IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Конструкцией скважины называется схема её устройства, в которой указывается начальный, промежуточные и конечный диаметры применяемого породоразрушающего инструмента, диаметры и длина обсадных колонн, глубина скважины, места и способы тампонирования.

Конструкция скважины зависит от:

• физико-механических свойств горных пород, слагающих геологический разрез;

• конечного диаметра и глубины скважины;

• цели и способа бурения.

Таким образом, при выборе конструкции скважины определяющими факторами служат геологические условия и номенклатура технических средств.

Диаметры скважины выбираются из условия обеспечения эффективного решения поставленной задачи (получение качественной пробы в необходимом количестве, проведение комплекса намеченных наблюдений, исследований и пр.). При разведке твёрдых полезных ископаемых минимальный диаметр керна обусловливается необходимостью обеспечения надежной массы пробы, которая устанавливается с учетом требований к опробованию в зависимости от типа месторождения и распределения в полезном ископаемом ценного компонента.

Разработано множество рекомендаций по минимальным диаметрам керна, обеспечивающим представительное опробование различных генетических типов месторождений руд. Однако при проектировании конструкции геологоразведочных скважин указанные рекомендации нельзя считать универсальными и стандартными для всех случаев опробования рудной зоны. В каждом конкретном случае, ориентируясь на рекомендации, необходимо учитывать специфику геологических условий месторождения, цели и задачи разведки, а также возможность использования имеющейся в наличии скважинной геофизической аппаратуры.

Необходимо учитывать, что возможность сохранения керна и получения его в необходимом количестве в значительной мере зависит от вида полезногоископаемого, способа бурения и типа породоразрушающего инструмента.

Для снижения материальных и финансовых затрат скважину следует бурить при возможно меньших диаметрах. Самую простую конструкцию имеет скважина одного диаметра без крепления стенок обсадными трубами.

Конечный диаметр гидрогеологической скважины определяется диаметром устанавливаемого в ней фильтра и габаритами водоподъемника, которые, в свою очередь, зависят от расчетной производительности скважины.

Разработку конструкции скважины начинают с конечного диаметра, причем стараются всегда выбрать наиболее простую, но вместе с тем надежную конструкцию, которая обеспечила бы бурение до проектной глубины без каких-либо осложнений. Одним из главных вопросов является определение минимально допустимого диаметра керна и скважины при перебуривании полезного ископаемого. В табл. 6 приведены величины минимально допустимых диаметров керна и скважины.

Приняв конечный диаметр, намечают участки скважины для закрепления обсадными трубами. После определения количества колонн обсадных труб становится ясным, какого диаметра должна быть скважина при забуривании. Обсадные трубы необходимы для:

• закрепления устья скважины, придания ей первоначального направления и отвода выходящей из нее промывочной жидкости в циркуляционную систему;перекрытия неустойчивых и разрушенных пород с целью предупреждения их обвалов;

• разобщения водоносных горизонтов, которое для большей надежности выполняется с тампонированием, т. е. заполнением затрубного пространства глиной или цементным раствором;

• предохранения полезного ископаемого на забое от загрязнения осыпающимися породами, залегающими выше;

• перекрытия трещиноватых пород, зон тектонических разломов, горных выработок, пустот с целью прекращения поглощения промывочной жидкости.

Колонны обсадных труб устанавливаются в скважине концентрично, и обычно каждая из них выводится на поверхность. Первая с поверхности, наибольшая по диаметру колонна, служит для закрепления устья скважины, предохранения его от размывания, а также для отвода промывочной жидкости из скважины.

В некоторых случаях для экономии обсадных труб при свободном спуске в скважину применяется их установка впотай, т. е. без вывода колонны до устья скважины. Достигается это путем отвинчивания или вырезки на определенной глубине и извлечения из скважины верхней части обсадной колонны.

Основные элементы скважины

Основными элементами скважины являются: устье, забой, ствол, обсадная колонна, фильтр, цементное кольцо.

Устье - это начало скважины, образованное короткой вертикальной зацементированной трубой - направлением.

Забой - это дно ствола скважины.

Ствол - это горная выработка, внутри которой располагаются обсадные колонны и производится углубление скважины.

Фильтр - участок скважины, непосредственно соприкасающийся с продуктивным нефтяным или газовым горизонтом. Фильтром может служить необсаженный колонной участок ствола, специальное устройство с отверстиями, заполненное гравием и песком, часть эксплуатационной колонны или хвостовика с отверстиями или щелями.

Цементное кольцо - затвердевший цементный раствор, закачанный в кольцевое пространство между стволом и обсадной колонной с целью его герметизации.

Цементное кольцо предназначено для надежной изоляции друг от друга интервалов геологического разреза (в том числе и продуктивных) на весь период строительства, эксплуатации и обеспечения жесткой связи обсадных колонн со стенками скважины с целью формирования прочной и герметичной постоянной крепи.

Система обсадных колонн и цементных колец за ними составляют крепь скважины.

В состав скважины также входит:

• точка заложения скважины - географические координаты её устья;

• забой - дно скважины;

• стенки - боковая поверхность скважины;

• диаметр - условный диаметр буровой скважины, равный номинальному диаметру породоразрушающего инструмента (фактический диаметр скважины больше номинального диаметра породоразрушающего инструмента за счет разработки стенок скважины). Конструкция скважины определяется величинами её диаметров на различных интервалах глубины, а так¬же диаметрами и длинами направляющей трубы и обсадных колонн;

• направляющая труба ~ обсадная труба различной длины, предназначенная для закрепления устья скважины, придания направления бурящемуся стволу скважины и обеспечения направления движения потока промывочной жидкости;

• кондуктор - колонна обсадных труб, предназначенная для крепления верхней части скважины;

• ствол - собственно скважина от устья до забоя (внутреннее пространство);

• ось - геометрическая ось симметрии скважины;

• глубина - расстояние от поверхности (устья) до забоя по оси скважины;

• угол наклона - угол между осью скважины и её проекцией на горизонтальную плоскость;

• зенитный угол - угол между осью скважины и её проекцией на вертикальную плоскость (зенитный угол вертикальной скважины равен нулю);

• азимут (азимутальный угол) - угол, измеряемый по часовой стрелке в горизонтальной плоскости между определённым направлением, проходящим через ось наклонной скважины, и проекцией оси скважины на горизонтальную плоскость. Азимут вертикальной скважины равен нулю. Если отсчёт азимута производится от географического меридиана, то получают истинный азимут, от магнитного меридиана - магнитный, от произвольного направления на репер -условный;

• апсидальная плоскость - вертикальная плоскость, проходящая через касательную линию к оси наклонной скважины в данной точке;

• трасса - положение оси скважины в пространстве;

• профиль - проекция оси скважины на вертикальную плоскость;

• план ~ проекция оси скважины на горизонтальную плоскость.

В зависимости от пространственного положения скважины подразделяются на:

• вертикальные;

• наклонные;

• горизонтальные и слабонаклонные (с углом наклона до 5 град.);

• восстающие, пробуренные из подземных горных выработок с углом наклона более 5 град, к горизонту;

• многозабойные (многоствольные) скважины, в которых из основного ствола забуривается один или несколько дополнительных стволов.

Диаметр обсадной колонны

Проектирование диаметров обсадных колонн и долот начинают с эксплуатационной колонны и далее методом снизу-вверх. Расчет диаметров обсадных труб ведется «изнутри» с диаметра эксплуатационной колонны. Исходя из предполагаемого дебита скважины и экономического обоснования, выбирается диаметр эксплуатационной колонны. Диаметр эксплуатационной колонны определяет диаметры бурения под обсадные колонны для всей скважины, а количество промежуточных колонн определяет конструкцию колонной головки. Увеличение диаметра эксплуатационной колонны позволяет использовать более производительное скважинное оборудование, позволяет эксплуатировать в скважине одновременно несколько пластов и облегчает проведение подземного ремонта. С другой стороны увеличение диаметра эксплуатационной колонны ведет к увеличению металлоемкости обсадных колонн, объему бурения и цементирования. Возрастают нагрузки на колонную головку и ее металлоемкость. Все это ведет к увеличению затрат на строительство скважины. Уменьшение диаметра эксплуатационной колонны снижает стоимость ее строительства, но увеличивает затраты, связанные с эксплуатацией скважины. Так применение малогабаритного оборудования ведет к увеличению затрат на приобретение до 2-3х раз. Усложняется поведение подземного ремонта, что ведет, как правило, к увеличению затрат времени, и, следовательно, и материалов, а в некоторых случаях не позволяет произвести необходимый ремонт.

Обсадные колонны

Обсадная колонна - это свинченные друг с другом и опущенные в ствол обсадные трубы с целью изоляции слагающих ствол горных пород. Различают первую обсадную колонну - кондуктор, последнюю обсадную колонну - эксплуатационную колонну, в том числе хвостовик, промежуточные обсадные колонны, в том числе летучки (лайнеры).

Обсадные колонны предназначены для изоляции стенок скважин от рабочего пространства ствола в процессе бурения и эксплуатации и обеспечивают требуемую прочность и герметичность при воздействии на них внутренних и внешних воздействий в первую очередь давления. Для создания необходимой изоляции кольцевого пространства, остающегося между обсадными колоннами, оно заливается жидким цементным раствором, твердеющим через определенное время.

Обсадные колонны по назначению подразделяются следующим образом.

Направление - первая колонна труб или одна труба, предназначенная для закрепления приустьевой части скважин от размыва буровым раствором и обрушения, а также для обеспечения циркуляции жидкости. Направление, как правило, одно. Однако могут быть случаи крепления скважин двумя направлениями, когда верхняя часть разреза представлена лессовыми почвами, насыпным песком или имеет другие особенности. Обычно направление спускают в заранее подготовленную шахту или скважину и бетонируют на всю длину. Иногда направление забивают в породу, как сваю.

Различают шахтное (или шахтовое) направление и удлиненное направление. Шахтное устанавливается, как правило, во всех случаях и его длина составляет 3-10 м. В зависимости от конкретных условий может устанавливаться удлиненное направление или от одного до нескольких направлений и в этом случае длина может достигать 100 м. Направление спускается по возможности в глинистый пласт. Диаметр колонны колеблется от 245 до 1250 мм. Трубы, используемые в качестве направления, на прочность не рассчитываются и не опрессовываются.

Кондуктор - колонна обсадных труб, предназначенных для разобщения верхнего интервала разреза горных пород, изоляции пресноводных горизонтов от загрязнения, монтажа противовыбросового оборудования и подвески последующих обсадных колонн.

Кондуктор в зависимости от геологических условий устанавливается на глубину в среднем до 100 м, а максимальная глубина до 600 м. Диаметр кондуктора, как правило, колеблется в диапазоне 177-508 мм. Он опрессовывается, как и цементное кольцо.

Шахтное направление и кондуктор являются обязательными элементами конструкции скважины.

Промежуточная обсадная колонна (их может быть несколько) служит для разобщения несовместимых по условиям бурения зон при углублении скважины до намеченных глубин.

Промежуточные обсадные колонны могут быть следующих видов:

• сплошные - перекрывающие весь ствол скважины от забоя до ее устья независимо от крепления предыдущего интервала;

• хвостовики - для крепления только необсаженного интервала скважины с перекрытием предыдущей обсадной колонны на некоторую величину;

• летучки - специальные промежуточные обсадные колонны, служащие только для перекрытия интервала осложнений и не имеющие связи с предыдущими или последующими обсадными колоннами.

Секционный спуск обсадных колонн и крепление скважин хвостовиками являются, во-первых, практическим решением проблемы спуска тяжелых обсадных колонн и, во-вторых, решением задачи по упрощению конструкции скважин, уменьшению диаметра обсадных труб, зазоров между колоннами и стенками скважины, сокращению расхода металла и тампонирующих материалов, увеличению скорости бурения и снижению стоимости буровых работ.

Эксплуатационная колонна - последняя колонна обсадных труб, которой крепят скважину для разобщения продуктивных горизонтов от остальных пород и извлечения из скважины нефти или газа или для нагнетания в пласты жидкости или газа. Иногда в качестве эксплуатационной колонны может быть использована (частично или полностью) последняя промежуточная колонна.

Сооружение скважины

Только сооруженная скважина может ответить на вопрос: имеется ли в данном районе нефтяное или газовое месторождение и какова промышленная ценность залежи углеводородов.

Сооружение скважины, независимо от ее назначения (разведочная, параметрическая, эксплуатационная и т.д.), включает в себя следующие основные этапы:

1. Геологическое обоснование места сооружения и составление проекта скважины, которые позволяют наилучшим образом выполнить поставленную задачу.

2. Монтаж технических средств для наиболее качественного и экономичного сооружения скважины.

3. Проводку ствола скважины, обеспечивающую высокую скорость углубления при минимальных затратах.

4. Глубинные геофизические и технологические исследования, позволяющие подробно изучить геологический разрез, термодинамические параметры вскрытых скважиной пластов, отобрать образцы горных пород и пластовых флюидов для лабораторных исследований.

5. Крепление ствола обсадными трубами и цементом, обеспечивающее длительную безаварийную эксплуатацию скважины как инженерного сооружения и ее экологическую безопасность.

6. Изготовление глубинного фильтра, обеспечивающего качественную и надежную гидродинамическую связь продуктивного пласта с полостью эксплуатационной колонны и препятствующего проникновению в колонну горной породы и других загрязняющих углеводороды примесей.

7. Оборудование устья скважины, включающее, при необходимости, подвеску колонны насосно-компрессорных труб, обеспечивающее качественное испытание скважины и дальнейшую длительную эксплуатацию ее как объекта добычи углеводородов.

При бурении в скважину последовательно спускается определенная конструкция, состоящая из обсадных труб. Каждая последующая колонна вставляется в предыдущую, и поэтому имеет все меньший диаметр.

Дно скважины называется забоем. После проведения цементирования скважины образуется новый забой, который называется «искусственный забой». В процессе эксплуатации на забой осаждаются примеси, части изношенного оборудования или упущенный при проведении подземного ремонта инструмент и т.п., что при замерах изменяет глубину скважины и новая точка называется «текущий забой».

Если продуктивный пласт обсаживается, то низ или башмак эксплуатационной колонны устанавливается всегда (после прохождения через пористый продуктивный пласт) в непроницаемую породу. Это позволяет вскрыть продуктивный пласт, предотвратив его обводнение, что само по себе является серьезной проблемой, и может сделать скважину непродуктивной, т.е. не давшей нефти.

После создания герметичной конструкции скважины в эксплуатационную колонну, напротив продуктивного пласта, спускается на забой устройство (перфоратор), которое проделывает отверстия в обсадных трубах и цементном кольце и соединяет продуктивный пласт и скважину. Эти отверстия заполняются газом и пластовой жидкостью (нефтью), поступающей из пласта под избыточным давлением и заполняют скважину.

Требования к конструкции скважин

В зависимости от назначения скважин конструкция может существенно изменяться, но всегда должна удовлетворять некоторым общим требованиям, которые сводятся к следующему:

• надежное разобщение пройденных пород и их герметизация, что вытекает из требований охраны недр и окружающей среды и достигается за счет прочности и долговечности крепи, герметичности обсадных колонн, межколонных и заколонных пространств, а также за счет изоляции флюидонасыщенных горизонтов;

• получение максимального количества горно-геологической и физической информации по вскрываемому скважиной разрезу;

• возможность оперативного контроля за вероятным межколонным или заколонным перетоком флюидов;

• длительная безаварийная работа при условии безопасного ведения работ на всех этапах жизни скважины;

• конструкция должна иметь определенный диаметр обсадных труб, что особо относится к эксплуатационной колонне;

• быть стабильной (не изменять своих первоначальных характеристик в течение длительного времени или после проведения определенных технологических операций);

• эффективное фиксирование конструкции в стволе скважины;

• возможность аварийного глушения скважины;

• возможность трансформации одного вида скважины в другой за счет максимальной унификации по типоразмерам обсадных труб и ствола скважины.

Кроме перечисленных, конструкция скважины должна удовлетворять определенным технологическим требованиям, основными из которых являются:

• хорошая гидравлическая характеристика (минимум сопротивлений);

• максимально возможное использование пластовой энергии в процессе подъема продукции на дневную поверхность за счет выбора оптимального диаметра эксплуатационной колонны и конструкции забоя;

• возможность проведения всех видов исследований известными и перспективными глубинными приборами;

• проведение всех технологических операций в скважине, в том числе и по воздействию на продуктивный горизонт;

• применение различных способов эксплуатации с использованием эффективного оборудования, в том числе и с большими нагрузками на стенку скважины (колонны).

Литература

http://proofoil.ru/Oilproduction/Borewell2.html

http://poznayka.org/s19670t1.html

http://greenologia.ru/eko-zhizn/sistemy/vodosnabzhenije/skvazhina/obsadnye-truby.html

http://www.megapetroleum.ru/kakova-konstrukciya-skvazhiny/

Код для цитирования: Скопировать