книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

где A/min — минимальный крутящий момент, полученный при подсчетах допустимого крутящего момента для однораз­ мерных секций колонны бурильных труб; /2 и т. д. —длина секций одноразмерных бурильных труб; G,, G 2 и т.д.— модули упругости металла труб при сдвиге; /,, /2 и т. д. —полярные мо­ менты инерции труб.

Приведенные расчеты справедливы в тех случаях, когда вес инструмента на крюке равен весу его свободной части с уче­ том облегчения в жидкости, то есть когда нейтральное (не ис­ пытывающее напряжений) сечение колонны находится на вер­ хней границе прихвата.

Если прихваченный инструмент вращается при натяжении колонны, превышающем вес ее свободной части, то допусти­ мый крутящий момент определяется по секциям сверху вниз по формуле

где F —сила натяжения инструмента.

П р и м е р 7.4. Рассчитать допустимый угол закручивания секционной колонны бурильных труб.

Условия. Буровой инструмент прихвачен на глубине 4300 м. Свободная часть состоит из четырех секций буриль­ ных труб.

591

Скважина заполнена буровым раствором

Решение. Определим для каждой из четырех секций буриль­ ных труб допустимый кутящий момент в верхних сечениях:

156-10“ - = 26800Я-л<

2-1,5

Аналогично для верхних сечений других секций Мг — = 21900 Н -м, Мх = 37300 Н -м.

Следовательно, минимальный крутящий момент 21600 Н • м может быть приложен к четвертой секции бурильных труб. Из этого условия и находят допустимую степень закручива­ ния прихваченной колонны бурильных труб для рассматрива­ емого случая:

592

требуемого снижения гидростатического давления, а затем по полученному значению находят высоту и объем столба дизель­ ного топлива или воды. Расчетный объем дизельного топлива закачивают в бурильную колонну. Так как дизельное топливо (солярка) имеет более низкую плотность, чем буровой раствор, то давление в бурильных трубах меньше, чем в кольцевом про­ странстве, и перепад давления будет направлен к бурильным трубам. Избыточное давление поддерживают путем закрытия шарового крана, установленного над ведущей трубой. Затем к бурильной колонне прикладывают безопасное натяжение, ко­ торое равно сумме первоначальной нагрузки на крюке и до­ полнительного натяжения.

Через равные интервалы времени открывают бурильные трубы, и возникает обратная циркуляция до тех пор, пока ди­ зельное топливо полностью не удалено. Таким образом, уро­ вень в затрубном пространстве уменьшается до отметки, при которой гидростатическое давление равно или несколько вы­ ше пластового.

Во время обратного перетока бурильные трубы необходи­ мо непрерывно расхаживать, пока они полностью не освобо­ дятся. Если в состав бурильной колонны включен бурильный ясс, то его требуется использовать с целью создания дополни­ тельного усилия для освобождения бурильных труб. Буриль­ ный ясс эффективен только тогда, когда он находится выше зоны прихвата. Во время обратного перетока следует непре­ рывно контролировать давление в бурильной колонне и коль­ цевом пространстве.

Когда давление в скважине постоянно, то давление в бу­ рильных трубах медленно падает, и жидкость в затрубном про­ странстве не поднимается. Если в скважине возникает проявление, то наблюдается постепенное повышение уровня в кольцевом про­ странстве, и давление в бурильных трубах медленно возрастает во время обратного перетока. При возникновении подобной си­ туации операцию по освобождению бурильной колонны следует прекратить и начать работы по глушению скважины.

П р и м е р 7.5. Определить объем нефти, необходимый для снижения гидростатического давления в скважине на 3,4 МПа, используя следующие данные: плотность бурового раствора и нефти 1200 и 800 кг/м3 соответственно; глубина сква­ жины 3000 м, диаметр —311,2 мм; бурильные трубы —наруж­ ный и внутренний диаметры 127 и 109 мм соответственно.

Решение. Первоначальное гидростатическое давление со­ ставляет 1200 • 9,81 • 3000 = 35,316 МПа. Требуемое гидроста­ тическое давление равно 35,316 — 3,4 = 31,916 МПа.

594

Таким образом, новое гидростатическое давление равно дав­ лению (бурового раствора и нефти) в бурильных трубах, т.е.

31916000 = 1200 ■9,81¥ + 800 • 9,81(3000 - У) ,

где Y —высота столба бурового раствора в трубах. Следовательно, У = 2134 м. Отсюда, высота столба нефти

равна 3000 —2134 = 866 м, объем нефти равен произведению объема 1 м бурильных труб на высоту, т. е. (я/4)0,1092 х 866 = = 8,08 м3.

Следует отметить, что когда требуемый объем дизельно­ го топлива (нефти) закачан в бурильные трубы, то значе­ ние гидростатического давления у долота становится равным 31,916 МПа, в то время как величина гидростатического давления в затрубном пространстве все еще составляет 35,316 МПа. Разность давления в двух половинах сообщающих­ ся труб создает противодавление в бурильных трубах, что ве­ дет к вытеснению дизельного топлива и снижению уровня бу­ рового раствора в затрубном пространстве, в результате чего уменьшается гидростатическое давление на пласт.

Если пластовое давление неизвестно, то снижают гидро­ статическое давление бурового раствора в несколько приемов, используя описанный выше метод, пока не освободят буриль­ ные трубы полностью.

Один из вариантов этого метода предусматривает закачи­ вание воды в затрубное пространство и бурильные трубы для снижения гидростатического давления до значения равного или несколько превышающего пластовое.

П р и м е р 7.6. Для прихвата на глубине 3475 м имеем сле­ дующие данные: пластовое давление 40,2376 МПа, диаметр про­ межуточной обсадной колонны 244,5 мм (внутренний диаметр 224,5 мм на глубине 5231 м), наружный и внутренний диамет­ ры бурильных труб 127 и 109 мм, плотность бурового раство­ ра 1470 кг/м3.

Требуется снизить гидростатическое давление в бурильных трубах и кольцевом пространстве так, чтобы оно было равно пластовому давлению.

Определить объем воды, необходимый для кольцевого про­ странства и бурильных труб, учитывая, что плотность минера­ лизованной воды 1040 кг/м3.

Решение. Принимаем высоту уровня воды в кольцевом про­ странстве за У

Требуемое гидростатическое давление в точке прихвата 40237600 Па (40,2376 МПа), или 40237600 = Y ■1040 ■9,81 + + (3475 - У)1470 • 9,81 = 2340 м.

Требуемый объем воды в кольцевом пространстве равен произведению объема 1 м кольцевого пространства между бу­ рильными трубами и обсадной колонной диаметром 244,5 мм на высоту столба воды, или (тг/4) х 0.22452 ■2340 = 92,63 м3.

Следовательно, если закачать в затрубное пространство 92,63 м3 воды, то гидростатическое давление в точке прихвата снижается до 40,238 МПа.

Когда вода, объемом 92,63 м3, закачана в кольцевое простран­ ство, бурильные трубы остаются заполненными буровым рас­ твором плотностью 1470 кг/м3, и гидростатическое давление в точке прихвата равно 1470 х 9,81 х 3475 = 50,112 МПа.

Таким образом, противодавление (или перепад давления), равное 50,112 —40,238 = 9,874 МПа, воздействует на кольцевое пространство и будет стараться уравновесить давления, вытес­ няя воду из этого пространства.

Чтобы в кольцевом пространстве было 92,63 м3 воды, столб воды в бурильных трубах должен быть равным по высоте стол­ бу воды в кольцевом пространстве.

Для предотвращения перетока из кольцевого пространства объем воды в бурильных трубах должен равняться произведе­ нию объема 1 м бурильных труб на высоту водяного столба, т. е. (х/4)0,1092 - 2340 = 21,84 м3.

Выравнивание уровней воды в бурильных трубах и кольце­ вом пространстве может быть достигнуто: а) закачиванием в кольцевое пространство 92,63 м3 воды; б) вытеснением в коль­ цевое пространство 21,84 м3 воды; в) закачиванием 21,84 м3 во­ ды в бурильные трубы для вытеснения такого же объема воды из затрубного пространства и снижением гидростатического давления в бурильных трубах до 40,238 МПа.

Если в процессе выполнения работ скважину необходи­ мо заглушить, то следует произвести обратную цирку­ ляцию буровым раствором плотностью 1470 кг/м3 (т. е. раст­ вором первоначальной плотности), пока вся вода не будет вытеснена из бурильных труб. Затем провести прямую цир­ куляцию через бурильные трубы буровым раствором плот­ ностью 1470 кг/м3, пока вся вода не будет удалена из кольце­ вого пространства.

В. Дизельное топливо или вода, закачиваемые в бурильные трубы

Равновесие, приобретаемое системой после вы­ текания обратно из бурильных труб части дизельного топли­ ва (под действием давления столба бурового раствора, находя­

596

щегося в затрубном пространстве), определяется следующим равенством.

где Нр —высота столба бурового раствора в затрубном про­ странстве, вес которого идентичен весу столба флюида в ко­ лонне бурильных труб (в данном случае дизельного топлива); р„— плотность воздуха, //„ — высота столба воздуха в затруб­ ном пространстве после приведения системы в равновесие; НФ — высота столба флюида (дизельного топлива) в колонне бурильных труб после приведения системы в равновесие.

Подставляя выражение (7.16) в равенство (7.15) и принимая ре = 0, получаем:

Я

(7.17)

( Рф(рр

Зная, что общий объем флюида (Уф), закачиваемого в сква­ жину, представляет собой сумму объемов дизельного топлива, которое после установления в скважине равновесия давлений осталось в колонне бурильных труб (Уф') и вытекало обратно (Уф"}, можно записать

Так как Уф' = НфУтр, а Уф" — объем затрубного простран­ ства, занятого воздухом (после приведения системы в равно­ весие), выражение (7.18) примет вид

где Утр, У1П—объем 1 м соответственно трубного и затруб­ ного пространства.

Подставляя выражение (7.17) в равенство (7.19), получаем

Определяя Яв из величины снижения гидростатического дав­ ления на пласт (Ар = gppH«) и подставляя это значение в выра­ жение (7.20), найдем расчетную формулу общего объема флю­ ида, необходимого для закачивания в бурильные трубы:

Уравнение (7.21) показывает взаимосвязь между величиной снижения гидростатического давления Ар и объемом флюида, который должен нагнетаться, чтобы получить это снижение.

597

Преобразуя выражение величины снижения гидростати­ ческого давления на пласт Ар по отношению к выражению Уф, получаем следующую расчетную формулу:

раствора, который будет вытеснен из затрубного простран­ ства для снижения гидростатического давления на заданную величину Ар.

Максимальное давление закачки флюида в бурильные

С. Газ или воздух, закачиваемый в затрубное пространство

Так как вытесненный флюидом объем бурово­ го раствора Ур равняется общему объему освобожденного за­ трубного и трубного пространств после достижения равнове­ сия, можно записать

Решая выражения для снижения гидростатического дав­ ления на пласт (Ар = РрН ^ ) в отношении Н ф и подставляя его значения в уравнение (7.24), получаем расчетную формулу об­ щего объема бурового раствора, который должен быть заме­ щен в скважине (в затрубном пространстве и бурильных тру­ бах) для снижения гидростатического давления на заданную величину:

Отсюда высота столба бурового раствора в затрубном про­

Максимальное давление закачки флюида р'та1вычисляется в начале замещения бурового раствора флюидом

598

(7.25) и заменяя в (7.28) полученное выражение Нр, получаем, расчетную формулу максимального давления при закачке флю­ ида (газа) в затрубное пространство

D. Газ (или воздух), закачиваемый в бурильные трубы

Замещенный флюидрм (газом) объем бурового раствора может быть выражен так:

Отсюда высота столба бурового раствора в бурильных тру­ бах Н", вытесняемого столбом флюида (таза) в конце замеще­ ния Нф

Исходя из того, что для данного случая вытесняемый флю­ идом объем бурового раствора Vp№равняется общему объему освобожденного трубного и затрубного пространств после до­ стижения равновесия, можно записать

Решая уравнение снижениягидростатическогодавления

на пласт (Др = ёРрНф) в отношении Нф и подставляя это зна­ чение в уравнение (7.33), получаем расчетную формулу об­ щего объема бурового раствора, который оказывается заме­ щенным в бурильных трубах и затрубном пространстве для снижения гидростатического давления на пласт на задан­ ную величину Др:

599

Для наглядности ниже приводится пример использования метода U-образной трубы для ликвидации прихвата.

П р и м е р 7.7. При бурении ствола скважины диаметром 244,5 мм на глубине 2134 м произошел прихват 127-мм буриль­ ной колонны. Прихват произошел ниже яссов, находящихся в компоновке низа колонны, при плотности бурового раствора 1264 кг/м3. Башмак последней 273-мм обсадной колонны (мас­ са единицы длины равняется 75,89 кг/м) располагался на глу­ бине 1432 м.

Для ликвидации прихвата колонны труб было решено, ис­ пользуя метод U-образной трубы, снизить гидростатическое давление на пласт на 2,11 МПа. С этой целью в колонну бу­ рильных труб надо было закачать столб дизельного топлива плотностью 840 кг/м3.

Решение.

Общий объем дизельного топлива, необходимого для закач­ ки в бурильные трубы, согласно формуле (7.21):

Уф= 10,8 м3.

При этом максимальное давление закачки дизельного топ­ лива в бурильные трубы, согласно формуле (7.23)

Рта, = g(P„- Р*) (V4/Vmp) = 4,92 МПа.

Объем бурового раствора, который будет вытеснен из затрубного пространства в конце закачивания в трубы дизель­ ного топлива, согласно выражению (7.22):

VP= АР VJ(.gPP) = 6,04 м3.

Колонна бурильных труб была освобождена после вытесне­ ния из затрубного пространства 4,77 м3 бурового раствора.

Разница давлений в системе скважина — пласт Ар' = = (4,7 ■2,11/6,04 = 1,6 МПа). Пластовое давление представляет собой разницу давления столба бурового раствора и Ар'

р,и = (1,26 ■2134) 10-2 - 1,66 = 19,64 МПа.

Е. Расхаживание прихваченной колонны

Расхаживание (натяжение и посадка) колонны труб и отбивка ее ротором не считается самостоятельным ме­ тодом освобождения прихваченной колонны, за исключением некоторых легких случаев прихватов. Способ расхаживания и величина нагрузок зависят от вида прихвата.

600