Проектирование конструкции скважин

В настоящее время необходимое количество обсадных колонн и глубины их спуска выбирают из условия предупреждения гидроразрывов горных пород и несовместимости отдельных интервалов по условиям бурения. При этом вводится, единый принцип выбора конструкций скважин - совместимость отдельных интервалов геологического разреза по горно-геологическим условиям бурения. Под совместимостью бурения или, наоборот, под несовместимостью условий бурения понимают такое их сочетание, когда заданные параметры технологических процессов бурения нижележащего интервала вызывают осложнения в пробуренном вышележащем интервале, если последний не закреплен обсадной колонной, а проведение дополнительных специальных технологических мероприятий по предотвращению этих осложнений невозможно.

Определение зон совместимости, количества обсадных колонн и глубин их спуска производится в такой последовательности.

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

2. Для выбранных интервалов находят значения коэффициента аномальности пластовых (поровых) давлений и индекса давления поглощения слагающих пород.

3. На совмещенный график наносят точки значений коэффициента аномальности индекса давления поглощения по которым строят соответствующие (точки 1 - пластовых давлений, 2 - индекса давления поглощения, 3 - коэффициента устойчивости).

4. Параллельно оси ординат проводят линии касательно крайним точкам.

5. Зоны 1 и 2, 5 и частично 6 являются зонами совместимых условий бурения, а 3 и 4, 4 и 5 несовместимыми по условиям бурения.

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

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

7. 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 промывочной жидкости, должно на 10 ¸ 15 % превышать пластовое, а для скважин глубиной более 1200 м превышение должно составлять 5 - 10 %. Отклонения от установленной величины плотности промывочной жидкости для ее значений до 1,45 г/см³ не допускается больше чем на 0,02 г/см³, а для более высокой плотности - не более ±0,03 г/см³.

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

При проектировании и бурении первых трех разведочных скважин, если достоверность геологического разреза недостаточна, допускается включение в конструкцию скважины резервной промежуточной колонны.

В этом случае бурение скважины производят в расчете на крепление резервной обсадной колонной намеченного интервала. Однако если в процессе бурения будет установлено, что необходимость в ее спуске отпала, то продолжают углубление ствола под очередную обсадную колонну до запроектированной глубины.

Интервалы цементирования колонны определяются в соответствии с едиными правдами ведения буровых работ 7, согласно которым кондуктора, промежуточные и эксплуатационные колонны в газовых и разведочных скважинах, а также промежуточные колонны в нефтяных скважинах глубиною свыше 3000 м должны быть зацементированы по всей длине. Интервал цементирования эксплуатационных колонн в нефтяных скважинах разрешается ограничивать участком от башмака до сечения, расположенного не менее чем на 100 м выше нижнего конца предыдущей обсадной колонны. Промежуточные колонны в нефтяных скважинах глубиною менее 3000 м цементируются участком длиною не менее 500 м от башмака (с учетом геологических условий). Такое же ограничение интервала цементирования допускается для промежуточных и эксплуатационных колонн в газовых и разведочных скважинах, если приняты эффективные меры для обеспечения герметичности резьбовых соединений труб.

Диаметры обсадных колонн и диаметры долот для бурения под них определяют снизу вверх по формулам:

(13)

(14)

где: а_i - зазор между колонной и стенкой ствола скважины.

Величина а_i зависит от диаметра колонны, устойчивости пород и интервала выхода данной колонны из башмака предыдущей. Для колонн диаметром 114 - 168 мм а_i принимается равным 5 - 15 мм, колонн диаметром 178 - 255 =15 - 25 мм, колоны диаметром 273 - 351 мм - 25 - 40 мм и колонн большего диаметра -
40 - 50 мм. В наклонных скважинах зазор должен быть несколько больше. Если участок ствола скважины представлен недостаточно устойчивыми породами, породами склонными к выпучиванию, величину зазора также необходимо увеличивать:

- зазор между долотом и внутренней поверхностью обсадной колонны. Величину выбирают с учетом возможного неблагоприятного сочетания овальности труб и допусков на диаметры труб и долот. Обычно принимают равным 5-15 мм.

Конструкцию скважины рекомендуется представить в виде схемы. Проектную конструкцию скважины сравнить с применяемой на данной площади. Дать критический анализ.

Проектирование конструкции скважины производится с обоснования метода вскрытия продуктивных пластов, затем определяют число обсадных колонн, их размеры, диаметры долот, интервалы цементирования.

Число обсадных колонн определяется количеством интервалов, несовместимых по условиям бурения. Число интервалов, несовместимых по условиям бурения, определяется по совмещенному графику изменения коэффициентов аномальности пластовых давлений (К_а), индексов давлений поглощения (К_п) и устойчивости породы с глубиной 1, 2, 3.

При отсутствии данных о давлениях поглощения для прогнозирования значений К_п можно пользоваться 4, 5, 6:

- для проницаемых пород:

(1)

(2)

(3)

- для глинистых пород:

(4)

- для непроницаемых пород:

(5)

- для трещиноватых пород:

(6)

где: m - коэффициент Пуассона. Значения m приведены в 7.

Ориентировочно для пластичных глин m = 0,38 ¸ 0,48; плотных глин -
0,25 ¸ 0,35; глинистых сланцев - 0,10 ¸0,20; известняков - 0,28 ¸ 0,33; плотных песчаников - 0,20 ¸ 0,35; песчаника крупнокристаллического - 0,30 ¸ 0,35; среднекристаллического - 0,30 ¸ 0,33; мелкокристаллического - 0,23 ¸ 0,28; глинистых песчаников и алевролитов - 0,20 ¸ 0,30; песчаноглинистых сланцев - 0,25 ¸ 0,35; песчаников и алевролитов с карбонатным цементом - 0,25 ¸0 ,27; каменной соли - 0,35 ¸ 0,45; ангидритов - 0,30 ¸ 0,40; аргиллитов - 0,10 ¸0,25; лессовидных отложений - 0,05 ¸ 0,20.

Ка - коэффициент аномальности пластового давления;

(7)

где: - пластовое давление, Па;

- плотность пресной воды(=1000 кг/м³);

- глубина залегания пласта, м;

- индекс геостатического давления, Па;

(8)

- геостатическое давление, Па;

(9)

- пористость породы, доли единицы;

- плотность скелета данной породы, кг/м³;

Порода (пески, песчаники, алевролиты, глины) , кг/м³ 2640 ¸ 2680;
2600 ¸ 2880; 2650 ¸ 2730; 2620 ¸2750.

Порода (глинистые сланцы, мергели, известняки) , кг/м³; 2800 ¸ 3000; 2670 ¸ 2730; 2700 ¸ 2740; (доломиты, ангидриты) 2750 ¸ 2880; 2300 ¸ 2400.

- толщина слоя той же породы, м;

- плотность жидкости в порах породы, кг/м³;

q - ускорение свободного падения, м/с ;

- объемная плотность вышележащих пород, кг/м³;

- коэффициент аномальности порового давления;

(10)

- поровое давление, ( Па).

Для пластичных хемогенных пород ; для закарстованных, крупнотрещиноватых пород . Если принять и , то . Индекс давления устойчивости породы:

Для неустойчивых глинистых пород:

- давление относительной устойчивости породы, Па;

- ожидаемая депрессия на пласт при бурении, Па.

ЛЕКЦИЯ 3. ОБСАДНЫЕ ТРУБЫ.

Изучаемые вопросы.

1. Конструкция обсадных труб.

2. Требования ГОСТ на обсадные трубы.

3. Контроль качества труб и их соединений.

4. Типы обсадных труб.

5. Способы повышения герметичности обсадных труб.

6. Соединения обсадных труб сваркой.

Конструкция обсадных труб

Для крепления скважин применяют специальные обсадные трубы. Используют преимущественно цельнокатаные трубы, изготовляемые по ГОСТ 632-80. Направления и кондуктора иногда составляют из сварных стальных труб. Они имеют вид длинного полого круглого цилиндра, на концах которого нарезана наружная коническая резьба. Соединяются между собой муфтой. Обсадные трубы изготовляют бесшовными с D = 114 ¸ 508 мм и различными толщинами стенок. Толщина стенки трубы увеличивают за счет уменьшения внутреннего диаметра.

Реально трубы всегда отличаются по форме от идеального круглого цилиндра. Поперечное сечение слегка овально, толщина стенки не всегда постоянна не только по длине, но и в поперечном сечении. В связи с этим установлены допуски. Так для обычных обсадных труб с диаметром не более 219 мм и муфт к ним отклонения по наружному диаметру не должно превышать 1 %, для труб большего диаметра 1,25 %, отклонения по толщине стенки должно быть не более минус 12,5 %, по массе отдельной трубы не более +9 % .или - 6 %.

Овальность - отношение разности наибольшего и наименьшего наружных диаметров поперечного сечения трубы и их полусумме.

l - не должна превышать 80 % допускаемых отклонений по наружному диаметру; для труб до 219 мм l £ 1,6

> 2I9 l £ 2.

Обсадные трубы изготавливают из углеродистых и легированных сталей, в которых содержание серы и фосфора не должно превышать 0,045 % каждого, а содержание мышьяка - не более 0,15 %. Обсадные трубы в зависимости от предела прочности стали выпускают следующих типов (марок) - Д, К, Е, Л, Р, Т.

Трубы и муфты к ним, как правило, должны изготовлять из стали одинаковой группы прочности. Допускается, однако, изготовлять муфты к трубам диаметром до 245 мм при толщине стенки не более 10 мм, а также по всем трубам большого диаметра из стали последующей группы прочности, например, к трубам из стали группы прочности К, муфты из стали группы Е. Трубы групп прочности К и выше должны обрабатываться; в стандарте, однако, не указаны виды термообработки.

Согласно ГОСТ 632-80 все обсадные трубы диаметром 219 мм и менее и
50 % труб большего диаметра после навинчивания и закрепления муфт должны на заводе подвергаться испытанию гидравлическим давлением - опрессовка. Продолжительность опрессовки - не менее 10 с. Давление опрессовки рассчитывают так, чтобы эквивалентное напряжение на внутренней поверхности составляло в трубах с наружным диаметром 219 мм не менее 80 %, а в трубах большего диаметра - 60 % от предела текучести материала; при этом предполагают, что диаметр и толщина стенки труб соответствует номинальным значениям. Трубы, при испытании которых обнаружена течь или потение в стенке, не разрешается отгружать потребителю. Если обнаружена течь в резьбовом соединении, соединение должно быть забраковано, а на трубе нарезана новая резьба. После нарезки резьбы обязательно проводится повторная опрессовка.

Обсадные трубы должны быть прямыми. Если между концами трубы туго натянуть нить, стрела прогиба на расстоянии одной трети длины трубы от каждого из ее концов не должна превышать 1,3 мм на каждый метр длины этого участка: посередине трубы прогиб не должен превышать 1/2000 ее длины.

Заводы отгружают обсадные трубы потребителям партиями. Каждая партия снабжается сертификатами, в которых удостоверяется качество труб и соответствие их требованиям стандарта.

Резьбы обсадных труб изготавливаются в соответствие с ГОСТ 632-80 - коническая, треугольного, профиля. Конусность резьбы, т.е. отношение разности диаметров ее в двух поперечных сечениях к расстоянию между последними, равна . Коническая резьба позволяет путем натяга при свинчивании достичь несколько большей герметичности по сравнению с цилиндрической резьбой при одинаковой точности изготовления. Большая часть обсадных труб, изготовленных по ГОСТ 632-80, имеет соединения с нормальной длиной резьбы. На трубах диаметром 127 и 140 мм с толщиной стенки 7 мм длина резьбы несколько короче нормальной. Стандарт предусматривает также изготовление труб диаметром от 114 до 245 мм включительно и муфт к ним с удлиненной резьбой. Увеличение длины резьбы составляет от 13 % для труб диаметром
114 мм до 40 % для труб диаметром 245 мм.

Указанному типу резьб присуще два недостатка. Во-первых, прочность такого муфтового соединения составляет от 55 до 70 % прочности по телу ненарезанного участка трубы; наиболее слабым является сечение по основной плоскости. Во-вторых, недостаточно высока герметичность их. Поэтому, трубы с такими соединениями целесообразно использовать, прежде всего, в нижних участках обсадных колонн, где прочность на растяжение не является серьезным лимитирующим фактором, а избыточное внутреннее давление сравнительно невелико.

Прочность соединений можно существенно повысить, если треугольный профиль резьбы с большим углом при вершине заменить трапецеидальным с малыми углами наклона боковых граней. В последние годы применяются трубы, на которых нарезана трапецеидальная резьба с конусностью . Посадка резьбы осуществляется по внутреннему и наружному ее диаметрам. Трубы с такими соединениями имеют шифр OTTM-1 (обсадные трубы с трапецеидальной резьбой, с муфтами). Прочность на растяжение на 25 ¸ 50 % выше, чем соединений с резьбой треугольного профиля.

Трубы с муфтовыми соединениями повышенной герметичности имеют шифр ОТТГ-1. Они снабжены резьбой такого же профиля, что и трубы ОТТМ-1, но отличаются от последних, во-первых, наличием уплотнительных поверхностей - наружной у ниппельного конца трубы и внутренней - в серединной части муфты: во-вторых, тем, что резьбовое соединение закрепляется до упора торца трубы в срединный выступ муфты. При таком закреплении соединения создается посадка по уплотнительным коническим поверхностям и по внутреннему и наружному диаметрам резьбы, точно фиксируется заданный диаметральный натяг (0,5 мм), устраняется зазор между соединяемыми деталями, чем достигается более высокая герметичность. Отклонения по конусности гладких уплотнительных поверхностей трубы и муфты на длине 14 мм не должны превышать ± 0,03 мм.

Существуют безмуфтовые соединения труб с утолщенными концами и труб с постоянной по длине толщиной стенок. Трубы с утолщенными концами разработаны в двух вариантах. У трубы ТБО-4 (трубы безмуфтовые обсадные) утолщенные оба конца; на одном из концов нарезана наружная, а на другом - внутренняя коническая трапецеидальная резьба. В трубах ТБО-5 утолщен только один конец, на котором нарезана внутренняя резьба; на другом, неутолщенном конце имеется наружная резьба. Профиль и размеры трапецеидальных резьб на трубах ТБО такие же, как и на трубах ОТТМ-1.

На концах труб ТБО так же, как и на трубах ОТТГ-1 имеются гладкие конические уплотнительные поверхности. Соединения закрепляются до упора торцов. Трубы ТБО и ОТТГ-1 можно соединять друг с другом без дополнительных переводников.

Безмуфтовые трубы ОГ-1 м с постоянной по длине толщиной стенок снабжены на одном конце наружной, а на другом внутренней конической резьбой трапецеидального профиля. Конусность 1/12.

Резьбовое соединение закрепляется до упора торцов. Посадка резьбы происходит по внутреннему диаметру ее; кроме того, для увеличения жесткости муфтового конца предусмотрена посадка по срезанным вершинам профиля на участке от начала сбега резьбы на ниппельном конце трубы до упорного уступа. Характерной особенностью обсадных колонн, составленных из труб ОГ-1 м, является постоянство наружного диаметра по всей длине.