Конструкция глубокой скважины

Полезная модель относится к технологии бурения и крепления глубоких нефтяных и газовых скважин в сложных горно-геологических условиях, а именно, к конструкциям глубоких скважин. Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение надежного и качественного крепления глубокой скважины при ненормативных кольцевых зазорах между стенкой скважины и обсадной колонной. Конструкция глубокой скважины, включающая комплект обсадных колонн, расположенных в стволе скважины, в которой зоны расширения ствола скважины чередуются с зонами промежуточных опор, расположенных в плотных непроницаемых породах, при этом диаметр каждой зоны расширения ствола скважины определяют исходя из соотношения:

где D_N - номинальный диаметр ствола скважины;

d_H - наружный диаметр обсадной колонны,

а расстояние между промежуточными опорами определяют по формуле:

где E - модуль Юнга, кгс/м²;

I - момент инерции трубы, м⁴;

[f] - допускаемый прогиб колонны, мм;

g_ж - вес 1 м обсадной колонны, заполненной буровым раствором и погруженной в цементный раствор, кгс/м;

- угол наклона ствола скважины, градус.

Данная конструкция глубокой скважины позволяет сохранить продольную устойчивость эксплуатационной колонны за счет более полного и равномерного заполнения цементным камнем заколонного пространства.

Полезная модель относится к технологии бурения и крепления глубоких нефтяных и газовых скважин в сложных горно-геологических условиях, а именно, к конструкциям глубоких скважин.

При строительстве скважин в сложных горно-геологических условиях с целью обеспечения проектных глубин бурения и выполнения геологических задач возникает необходимость снижать кольцевой зазор между стенкой скважины и обсадной трубой ниже нормативного. По этой причине приходится исключать из технологической оснастки центраторы, что нарушает центровку обсадной колонны в скважине и не обеспечивает должного качества разобщения пластов. Нормативный коэффициент центрации обсадной колонны в стволе скважины для обеспечения полноты замещения бурового раствора тампонажным и качества разобщения пластов должен быть не ниже 0,67 [Инструкция по креплению нефтяных и газовых скважин. РД 39-00147001-767-2000. М., 2000, с.237-240].

Известна конструкция нефтедобывающей скважины, описанная в способе строительства скважины, которая включает ствол скважины, обсадную колонну, оснащенную тремя устройствами манжетного цементирования [патент РФ 2354806, МПК 5 Е21В 33/13, опубл. 10.05.2009].

Недостатком данной конструкции является невозможность ее применения в скважинах с ненормативными кольцевыми зазорами между стенкой скважины и обсадной колонной.

Наиболее близкой к заявляемой по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является конструкция глубокой скважины, описанная в способе строительства скважин [патент РФ 2012777, МПК 5 Е21В3 3/14, опубл. 15.05.1994]. Конструкция включает ствол скважины, комплект обсадных колонн, зоны расширения ствола скважины в виде боковых выработок на глубине спуска каждой обсадной колонны, заполненных цементным раствором. Боковые выработки дополнительно формируют в кровле и подошве продуктивного пласта. Заколонное пространство обсадных колонн над боковыми выработками заполнено вязкой жидкостью-гидрозатвором. В качестве вязкой жидкости-гидрозатвора может быть применен состав на основе моноэтаноламина, полиакриламида, сернокислого алюминия, бурового раствора и антикоррозионного ингибитора.

Недостатком известной конструкции глубокой скважины является недостаточная надежность конструкции в сложных горно-геологических условиях и при наличии интервалов скважины с ненормативными кольцевыми зазорами между стенкой скважины и обсадной колонной. Крепление обсадных колонн не по всему затрубному пространству, а только на глубине спуска обсадных колонн и в зоне забоя, приводит со временем к нарушению контакта цементного камня с колонной под воздействием перепадов давления и температур, а также присутствующего в жидкости-гидрозатворе сернокислого алюминия (соли сильной кислоты). Обеспечить полноту заполнения боковых выработок цементным раствором затруднительно в виду отсутствия информации о размерах данных выработок. Использование вязкопластичных систем для заполнения заколонного пространства обсадных колонн также мало эффективно по причине их нестабильности в длительные промежутки времени (разделяются на дисперсионную среду и дисперсную фазу).

Указанные недостатки известной конструкции глубокой скважины определяют недостаточную надежность ее крепления.

Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение надежного и качественного крепления глубокой скважины при ненормативных кольцевых зазорах между стенкой скважины и обсадной колонной.

Поставленная задача решается конструкцией глубокой скважины, включающей комплект обсадных колонн, расположенных в стволе скважины, зоны расширения ствола скважины, заполненные цементным раствором, в которой зоны расширения чередуются с зонами промежуточных опор, расположенных в плотных непроницаемых породах, при этом диаметр каждой зоны расширения ствола скважины определяют исходя из соотношения:

где D_N - номинальный диаметр ствола скважины;

d_H - наружный диаметр обсадной колонны, а расстояние между промежуточными опорами определяют по формуле:

где E - модуль Юнга, кгс/м²;

I - момент инерции трубы, м⁴;

[] - допускаемый прогиб колонны, мм;

g _ж - вес 1 м обсадной колонны, заполненной буровым раствором и погруженной в цементный раствор, кгс/м;

- угол наклона ствола скважины, градус.

Технический результат от наличия в конструкции глубокой скважины чередующихся зон расширения ствола скважины определенного диаметра и зон промежуточных опор из плотных непроницаемых пород, размещенных в стволе скважины через определенные расстояния, состоит в обеспечении необходимой центрации обсадной колонны в стволе скважины с ненормативными кольцевыми зазорами между колонной и стенкой скважины, выравнивании ствола скважины, более полном замещении бурового раствора цементным раствором и увеличении толщины цементного кольца в заколонном пространстве. Это обеспечивает непрерывный контакт со стенкой скважины, укрепление неустойчивых, склонных к обвалам и осыпям пород, продольную устойчивость конструкции скважины и предотвращает возникновение перетоков флюидов в заколонном пространстве.

На фиг.1 представлена схематически конструкция глубокой скважины.

Конструкция глубокой скважины включает комплект обсадных колонн 1-4, расположенных в стволе скважины, зоны расширения ствола скважины 5, заполненные цементным раствором, зоны промежуточных опор 6, образованных в плотных непроницаемых породах.

Скважину заявляемой конструкции монтируют следующим образом.

В процессе бурения скважины образуется ствол скважины, в который спускают обсадную колонну 1, а пространство между колонной и стволом скважины центрируют упругими центраторами и заливают цементным раствором. Далее разбуривают следующий участок скважины и спускают обсадную колонну 2. Аналогичным образом спущенную колонну центрируют и цементируют в стволе скважины по всей длине колонны. Разбуривают следующий интервал ствола скважины под обсадную колонну 3 с ненормативными кольцевыми зазорами между стенкой скважины и обсадной колонной. В скважину спускают расширитель (гидравлический или механический), с помощью которого выравнивают ствол скважины до расчетного диаметра (зона расширения 5). Через определенное расстояние в стволе скважины в интервале плотных непроницаемых пород оставляют нерасширенные зоны промежуточных опор 6, обеспечивая, тем самым, чередование расширенных 5 и нерасширенных зон 6 ствола скважины. Спускают обсадную колонну 3 и цементируют пространство между колонной и стенками ствола скважины.

Если в процессе бурения проектная глубина скважины не достигнута, то пробуривают следующий интервал ствола скважины, расширяют ствол скважины до расчетного диаметра (зона расширения 5), оставляя через определенные расстояния нерасширенные зоны промежуточных опор 6 в плотных непроницаемых породах, спускают обсадную колонну 4 и цементируют пространство между колонной и стенками ствола скважины.

Пример. Скважину глубиной 5130 м разбуривали сначала до глубины 500 м, спускали обсадную колонну (кондуктор) диаметром 324 мм, заколонное пространство оснащали упругими центраторами для центрирования колонны и цементировали до устья скважины. Залегающий ниже интервал пласта разбуривали до глубины 3000 м, спускали обсадную колонну диаметром 245 мм, заколонное пространство центрировали упругими центраторами и цементировали до устья скважины.

Далее скважину на глубине 3000-4100 м разбуривали диаметром ствола 215,9 мм и предполагали спуск обсадной колонны в виде хвостовика диаметром 198 мм. Ввиду малых кольцевых зазоров между стенкой скважины и обсадной колонной обеспечить надежную центрацию колонны не представлялось возможным. Поэтому в скважину спускали расширитель (гидравлический или механический), с помощью которого поинтервально выравнивали ствол скважины до расчетного диаметра, оставляя нерасширенными зоны промежуточных опор.

Исходные данные для расчета диаметра зоны расширения ствола скважины и расстояния между зонами промежуточных опор:

- номинальный диаметр скважины D_N - 215,9 мм;

- наружный диаметр обсадной колонны d _Н - 198 мм;

- внутренний диаметр обсадной колонны d_B - 163,8 мм;

- вес 1 м обсадной колонны с буровым раствором в цементном растворе g_ж =54,23 кгс/м;

- зенитный угол наклона ствола скважины на участке расположения обсадной колонны =2°.

Определяли диаметр зоны расширения ствола скважины исходя из соотношения:

Выбор диаметра зоны расширения ствола скважины осуществляли по справочнику как ближайший размер расширителя D_p=255 мм.

Расстояние между зонами промежуточных опор определяли по формуле:

где жесткость обсадной колонны

.

Допускаемый прогиб обсадной колонны на рассматриваемом участке

.

Следовательно,

.

Таким образом, расширение ствола скважины на рассматриваемом участке скважины производили до 255 мм и через каждые 28 м в плотных породах оставляли зоны промежуточных опор (нерасширенные участки ствола скважины).

Скважину до глубины 5130 м в интервале от хвостовика до забоя разбуривали долотом диаметром 158 мм, в которую предполагалось спустить 139,7-мм обсадную колонну (безмуфтовую эксплуатационную колонну). Аналогично предыдущему интервалу ствола скважины рассчитывали диаметр зоны расширения ствола скважины и расстояние между зонами промежуточных опор.

Исходные данные для расчета:

- номинальный диаметр скважины D_N - 158 мм;

- наружный диаметр обсадной колонны d_H - 139,7 мм;

- внутренний диаметр обсадной колонны d_B - 121,4 мм;

- вес 1 м обсадной колонны с буровым раствором в цементном растворе g_ж=15,22 кгс/м;

- зенитный угол наклона ствола скважины на участке расположения обсадной колонны =3°.

Определяли диаметр зоны расширения ствола скважины исходя из соотношения:

.

Принимаем D_p=200 мм по справочнику как ближайший размер расширителя.

Расстояние между зонами промежуточных опор определяли по формуле:

,

где жесткость обсадной колонны

.

Допускаемый прогиб обсадной колонны на рассматриваемом участке

.

Следовательно,

Таким образом, расширение ствола скважины на рассматриваемом участке скважины производили до 200 мм и через каждые 24 м в плотных породах оставляли зоны промежуточных опор (нерасширенные участки ствола скважины).

Применение данной конструкции глубокой скважины позволяет повысить надежность и качество крепления глубокой скважины при ненормативных кольцевых зазорах между стенкой скважины и обсадной колонной за счет более полного и равномерного заполнения цементным камнем заколонного пространства, сохранить продольную устойчивость эксплуатационной колонны.

Конструкция глубокой скважины, включающая комплект обсадных колонн, расположенных в стволе скважины, зоны расширения ствола скважины, заполненные цементным раствором, отличающаяся тем, что зоны расширения чередуются с зонами промежуточных опор, расположенных в плотных непроницаемых породах, при этом диаметр каждой зоны расширения ствола скважины определяют исходя из соотношения:

где D_N - номинальный диаметр ствола скважины;

d_н - наружный диаметр обсадной колонны, а расстояние между промежуточными опорами определяют по формуле:

где E - модуль Юнга, кгс/м²;

I - момент инерции трубы, м⁴;

[f] - допускаемый прогиб колонны, мм;

g_ж - вес 1 м обсадной колонны, заполненной буровым раствором и погруженной в цементный раствор, кгс/м;

- угол наклона ствола скважины, градус.