя часть пласта остается открытой или перекрывается неза­ цементированным фильтром.

Конструкция забоев для предупреждения выноса песка предусматривает создание в призабойной зоне искусственных барьеров, которые снижают поступление песка в скважину. С этой целью используют механические фильтры (рис. 6.1, ж) или фильтры из проницаемых материалов (рис. 6.1, з).

Однородным коллектором считают пласт, являющийся литологически однотипным по всей толщине, имеющий при­ близительно одинаковые фильтрационные свойства и плас­ товые давления в пропластках, насыщенных только нефтью или газом, или водой. Границы изменения проницаемости пород в пропластках не должны выходить за пределы одного из шести классов: 1) Jt > 1 мкм2; 2) к = 0,5 + 1 мкм2; 3) к = = 0,1 -s-0,5 мкм2; 4) к = 0,05 + 0,1 мкм2; 5) к = 0,01 +0,05 мкм2; 6) к = 0,001 +0,01 мкм2.

Пласт считается неоднородным, если он расчленен пропла­ стками разных типов пород с проницаемостью, значения кото­ рой выходят за рамки, указанные выше, имеет подошвенную воду, газовую шапку или чередование нефтегазоводонасыщен­ ных пропластков с разным пластовым давлением.

Кплотным коллекторам относят породы, которые при про­ ектных депрессиях в процессе освоения и эксплуатации сква­ жины сохраняют устойчивость и не разрушаются под воздей­ ствием фильтрационных и геостатических нагрузок.

Кслабосцементированным коллекторам относят неустойчи­

вые породы, продукты разрушения которых при эксплуатации скважин выносятся на поверхность вместе с флюидом.

425

Высокими, нормальными и низкими пластовыми давления­ ми считаются давления, имеющие градиенты соответственно

ние соответственно больше 0,1 мкм2 и 0,01 мкм2. При значе­ ниях ка и к,, меньше указанных величин коллектор считается малопроницаемым.

Близко расположенными по отношению к продуктивному объекту считаются пласты, находящиеся на расстоянии ме­ нее 5 м.

По фракционному составу различают песчаники мелкозер­ нистые с размером частиц песка в пределах 0,10—0,25 мм, сред­ незернистые (0,25—0,50 мм) и крупнозернистые (0,5—1 мм).

Основными факторами, определяющими выбор конструк­ ции забоя, являются способ эксплуатации объекта, тип коллек­ тора, механические свойства пород продуктивного пласта и ус­ ловия его залегания.

В зависимости от способа эксплуатации продуктивные объ­ екты делят на эксплуатирующиеся раздельно, совместно и сов­ местно-раздельно.

При раздельной эксплуатации объектов возможно примене­ ние всех опробованных в наше время конструкций забоя.

При совместной или совместно-раздельной эксплуатации не­ обходимо изолировать продуктивные горизонты друг от друга, поэтому они должны быть перекрыты сплошной или потайной колонной с обязательным их цементированием.

Условия применения конструкций с открытым забоем: кол­ лектор однородный гранулярного или трещинного типа в со­ стоянии, не допускающем применения тампонажного матери­ ала; в разрезе коллектора отсутствуют близко расположенные водяные или газоносные пласты, в его подошве нет воды; кол­ лектор состоит, как правило, из прочных пород; используется раздельный способ эксплуатации объекта.

Конструкция с закрытым забоем используется в следую­ щих случаях: в неоднородном коллекторе пористого или тре­ щинного типа, в котором чередуются устойчивые или неустой­

426

чивые породы, водо- и гаэовмещающие пропластки с разными пластовыми типами; при необходимости крепления неоднород­ ных коллекторов с целью изоляции близко расположенных га­ зоводонефтевмещающих пластов; в коллекторе, характеризу­ ющемся высокими значениями пористой (Агп) или трещинной (£т) проницаемости пород; когда необходимо обеспечить сов­ местную, раздельную или совместно-раздельную эксплуата­ цию объектов.

Конструкции забоев смешанного вида используются в сле­ дующих случаях: в однородном коллекторе пористого или тре­ щинного типа при наличии близко расположенных напорных горизонтов или газовой шапки у кровли пласта, а также при низких значениях пористой или трещинной проницаемости по­ род; в коллекторе, составленном прочными породами, сохра­ няющими устойчивость при образовании депрессии на пласт при эксплуатации скважины; при раздельном способе эксплу­ атации продуктивного объекта,

Применяются конструкции забоев для предупреждения вы­ носа песка: в слабосцементированном коллекторе, составленном мелко-, средне- и крупнозернистыми песчаниками, для кото­ рых характерно разрушение призабойной зоны пласта, с выно­ сом песка при эксплуатации скважины; при раздельном спосо­ бе эксплуатации продуктивного объекта фильтровой зоны.

Принципы выбора конструкции фильтровой зоны скважи­ ны приведены ниже.

1} Конструкции открытого забоя

Устанавливают соответствие условий залегания проектного продуктивного объекта и его физико-механи­ ческих свойств требованиям, описанным выше.

Исходя из ожидаемых условий эксплуатации, оценивают устойчивость пород в призабойной зоне по выражению

где асж — граница прочности пород продуктивного пласта при одноосном сжатии, МПа; Н — глубина залегания продук­ тивного пласта, м; К — коэффициент бокового распора:

р„п —пластовое давление, МПа; рь —давление столба жид­ кости на забое скважины, МПа; g — ускорение силы тяжес­

ти, м/с2; р — средняя плотность вышезалегающих горных по­ род, кг/м3,

427

щина i-ro пласта, м; и — число пластов; ц —коэффициент Пу­ ассона, средние значения которого для основных типов пород указаны ниже.

П р и м е р . Эксплуатация скважины глубиной 1500 м бу­ дет осуществлена из песчаника, граница прочности которого

на сжатие асж= 30 МПа, пластовое давление в котором равно 15,5 МПа, предполагается вести эксплуатацию при депрессии 2 МПа, а средняя плотность горных пород по разрезу скважи­ ны равна 2250 кг/м3.

При таких условиях ръ= 15,5-2,0= 13,5 МПа,

03 К =—— = 0,43,

1-0,3

оеж =30 МПа >2[0,43(10 6 • 2250 - 9,8 • 1500-15,5) - -(15,5-13,5)] =18МПа.

Принимаются во внимание следующие исходные данные; при устойчивом или неустойчивом коллекторе, если

gradрая >0,1 МПа/10 м, а у самого коллектора к„ >0,1 мкм2 или кт> 0,01 мкм2, применяют конструкцию открытого забоя (рис. 6.1, в);

если у коллектора низкая пористая или трещинная прони­ цаемость, a gradpnjl >0,1 МПа/10 м, то при устойчивом коллек­ торе применяют конструкцию забоя (рис. 6.1, б), а при неустой­ чивом коллекторе —изображенную на рис. 6.1, г;

если g r a d <0,1 МПа/10 м, независимо от проницаемости пород при устойчивом коллекторе выбирают конструкцию за­ боя, изображенную на рис. 6.1, б, а при неустойчивом коллек­ торе — изображенную на рис. 6.1, г.

428

2) Конструкции закрытого типа

В этом случае устанавливается соответствие конструкции условиям залегания и эксплуатации продуктив­ ного объекта. Все расчеты колонн, выбор прочности цемент­ ного камня и прочее осуществляются согласно действующим методикам.

3) Конструкции смешанного типа

Устанавливается соответствие условиям залега­ ния и эксплуатации продуктивного объекта.

Оценивается устойчивость пород призабойной зоны пласта. При устойчивом коллекторе применяют конструкцию за­ боя, изображенную на рис. 6.1, д, а при неустойчивом коллек­

торе —на рис. 6.1, е.

4} Конструкции для предупреждения выноса песка

Устанавливается соответствие конструкции ус­ ловиям залегания и эксплуатации продуктивного объекта.

Определяется средний фракционный состав пластового песка.

Вскважинах со средне- и крупнозернистыми песчаника­ ми используется конструкция забоя скважины, изображенная на рис. 6.1, ж.

Вскважинах с мелкозернистыми песчаниками применяют конструкции забоя, показанные на рис. 6.1, ж, з.

Оценивают ограничения по депрессии на пласт:

В конструкциях забоев, изображенных на рис. 6.1, б, г, баш­ мак эксплуатационной колонны устанавливают в устойчивых непроницаемых отложениях кровли продуктивного объекта с целью изоляции вышезалегающих водных отложений, исклю­ чения осыпания пород открытого ствола и предупреждения перетоков пластового флюида в вышеразмещенные горизон­ ты; при наличии над кровлей пласта устойчивых непроницае­ мых пород большой толщины башмак колонны устанавливают на расстоянии 10—20 м от кровли пласта.

В конструкциях забоев, изображенных на рис. 6.1, г, при наличии в кровле продуктивного объекта неустойчивых от­ ложений с целью исключения осыпания пород открытого ствола эксплуатация скважины должна осуществляться за

429

счет применения двух заколонных пакеров типа ПМП кон­ струкции ВНИИБТ. Один устанавливают в верхней части по­ тайной колонны, другой — в устойчивой части кровли про­ дуктивного объекта.

При конструкции открытого забоя (см. рис. 6.1, в) эксплуата­ ционная колонна цементируется с использованием пакера типа ПМД конструкции ВНИИБТ, установленного на 8—10 м выше перфорированного фильтра для предупреждения проникнове­ ния тампонажного раствора в продуктивную часть пласта.

Вскрытие продуктивного объекта при АНПД в условиях од­ нородной высокопроницаемой массивной залежи с развитыми вертикальными разломами и расщелинами должно осущест­ вляться до глубины залегания зоны интенсивного поглощения бурового раствора.

При последовательном бурении нескольких скважин одно­ го куста и задержке при освоении продуктивных объектов до завершения строительства запланированных скважин техно­ логия создания конструкции открытого забоя должна предус­ матривать исключение продолжительного воздействия буро­ вого раствора на продуктивный пласт с целью максимального сохранения его коллекторских свойств.

Технология создания конструкции открытого забоя сква­ жины должна обеспечивать выполнение без осложнений сле­ дующих операций: спуск компоновок эксплуатационной и потайной колонн с установленными на них приспособления­ ми; закрепление колонны в призабойной зоне, качественное вскрытие пласта и современные способы освоения; искусст­ венные воздействия на призабойную зону с целью интенсифи­ кации притока; проведение ремонтно-изоляционных работ.

Технология создания конструкции забоя, показанной на рис. 6.1, г, такая же, как и описанной выше конструкции. До­ полнительная операция при ее создании — перекрытие неус­ тойчивого пористо-трещинного коллектора потайной колон­ ной-фильтром.

Технология создания конструкций забоя для предупрежде­ ния выноса песка (см. рис. 6.1, ж) основывается, прежде всего, на объединении зацементированной эксплуатационной колон­ ны и забойного фильтра (щелевого, с проволочной обмоткой, металлокерамического, титанового), установленного в интер­ вале перфорации. Предельно допустимая депрессия на слабосцементированный пласт при такой конструкции забоя опре­ деляется из выражения

430