технология бурения 3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

определяют как проекции глубин по стволу скважины на вертикальную плоскость.

Переход от глубины по стволу скважины к глубине по вертикали производится по формуле

		′	−	′	,		(17.37)
		Z = Z		Z
где	′	– глубина по длине ствола скважины, м;				′	– удлинение по глубине
	Z					Z

Z′ , м.

Значение Z′ определяется по фактическим данным инклинометрии ствола скважины, а на стадии проектирования расчетным путем.

Если имеется фактический или проектный профиль ствола скважины, то расчет Z допускается производить графическим методом по проекции на вертикальную плоскость. При общем удлинении ствола скважины менее 50 м допускается производить расчет давлений как для вертикальных скважин (без корректировки глубин).

Влияние изгиба обсадной колонны учитывается увеличением запаса прочности на растяжение в зависимости от интенсивности искривления, размера и прочности резьбового соединения.

Интенсивность искривления ствола скважины αо (искривление на длине 10 м в градусах) определяют на стадии проектирования по формуле

α 0 = 573 / R, град/10 м ,

где R – проектный радиус искривления, м.

Для пробуренного ствола α0 определяют по результатам инклинометрии. Коэффициент запаса прочности на растяжение для обсадных труб с треугольной резьбой на изогнутом участке ствола (n13) определяют по

формуле

1			n3
n3	=					,	(17.38)
			1− n λ(α	0	− 0,5)
		3

где n3 – коэффициент запаса прочности на растяжение, принимаемый для вертикальной колонны (см. таблицу 14. 5); λ – коэффициент, учитывающий влияние размеров соединения и его прочностные характеристики; α0 – интенсивность искривления труб.

Минимальные запасы прочности n31 для труб по ГОСТ 632-80 представ-

лены в таблице 17.10.

Допустимую нагрузку рассчитывают по формуле

[Р]= Рстр / n31 ,

(17.39)

где Рстр – определяют в соответствии со справочными данными.

237

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Минимальные запасы прочности n1			Таблица 17.10
		для труб ГОСТ 632-80
	3
Диаметр труб, мм	Минимальное значение запаса прочности n1		приα0 = 0,5 град/10 м
		3
114 - 168	1,30
178 - 145	1,45
273 - 324	1,60
более 324	1,75

Смысл влияния интенсивности искривления на коэффициент запаса прочности на растяжение состоит в том, что при прохождении через интервал с максимальной интенсивностью искривления, происходит ослабление (снижение прочности) соединения с треугольной резьбой. Поэтому до начала расчета колонн выделяют интервалы, в которых происходило (будет производиться) отклонение ствола скважины, увеличивая каждый из них на 25 м в сторону устья скважины, и выделяют интервал с максимальной интенсивностью искривления αоmax.

Если интервал с максимальной интенсивностью искривления является первым от устья скважины α01max, то расчет всей нижерасположенной части колонны на растяжение производят с запасом прочности n31 , полу-

ченным с учетом αоmax.

Если интервал с максимальной интенсивностью искривления расположен в средней или нижней части обсадной колонны, то запас прочности на растяжение с учетом максимальной интенсивности искривления применяют только для интервалов, расположенных ниже данного участка. Для вышерасположенных интервалов обсадной колонны в этом случае используют запас прочности n31 , полученный для соответствующих интервалов.

При длине вертикального участка не более 100 м допускается принимать запас прочности на растяжение равным принятому для первого нижележащего интервала, в котором производится набор зенитного угла.

Соединения труб с трапецеидальной резьбой в меньшей степени, чем труб с треугольной резьбой, ослабляются при искривлении. Поэтому для труб с резьбами трапецеидального профиля и нормальным диаметром муфт (ОТТМ, ОТТГ, ТБО и импортных труб с резьбой «Батресс», «Экстрем лайн», VAM и др.):

-при интенсивности искривления скважин до 50/10 м для труб диаметром до 168 мм и до 30/10 м для труб диаметром более 168 мм расчет на прочность соединения при растяжении производят так же, как для вертикальных скважин без учета изгиба;

-при интенсивности искривления от 3 до 50/10 м для труб диаметром бо-

лее 168 мм допускаемая нагрузка на растяжение уменьшается на 10%. Основные отличия при расчете обсадных колонн для горизонтальных состоят в увеличении коэффициентов запаса прочности на наружное избы-

238

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

точное давление, который для горизонтально расположенного участка колонны принимается равным 1,3–1,5 (в зависимости от устойчивости коллектора).

Запас прочности на растяжение с учетом изгиба определяется как для наклонно направленных скважин. При определении веса колонны, она считается вертикальной, висящей в воздухе, т.е. не учитывается облегчение колонны в промывочной жидкости.

Для нижней секции обсадной колонны с целью облегчения проведения аварийных работ рекомендуется выбирать трубы с трапецеидальным профилем резьбы с заходом на 50 м в предыдущую колонну.

17.2.6. Натяжение обсадных колонн

При обвязке устья скважины обсадную колонну во время ее посадки на клинья колонной головки натягивают. Это необходимо для того, чтобы сохранить прямолинейную форму незацементированной части колонны, деформируемой при изменении температуры и давления в процессе эксплуатации скважины [7]. В случае наклонно направленных скважин расчет натяжения производят только для вертикального незацементированного участка колонны.

При этом удлинение колонны от натяжения должно быть больше, чем ее температурное удлинение при нагревании в процессе добычи теплого пластового флюида, а также удлинение за счет действия наружного давления.

Факторами, ограничивающими усилие натяжения, является прочность труб или их соединений под действием растягивающих напряжений, возникающих от уменьшения длины колонны при ее охлаждении (остановка, или закачка воды в нагнетательных скважинах), а также уменьшение длины колонны при действии внутренних давлений.

Величину натяжения обсадной колонны, которая не подвергается воздействию температур и внутреннего избыточного давления, или когда условия ее работы неизвестны, определяют по формуле

Qн ≥ Qо ,

где Qн – усилия натяжения, кН; Qо – вес свободной (незацементированной) части колонны, кН.

Минимальное значение усилия натяжения для скважин любого назначения определяют по наибольшему значению, вычисленному по формулам

Qн =Qо,
						(17.40)
		=Q	+ Р	+Р
Q	н				-Р	,
		o	1	2	3

239

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где Р1 – осевое усилие от действия температурных изменений в колонне; Р2 – осевое усилие от действия внутреннего давления при эксплуатации; Р3 – осевое усилие от действия внутреннего и внешнего гидростатических давлений.

После натяжения колонны сумма всех сил, создающих растягивающие напряжения, не должна превышать допустимой осевой нагрузки на обсадные трубы.

17.3.Спуск обсадных колонн в скважину

17.3.1.Подготовительные работы к спуску обсадных труб

Подготовка обсадных труб. Трубы для обсадной колонны, скомплектованные в соответствии с конструкцией и 5% запасом из труб максимальной прочности, заранее доставляются на буровую. При этом трубы подвергаются тщательной проверке, включающей визуальный, инструментальный и дефектоскопическийконтроль, атакжегидравлическиеиспытания(опрессовку) труб.

Поверхностный контроль. Проверяется у всех труб заводская маркировка, которая сличается с сертификатом. При отсутствии сертификата не разрешается: комплектация колонн для газовых скважин; для скважин, на которых предусмотрена установка противовыбросового оборудования; для морских скважин; для скважин с градиентом пластового давления 1,3; для колонн длиной 3000 м и более при диаметре 114–168 мм; 1000 м и более при диаметре 178–324 мм, длиною 500 м и более при диаметре 324 мм. В случае расхождений с сертификатами комплектовать колонну труб не разрешается. Также не допускаетсякомплектоватьобсаднуюколоннуизтрубвторогосорта.

Вдругих менее ответственных скважинах трубы с наличием расхождения в маркировке и сертификате использовать допускается. Расчеты при этом следует вести как для труб с группой прочности Д, принимая их фактическую толщину.

Впроцессе визуального контроля проверяется отсутствие внешних пороков - раковин, закатов, вмятин, трещин, песочин. Допускается вырубка перечисленных дефектов при условии, что их глубина не превышает предельно допустимые минусовые отклонения по толщине.

Резьбы проверяются на отсутствие заусениц, забоин, срыва ниток и других дефектов.

При инструментальном контроле проверяются параметры резьбы и уплотнительных поясков, зазор между наружной поверхностью трубы и цилиндрической выточкой у муфты, длина трубы, ее прямолинейность, наружный и внутренний диаметр трубы.

Зазор проверяется щупом толщиной 1 мм, который должен свободно проходить по всей окружности. В противном случае трубы к комплектованию не допускаются.

240

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

После осмотра трубы, в которых не обнаружено дефектов, испытывают на герметичность опрессовкой, которую проводят на трубной базе, либо на буровой. Давление опрессовки труб для обсадных колонн и ответственных промежуточных колонн должно не менее чем на 10 % превышать избыточное внутреннее давление, которое может действовать на соответствующую секцию колонны при проверке герметичности ее после спуска в скважину. Во всяком случае, оно не должно быть менее нормативных значений. Время опрессовки 30 с., в течение которого изменение давления не должно превышать 0,5 МПа. Негерметичные трубы отбраковываются.

На буровой, перед спуском обсадных труб, они шаблонируются шаблоном соответствующего размера. Трубы, через которые шаблон не проходит, бракуют и заменяют новыми.

Комплектование обсадной колонны. Признанные годными трубы заво-

зятся на буровую. На буровой трубы раскладываются в порядке их спуска, измеряются и нумеруются (с записью в журнале), при этом на наружной поверхности вблизи ниппельного конца наносят порядковый номер, соответствующий очередности их спуска.

Одновременно с трубами подготавливается технологическая оснастка. Вместе с трубами доставляют и оснастку обсадной колонны, элементы которой должны быть проверены, а некоторые из них опрессованы. Обратные клапаны опрессовывают давлением, превышающим в 1,5 раза наибольшую разность давлений столбов жидкостей в заколонном пространстве и в колонне после цементирования. Опрессовке также подвергаются

муфты ступенчатого цементирования.

Места установки элементов оснастки, которые при установке в колонну не изменяют ее длины (обратный клапан, упорное стоп-кольцо, скребки, центраторы), определяют после проведения геофизических исследований.

Подготовка скважины к спуску обсадной колонны. До начала спуска обсадной колонны необходимо выполнить работы по подготовке ствола скважины. При этом в открытом стволе скважины должны быть ликвидированы все зоны осложнений, которые могут привести к возникновению аварийных ситуаций при цементировании.

Кначалу спуска колонны в скважине должны быть завершены все исследовательские работы (кавернометрия, отбор проб породы боковыми грунтоносами, опробование перспективных объектов и т.д.).

После получения сведений о кавернометрии определяют место установки центрирующих фонарей и скребков. По инклинограмме определяют участки резкого изменения азимутального и зенитного углов.

Косновным проблемам при спуске обсадных колонн следует отнести прихваты, недохождение до проектной глубины, изгиб или излом обсадной колонны, смятие наружным избыточным давлением, гидроразрыв пластов из-за эффекта поршневания. Значительная часть проблем снимается качественной подготовкой скважины, другая регулированием скорости

241

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

спуска колонны. В местах сужения или резкого перегиба ствола скважины скорость спуска обсадных колонн должна быть уменьшена.

В повышении качества крепления скважин, исключении осложнений при цементировании важная роль отводится проработке ствола скважины, которую целесообразно проводить роторной компоновкой новыми долотами со скоростью 35–40 м/ч, а участки наиболее опасных сужений и перегибов со скоростью 20–25 м/ч. В настоящее время, в некоторых компаниях, для экономии времени проработку совмещают с последним долблением. Хорошие результаты при подготовке ствола скважины дает правильно проведенная управляемая кольматация. Жесткость компоновки низа бурильной колонны при проработке должна соответствовать жесткости обсадной колонны.

Для обеспечения нормального спуска обсадной колонны в скважину и доведения ее до забоя ствол скважины может шаблонироваться. Это особенно важно для скважин со сложной траекторией, или имеющей резкие перегибы ствола. Также необходимо уделить внимание колоннам большого диаметра, жесткость которых намного превышает жесткость бурильной колонны. Важность этого этапа связана с тем, что недохождение обсадной колонны до забоя может повлечь ее подъем, связанный с дополнительными затратами времени и материальных средств. Для шаблонирования в скважину спускают на бурильной колонне компоновку из трех-четырех обсадных труб и убеждаются в том, что она доходит да забоя.

По окончании проработки или шаблонирования скважину промывают для полного удаления шлама. Во время промывки желательно поддерживать турбулентный режим течения жидкости в кольцевом пространстве. Если при промывке отмечается поступление газа в скважину, то делают перерыв в течение 10–15 мин. Длительность каждого периода промывки - два цикла циркуляции. При этом промывочная жидкость должна обладать минимальной водоотдачей, низкими значениями статического и динамического напряжения сдвига, минимально возможной вязкостью. Для снижения сил трения (липкости) фильтрационных корок в состав раствора вводят смазочные добавки. Плотность раствора должна обеспечивать устойчивость стенок ствола скважины. При подъеме бурильной колонны после проработки и шаблонирования измеряют ее длину и, таким образом, уточняют длину скважины.

Подготовка оборудования к спуску обсадных труб. Поскольку обсадные трубы значительно тяжелее бурильных, то перед спуском обсадной колонны обязательно проверяют техническое состояние буровой установки, обращая особое внимание на состояние опор и фундамента буровой, надежность крепления вышки и другого оборудования, соосность вышки, стола ротора с устьем скважины, исправность и комплектность оборудования необходимого при спуске колонны. Также проверяется исправность КИП, работа противовыбросового оборудования (ПВО), привода, буровой лебедки, насосов, наличие необходимого количества бурового раствора и т.д.

242

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Обсадные трубы длиной до 3000 м обычно спускают с помощью механизированных клиньев и одного элеватора. Для предотвращения повреждения труб, обсадные трубы большей длины спускают с помощью двух элеваторов.

Обязательным является наличие на буровой переводника для быстрого присоединения ведущей трубы и обратного клапана в целях предупреждения выброса газа.

На буровую должны быть доставлены исправный инструмент для спуска колонны - элеваторы, ключи, хомуты и подготовлены рабочие мест на рабочей площадке буровой установки. При необходимости осуществляют замену талевого каната.

17.3.2. Способы спуска обсадных колонн

Спуск колонны осуществляют в один прием, т.е. сразу до забоя, или по частям – спуск колонн секциями.

Первый способ применяют, когда:

-грузоподъемность буровой установки соответствует весу обсадной колонны;

-в течение 2–3 суток отсутствия циркуляции не происходит осложнение ствола скважины;

-имеется весь ассортимент труб, определенный расчетами;

-гидравлическая мощность имеющихся цементировочных агрегатов обеспечит подъем тампонажного раствора в заколонном пространстве на требуемую высоту.

Для уменьшения нагрузки на талевую систему в некоторых случаях обсадную колонну не заполняют промывочной жидкостью, однако, контролируют наружное давление на колонну. В процессе спуска колонн, оборудованных глухим обратным клапаном «порожних колонн», требуется их периодический долив промывочной жидкостью для предупреждения смятия наружным избыточным давлением. Долив обычно производят через каждые 300–400м, а иногда и чаще. Оборудование обсадных колонн дифференциальными обратными клапанами позволяет обеспечить автоматическое заполнение колонны при спуске.

Однако и в этом случае для исключения газирования раствора, также требуется проводить промежуточные промывки, которые осуществляют через 500–600 м.

Кроме того, промежуточные промывки способствуют очищению заколонного пространства от фильтрационной корки, собираемой при спуске, и остающейся на элементах оснасти.

Время промывки должно быть не менее чем время одного цикла циркуляции для данной глубины спуска. Во время промежуточной промывки контролируется плотность закачиваемой в скважину и выходящей из

243

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

скважины промывочной жидкости. Например, при сильном газировании раствора, т.е. облегчении промывочной жидкости, промежуточная промывка должна проводиться до выравнивания плотностей жидкости.

Увеличение плотности выходящей из скважины жидкости также является отклонением от нормы и может характеризовать потерю устойчивости стенок скважины и их осыпание.

Вслучае спуска тяжелых колонн для уменьшения нагрузки на талевую систему и ускорения спуска колонны могут спускаться секциями. При этом нижняя секция может цементироваться самостоятельно или одновременно с верхней секцией после ее спуска и стыковки. Количество спускаемых секций может быть от 2 до 4, причем необходимо, чтобы спускаемые секции могли соединяться между собой. Для этого в технологическую оснастку включается разъединитель, который позволяет подвешивать и спускать колонну на бурильных трубах, цементировать спущенную часть колонны, отсоединяться после затвердевания цемента и соединяться со спущенной колонной следующей секции. С использованием таких же устройств спускаются потайные колонны, за исключением профильного перекрывателя.

Свинчивание обсадных труб в процессе спуска производят с определенной величиной натяга. Для труб с треугольным профилем резьбы натяг контролируется величиной момента, который зависит от диаметра труб, и числом не завернутых витков резьбы, которое не должно быть более трех-четырех. Для труб с трапецеидальным профилем резьбы натяг контролируется метками, нанесенными на поверхности муфты и ниппеля. Докрепление резьбовых соединенийпроводятмашиннымиключамисконтролемкрутящегомомента.

Элементы оснастки размещаются в заранее определенных местах на обсадной колонне по мере ее спуска.

По окончании спуска всей колонны скважину промывают в течение од- ного-двух циклов. Восстанавливать циркуляцию при этом, во избежание поглощения, следует с малой подачей насосов, увеличивать которую следует только после разрушения тиксотропной структуры промывочной жидкости. Желательно было бы при этом рассматривать возможность расхаживания колонны либо ее вращение, однако, при используемых в настоящее время профилях и траекториях скважин, применение данных технологических приемов представляет только теоретический интерес.

Спуск длинных колонн занимает длительное время, иногда 2-3 суток. При этом увеличивается вероятность возникновения осложнений в виде обвалов, осыпей, прихватов и т.д., которые вызывают недохождение колонны до проектной глубины.

Вэтих случаях осуществляют спуск колонны секциями (в несколько приемов). Данная технология позволяет:

- перекрывать интервалы осложнений на больших глубинах с минимальной затратой времени от окончания последней промывки до начала цементирования;

244

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

-надежно изолировать два или более продуктивных горизонта скважин с высоким пластовым давлением или какие-либо осложненные интервалы, разделенные между собой мощной устойчивой толщей горных пород;

-применять комбинированный бурильный инструмент, позволяющий увеличить прочность бурильной колонны, снизить гидравлические сопротивления, обеспечить эффективность буровых работ и возможность бурения скважины на большую глубину;

-экономить металл использованием обсадных труб с меньшими тол-

щинами стенок по сравнению со сплошными колоннами, а также использовать трубы с пониженными прочностными характеристиками. При секционном спуске сначала спускают часть обсадной колонны, длина которой достаточна для перекрытия открытого ствола, при этом верхний ее конец должен располагаться в предыдущей колонне. Если дли-

на открытого ствола большая, то крепят его в несколько приемов.

Длина первой секции обсадной колонны выбирается с тем, чтобы перекрыть интервал осложнений в минимально возможное время, а также из условия прочности верхних труб секции на растягивающую нагрузку. В случае установки головы секции в открытом стволе местоположение устройства для стыковки секций выбирают с учетом данных кавернометрии. Верхний конец нижней секции следует размещать против устойчивых пород, на участке ствола с номинальным диаметром. При перекрытии высоконапорных горизонтов и наличии заколонных проявлений над головой опущенной секции необходимо наращивать последующую секцию обсадной колонны с применением герметизирующих заколонных устройств.

Нижние секции обсадных колонн спускают на бурильных трубах. Для соединения бурильной и обсадной колонн применяют специальные переводники, которые позволяют цементировать нижний участок, промывать верхнюю часть скважины после цементирования, отсоединять бурильные трубы от обсадных труб после цементирования и стыковать последующие секции.

Например, промежуточная колонна диаметром 244,5 мм и длиной 9200 м на Кольской сверхглубокой скважине (СГ-3) спускалась четырьмя секциями на бурильных трубах. При этом первые три секции цементировались через бурильные трубы, и после ОЗЦ цементного раствора каждой секции, спускалась следующая секция, которая цементировалась и соединялась с предыдущей. Последняя спускаемая секция была соединена с предыдущей секцией, но не цементировалась.

Существует несколько конструкций стыковочных узлов, конструкция которых, в основном, включает в себя направляющее устройство, левый переводник, посадочный переводник, специальную муфту. Схема одного их вариантов стыковочных узлов приведена на рисунке 17.16 [9].

К нижней части бурильной колоны (1) соединяют переводник (5) с левой наружной резьбой. В верхней части обсадной колонны навинчивается

245

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

специальная муфта (6), имеющая в нижней части внутреннюю левую резьбу, по которой происходит соединение обсадной колонны и бурильных труб. Верхняя часть специальной муфты имеет трубную резьбу для соединения со следующей секцией колонны. Для предохранения резьбы от повреждения имеется предохранительная втулка (2).

а – соединение первой секции с бурильными трубами; б – соединение двух секций;

1 – бурильная труба;

2 – предохранительная втулка;

3 – переводник на бурильные трубы;

4 – верхняя часть специальной муфты;

5 – переводник с левой резьбой;

6 – специальная муфта;

7 – обсадная труба;

8 – уплотнительная муфта;

9 – башмачный патрубок;

10 – башмак

аб

Рисунок 17.16 – Схема устройства для спуска колонн секциями

Стыковочные поверхности покрываются слоем мягкого металла (свинца). Для обеспечения нормального спуска и центрирования резьбового соединения верхней секции она оборудуется башмаком (10) и патрубком (9). Спуск верхней секции заканчивают с малой скоростью. Перед посадкой секций осуществляют промывку скважины и наблюдают за изменением давления. Быстрое увеличение давления свидетельствует о вхождении нижнего участка верхней секции в муфту нижней. Верхнюю секцию спускают до соприкосновения сочленяемых поверхностей, и затем приподнимают так, чтобы ее нижний конец располагался внутри муфты. Цементирование этой секции колонны осуществляется на весу. После цементирования соединительный конус верхнего участка сажают на коническую поверхность специальной муфты нижнего участка, свинчивают секции между собой и колонну оставляют в покое натвердение цементного раствора.

246