Технологические средства и режимы бурения при отборе керна

Данная скважина является добывающей, поэтому бурение с отбором керна в этом случае не проводится.

Проектирование процессов закачивания скважины

Расчет обсадных колонн

На колонну действуют различные по величине и характеру нагрузки: 1. Наружное и внутреннее избыточное давление;

• 2. Осевые нагрузки, обусловленные силами трения колонны о стенки скважины;
• 3. Осевые нагрузки от избыточного давления и температуры при цементирования и эксплуатации;
• 4. Растягивающие нагрузки от собственного веса;
• 5. Сжимающие нагрузки от собственного веса;
• 6. Динамические нагрузки, возникающие в период неустановившегося движения колонны в осевом направлении;

Изгибающие нагрузки при искривлении колонны.

Основные нагрузки для расчёта — осевые растягивающие нагрузки, наружное и внутреннее избыточное давление.

Обсадные колонны на протяжении многолетней службы подвергаются воздействию окружающей среды, прежде всего пластовых вод и газов, которые достаточно агрессивны и способны вызвать интенсивную коррозию металла. Кондуктор во время бурения, а эксплуатационная колонна при испытании, подземных и капитальных ремонтах скважин истираются долотами, замками и муфтами бурильных и насосно-компрессорных труб и другим оборудованием, спускаемым в скважину. Так что при конструировании обсадной колонны необходимо учитывать эти особенности.

Расчёт действующих нагрузок Основные нагрузки рассчитываются для периода, когда они достигают максимального значения.

Осевые растягивающие нагрузки от сил собственного веса достигают максимального значения в конце спуска колонны. Наружные избыточные давления достигают максимального значения в конце эксплуатации скважины. Внутренние избыточные давления достигают максимального значения в период опрессовки обсадной колонны.

Исходные данные для расчёта эксплуатационной колонны:

• 1. Глубина скважины, L, м
• — по вертикали 2825
• — по стволу 900
• 2. Расстояние от устья скважины, м
• — до башмака предыдущей колонны, L₀, м 600(620)
• — до уровня цементного раствора, h, м500(520)
• — до уровня жидкости в колонне, H, м
• а) при освоении скважины 1000
• б) при окончании эксплуатации 1100
• в) при испытании на герметичность 1150
• 3. Удельный вес жидкости:
  • — бурового раствора, g_р, Н/м³ 1,10 Ч—10⁴
  • — пластовой воды, g_гс, Н/м³ 1,00 Ч—10⁴
  • — испытательной жидкости, g_ж, Н/м³ 1,00 Ч—10⁴
  • — цементного раствора, g_ц, Н/м³ 1,83—Ч—10⁴
  • — жидкость в колонне, g_в, Н/м³
  • а) при освоении 1,00 Ч—10⁴
  • б) в период ввода в эксплуатацию 0,863 Ч—10⁴
  • в) при окончании эксплуатации0,950 Ч—10⁴
• 4. На глубине 2350 — 2430 находится проницаемый пласт. На глубине S1=2390 давление составляет Рпл S1 = 23,1 МПа. Эксплуатационный объект залегает на глубине 2710 — 2770 метров. На глубине 2825(2900) пластовое давление составляет Рпл L=28 МПа.

Коэффициент запаса прочности :

• — на наружное избыточное давление n₁ 1,2
• — на внутренние избыточное давление n₂ 1,15
• — на растяжение n₃ 1,15
• — на растяжение в клиновом захвате n₄ 1,25
• — на растяжение для обсадных труб с учетом искривления ствола n₃^l 1,15

Построение эпюр внутренних давлений Расчёт обсадных колонн производят с учётом планируемого профиля на стадии проектирования. Расчёт наружного и внутреннего давления производят, как для вертикальных скважин, при этом расчётные данные определяются как проекцию глубин по стволу скважины на вертикальную плоскость. Для построения эпюр давлений на вертикальной оси откладываются значения глубин по стволу скважины, а на горизонтальной оси откладывают расчётные давления соответствующие характерным точкам, рассчитанные для вертикальной проекции ствола скважины:

• а) Определяем внутренние давления в период ввода скважины в эксплуатацию (см. рис. 2.5.1. а)
• а) б) в)

Рис. 4.1. Схемы уровней жидкостей в скважинах, а — в период ввода скважины в эксплуатацию; б — по окончании эксплуатации; в — освоении, испытании на герметичность.

Внутреннее давление определяется по формуле:

P_вz = P_плL — 10^{-6 .} ?_в (L — Z) при 0? Z? L, (4.1).

где P_вz — внутреннее давление на глубине Z, МПа;

P_плL — пластовое давление на глубине L, МПа;

g_в — удельный вес жидкости в колонне, Н/м³;

L — глубина скважины, м;

Z — глубина залегания той точки, для которой определяется внутреннее давление, м.

при Z =0: Р_ву= 28 — 10^-6? 0,863 ??10⁴(2825 — 0)=3,6 МПа при Z =L=2825: Р_ву= 28 — 10^-6? 0,863 ??10⁴(2825 — 2825)=28 МПа.

• б) Определяем внутреннее давление по окончании эксплуатации скважины
• (см. рис. 4.1, б)

Внутреннее давление определяется по формуле:

Р_вz = 0 при 0? Z? H ,.

Р_вz = 10^-6. г_в (Z — Н) при Н—Ј—Z—Ј—L, (2.56).

где g_в — удельный вес жидкости в колонне, Н/м³;

Z — глубина залегания точки, для которой определяется давление, м.

Н — расстояние от устья до уровня жидкости в колонне, м;

при Z = 0 — 1100: Р_вz = 0;

при Z = L = 2825: Р _вL = 10^-6.0.95^.10⁴(2825 — 1100) = 15,8 МПа.

Строим эпюру внутренних давлений АВ и СД соответственно найденным значениям. Эпюра внутренних давлений изображена на рис. 2.5.2.

Построение эпюр наружных давлений а) Находим наружные давления для незацементированой зоны по формуле:

Р_нz = 10^-6Ч—g_р—ЧZ при 0? Z? h, (2.56).

где P_нz — наружное давление на глубине Z, МПа;

g_р — удельный вес бурового раствора, Н/м³;

Z — Глубина залегания точки, для которой определяется давление, м.

h — расстояние от устья до уровня цементного раствора колонной, м.

при z = 0 P_вz = 0 ;

при z = h = 500 Р_нh= 10^-6 Ч—1,1_—Ч—5__—Ч—1_^4———= 5,5 МПа.

• б) находим наружное давление для зацементированой зоны:
  • — в интервале, закреплённом предыдущей колонной, — по формуле:

Р_нz = 10^-6.—g_р ^. h + 10^-6.—g_гс—^ррррh (Z — h) при h—Ј—Z—Ј—L, (2.58).

где g_р — удельный вес бурового раствора, Н/м³;

Z — глубина залегания той точки для которой определяется наружное давление, м.

g_гс — удельный вес пластовой воды, Н/м³;

h — расстояние от устья до уровня цементного раствора за колонной, м;

при z = h = 500 :

Р_нh = 10^-6Ч1,1_Ч1_⁴Ч5__—+—1_^-6Ч1,__Ч1_⁴—Ч—(500 — 500) = 5,5 МПа при z = L = 620 :

Р_нh = 10^-6Ч1,1_Ч1_⁴Ч5__—+—1_^-6Ч1,__Ч1_⁴—Ч—(620 — 500) = 6,7 МПа.

— в интервале открытого ствола по формулам:

при L₀ Ј—Z—Ј—S₁ ,.

при S₁ Ј—Z—Ј—L, (2.60).

где Р_HL0 — наружное давление на глубине L₀, МПа;

Р_плs1 — пластовое давление на глубине S₁, МПа;

L₀ — расстояние от устья до башмака предыдущей колонны, м;

S₁ — расстояние от устья до середины проницаемого пласта, м;

S₀ — расстояние от устья до кровли эксплуатационного объекта, м;

L — глубина скважины, м;

P_плL — пластовое давление на уровне подошвы эксплуатационного объекта, МПа.

По формуле (2.59):

при Z = L₀ = 620: P_HL0 = 6,7 MПа при Z = S₁ = 2390: P_HS1 = 23,1 Mпа.

По формуле (2.60):

при Z = L = 2825: P_HL = 28Mпа.

в) находим наружное давление с учётом давления составного столба тампонажного и бурового растворов по всей длине скважины по формуле на момент цементирования:

Р_нz = 10^-6Ч—g_р—ЧZ—при—_—Ј—Z—Јh, (2.61).

где P_нz — наружное давление на глубине Z, МПа;

g_р — удельный вес бурового раствора, Н/м³;

Z — глубина залегания точки, для которой определяется наружное давление, м.

h — расстояние от устья до уровня цементного раствора за колонной, м.

при z = 0: P_вz = 0 ;

при z = h = 500: Р_нh= 10^-6? 1.10 ??10⁴ ??500 = 5,5 МПа Р_нz = 10^-6 Ч—[g_р—Ч—h -?_ц ^ррррh (Z — h)] при h Ј—Z—Ј—L, (2.62).

где г_р — удельный вес бурового раствора, Н/м³;

г_ц — удельный вес цементного раствора, Н/м³;

Z — глубина залегания точки, для которой определяется наружное давление, м.

P_нz — наружное давление на глубине Z, МПа;

h — расстояние от устья до уровня цементного раствора за колонной, м;

L — глубина скважины, м;

при Z = L = 2825 :

Р_нz = 10^-6—Ч—[1,1_—Ч—1__—⁴Ч^—5__—+—1,83—Ч—1_⁴_—^h (2825 — 500)] = 47 МПа Построение эпюры избыточных давлений а) определяем избыточное наружное давление на момент окончания цементирования по формуле:

Р_ниz = 10^-6 (г_р — г_в) Ч—Z при 0 Ј—Z—Ј h,(2.63).

где г_р — удельный вес бурового раствора, Н/м³;

Z — глубина залегания точки, для которой определяется наружное избыточное давление, м;

г_в — удельный вес жидкости внутри колонны, Н/м³;

h — расстояние от устья до уровня цементного раствора за колонной, м;

при z = 0: Р_ниz = 0.

при z = h = 500: Р_ниz = 10^-6 Ч—(1,1_—Ч—1_⁴—-—1,1_—Ч—1_⁴)—Ч^—5__—= 0 МПа Рниz = 10−6 [(гц — гв) Ч—Z—-—(гц—-—гр)—Ч—h] при h—Ј—Z—Ј L, (2.64).

где г_ц — удельный вес цементного раствора, Н/м³;

г_р — удельный вес бурового раствора, Н/м³;

Z — глубина залегания точки, для которой определяется наружное избыточное давление, м;

г_в — удельный вес жидкости внутри колонны, Н/м³;

h — расстояние от устья до уровня цементного раствора за колонной, м;

L — глубина скважины, м при z = L = 2825 м.

Р _ниz= 10^-6 [(1,83 — 1,10) ??10⁴ ??2825 — (1,83 — 1,10) ??10⁴? 500] =16,2 МПа Строим эпюру наружных избыточных давлений для процесса цементирования скважины. Эпюра изображена на рис. 2.5.4.

б) Определяем избыточное наружное давление для процесса испытания колонны на герметичность снижением уровня Р_ниz = Р_нz при h Ј—Z—Ј H, (2.69).

где Z — глубина залегания точки, для которой определяется наружное избыточное давление, м;

h — расстояние от устья до уровня цементного раствора за колонной, м;

P_нz — наружное давление на глубине Z, МПа;

Н — расстояние от устья до уровня жидкости в колонне, м.

при z = h = 500: Р_ниz = 5 МПа при z = H = 1000: Р_ниz = 10 МПа Р_внz = Р_нz — 10^-6? г_в (Z — Н) при Н Ј—Z—Ј L, (2.70).

при Z = H = 1000 м: Р _ниz = 10 — 10^-6Ч1Ч1_⁴?(1000 — 1000) = 10 МПа при Z = S₁ = 2390 м: Р _ниz = 23,1 — 10^-6Ч1^—Ч10⁴?(2390 — 1000) = 9,5 МПа при Z = L = 2825 м: Р _ниz = 28 — 10^-6Ч1Ч1_⁴?(2825 — 1000) = 9,2 МПа.

• г) Определяем избыточные давления по окончании эксплуатации
• (см. рис. 4.1, в)
• — в незацементированой зоне по формуле (2.66):

при z = 0: Р_ниz = 0.

при z = h = 500: Р_ниz = 10^-6? 1,10? 10⁴ ??500 = 5,5 МПа.

— в зацементированой зоне по формуле (4.12).

при z = h = 500: Р_ниz = 5 МПа при z = H = 1100: Р_ниz = 11 МПа По формуле (2.68):

при Z = H = 1100 м: Р _ниz = 11 МПа при Z = S₁ = 2390 м: Р _ниz = 23,1 — 10^-6?1 ?10⁴?(2390 — 1100) = 10,3 МПа при Z = L = 2825 м: Р _ниz = 28 — 10^-6?1?10⁴?(2825 — 1100) = 10,1 МПа.

Строим эпюру избыточных давлений соответственно расчётным значениям давлений. Эпюра наружных избыточных давлений приведена на рис. 2.5.5.

Построение эпюры избыточных внутренних давлений при испытании на герметичность в один приём без пакера.

Определяем избыточное внутреннее давление при испытании на герметичность снижением уровня (см. рис. 2.5.1, в):

а) в незацементированой зоне при Р_оп > 1,1 Р_ву по формуле:

Р_виz =Р_оп — 10 ^-6?(г_р — г_ж)? Z (2.71).

где Р_оп — давление опрессовки, МПа (Р_оп = 12,5 МПа);

Р_ву — давление на устье внутри колонны, МПа (Р_ву = 2,0 МПа см. 4.2.1));

г_р — удельный вес бурового раствора, Н/м³;

Z — глубина залегания той точки для которой определяется наружное избыточное давление, м;

г_в — удельный вес испытательной жидкости, Н/м³;

h — расстояние от устья до уровня цементного раствора, м.

при Z = 0 м: Р _вио = Р_оп = 12,5 МПа при Z = h = 500 м: Р _виh = 12,5 — 1_^-6Ч (1,1_Ч1_^4—-—1Ч1_⁴)Ч500=12 МПа б) в зацементированой зоне по формуле:

(2.72).

где P_нLо — наружное давление на глубине L_о, МПа;

Р_пл1 — пластовое давление, МПа;

L_о — расстояние от устья до башмака предыдущей колонны, м;

S₁ — расстояние от устья до середины проницаемого пласта, м.

при Z = L_о = 600 м: Р_виL0 = 12,5 + 10^-6?1?10⁴?710 — 6 = 12,4 МПа при Z = S₁ = 2390 м: Р_виS1 = 12,5 + 10^-6?1?10⁴?2390 — 23,1 = 14 МПа при Z = L = 2825 м: Р_виL = 12,5 + 10^-6?1?10⁴?2825 -28= 14,2 МПа.

Cтроим эпюру АВСДЕ внутренних избыточных давлений. Эпюра внутренних избыточных давлений изображена на рис. 2.5.6.

Конструирование обсадной колонны по длине.

Диаметр обсадной колонны равен 146 мм.

Для комплектования обсадной колонны диаметром 146 мм принимаем обсадные трубы муфтового соединения с резьбой треугольного профиля по ГОСТ 632–80 исполнения «Б».

Группу прочности стали выбираем согласно [], которая рекомендует начинать расчёт с группы прочности «Д».

Основные характеристики для принятых труб по справочным данным в табл. 2.9.

Таблица 2.9. Основные характеристики обсадных труб

Из табл. 2.9 следует, что прочность на внутреннее давление для труб с наименьшей толщиной стенки? = 7,0 мм составляет 31,3 МПа при наибольшем внутреннем избыточном давлении 12,5 МПа. В данном случае даже наименьшая толщина стенок должна обеспечить условие:

n₂ = Р_ви / Р_вио, (2.73).

где n₂ — коэффициент запаса прочности на внутреннее избыточное давление;

Р_ви — внутреннее давление труб с наименьшей толщиной стенок, МПа;

Р_вио — наибольшее внутреннее давление, МПа.

что допустимо На основании этого в дальнейшем проверку секций на внутреннее избыточные давления не проводим.

Определяем параметры секций по действию наружных избыточных давлений, начиная с первой секции.

I секция.

Согласно (рис. 2.5.4) наружные избыточные давления на забое скважины достигают значения Р_ниL = 16,2 МПа. Толщина стенок труб I — ой секции должна обеспечить прочность, удовлетворяющую условию:

Р'_нuL і—Р_нuL—Ч n₁, (2.74).

где Р_нuL — максимальное наружное избыточное давление на забое скважины, МПа;

n₁ — коэффициент запаса прочности на наружное избыточное давление;

Р'_нuL і—16,2—Ч 1,2 = 19,44 МПа По табл. 4.1. находим, что этому давлению соответствуют трубы с толщиной стенки? = 7,0 мм для которых Р_кр = 20,1 МПа.

Длина I — ой секции l₁ = 110 м (60 м — мощность эксплуатационного объекта плюс 50 м выше кровли объекта). Вес I — ой секции определяется по формуле:

Q_i = g_i ^. l_i (2.75).

где l_i — длинна i — ой секции, м;

g_i — вес 1 м. трубы i — ой секции, кН;

Q₁ = 0,243 Ч—110 = 26,73 кН По эпюре (рис. 2.4.4.) определяем расчётные давления Р_нuz на уровне верхнего конца I — ой секции на глубине 2790 Р_нuz = 14 МПа. Этому давлению при n₁ = 1,2 мм соответствуют трубы с ?_? = 7,0 мм, для которых Р_кр2 = 20,1 МПа. Определяем значение Р_кр2 для труб II — ой секции для условия двухосного нагружения с учётом растягивающих нагрузок от веса I — ой секции по формуле:

(2.76).

где Р_кр2 — критическое давление для труб II — ой секции МПа;

Q₁ — вес I — ой секции, кН;

Q_т — растягивающие нагрузки при которых напряжения в теле трубы достигают предела текучести для труб II — ой секции, кН;

МПа Глубина спуска II — ой секции принимаем равной L' = 2790 м, оставляем глубину спуска I — ой секции l₁ = 110 м, а её вес по формуле (2.75) Q₁ = 26,73 кН.

II секция Толщину стенки труб II — ой секции принимаем равной 7,0 мм. Так как наружные избыточные давления к устью продолжают уменьшаться, то трубы с данной толщиной стенки их выдержат. Дальнейший расчет прово-дится из условия прочности на страгивающие нагрузки в резьбовом соединении. Длина секции определяется по формуле:

(2.77).

где g_i — вес 1 м труб подбираемой секции, кН;

Q_i -1 — общий вес нижележащих секции, кН;

[P] - допускаемая нагрузка, кН;

Допускаемая нагрузка определяется по формуле:

[P] = P_cm —/n_з', (2.78).

где P_cm — страгивающая нагрузка для соединения труб соответствующей секции, кН;

n_з' - коэффициент запаса прочности при растяжении для обсадных труб на изогнутом участке ствола.

Коэффициент запаса прочности на растяжение n_з' определяется по формуле:

(2.79).

где n_з — коэффициент запаса прочности на растяжение, принимаемый для вертикальной скважины;

l — коэффициент, учитывающий влияние размеров соединения и его прочностные характеристики,? = 0,04;

a₀ — интенсивность искривления, ?₀ = 1,5⁰/10м.

По формуле (2.78):

[P] = 696/1,2 = 580 кН.

По формуле (4.22):

Принимается длина 2-ой секции 2277. Тогда вес 2-ой секции по формуле (2.75):

Q₂ = 2277? 0,243 = 553,27 кН.

Суммарный вес 2 — х секций:

Q₁ + Q₂ = 26,73 + 553,27 = 580 кН.

III секция Принимаем толщину стенок труб III — й секции ?_? = 7,7 мм. Тогда по формуле (2.78):

[P] = 774/1,2 = 645 кН.

По формуле (2.79):

По формуле (2.75):

Q₃ = 246? 0,265 = 65 кН.

Суммарный вес 3 — х секций Q₁ + Q₂ + Q₃ = 580 + 65 = 645 кН Суммарная длина 3 — х секций l₁ + l₂ + l₃ = 110 + 2266 + 246 = 2622 м.

IV секция Принимаем толщину стенок труб IV — ой секции ?_? = 8,5 мм. Тогда по формуле (2.78).

[P] = 872_-/1,2 = 726 кН По формуле (2.79):

Вес секции определяется по формуле (2.75):

Q₄ = 278? 0,290 = 80 кН Суммарный вес 4 — х секций Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄= 645 + 80 = 725 кН Суммарная длина 4 — х секций l₁ + l₂ + l₃ + l₄= 110 + 2266 + 246 + 279=.

= 2900 м.

Сводные данные о конструкции обсадной колонны приведены в табл. 2.10.

Таблица 2.10 Сводные данные о конструкции обсадной колонны