Строительство нефтяных и газовых скважин

А. С. Новиков, 2021

Бурение скважин в первую очередь глубоких и сверхглубоких параметрических, поисковых, разведочных и эксплуатационных (добычных) на нефть и газ. Целью данной работы является краткое освещение применяемой современной техники и технологии строительства скважин. Рассмотрены: обработка скважин соляной кислотой, термокислотные обработки и кислотные обработки терригенных коллекторов. Рассмотрено пенно-полимерное заводнение и внутрипластовое горение. Приведен общий обзор колтюбинговых технологий и особенности колтюбинга (ГНКТ) и перфорации скважин. Данная работа будет полезна студентам специальности бурение, полевым инженерам по бурению, работникам буровых компаний.

Глава 3. Конструкция скважины

§ 9. Понятие о конструкции скважины

Под конструкцией скважины понимают совокупность данных о количестве и глубинах спуска обсадных колонн, диаметрах обсадных колонн, диаметрах ствола скважины для каждой из колонн и интервалов цементирования (глубинах верхней и нижней границ каждого интервала). [89] Правильность выбора конструкции определяет успех проводки скважины. Нарушение проектной конструкции скважины (не допуск колонн, изменение диаметра колонн), может привести к непоправимым последствиям, либо к существенному удорожанию стоимости скважины, поэтому при осуществлении супервайзинга необходимо принимать все меры к недопущению отклонений в конструкции скважин. Кондуктор и эксплуатационная колонна в проектной конструкции обязательны, независимо от горно-геологических условий строительства скважины. В зависимости от назначения скважины, конструкции забоя и условий эксплуатации функции эксплуатационной колонны может частично выполнять ранее спущенная обсадная колонна (кроме кондуктора). Башмак последней промежуточной колонны, перекрывающей породы, склонные к пластическим деформациям, следует устанавливать ниже их подошвы.

Элементы конструкции скважины

Направление — это первая труба или колонна труб, служащая для предотвращения размыва пород, залегающих близ дневной поверхности, разобщения ствола скважины, сооружаемой в акватории водного бассейна, от окружающих вод и для соединения устья с очистной системой буровой установки.

Кондуктор — это колонна труб, спускаемая в скважину после направления и служащая для укрепления стенок последней в недостаточно устойчивых породах, и для перекрытия зон осложнений, приуроченных к сравнительно неглубоко залегающим горизонтам, а также для изоляции горизонтов, содержащих артезианские и целебные воды.

Эксплуатационная колонна — это самая внутренняя колонна. Она служит не только для укрепления стенок скважины и изоляции соответствующих горизонтов, насыщенных нефтью, газом или водой, но также каналом для транспортировки, добываемой из продуктивной толщи нефти или газа, или закачиваемой в последнюю жидкости (газа).

Промежуточные или технические колонны — это все колонны труб, находящиеся между кондуктором и эксплуатационной колонной. Их спускают для перекрытия сравнительно глубоко залегающих неустойчивых пород, либо для изоляции продуктивных горизонтов, расположенных намного выше проектной глубины скважины, перекрытия зон несовместимого бурения, либо для изоляции пород оказывающих сильное агрессивное воздействие на промывочную жидкость и других целей. Обычно верхний конец колонны труб устанавливают на устье скважины.

Хвостовик или потайная колонна — это случай, когда по геолого-техническим условиям и соображений экономичности, нет необходимости располагать верхний конец колонны на устье, верхний конец колонны располагается в скважине на значительной глубине от устья, но перекрывает башмак предыдущей колонны.

Фильтр, это та часть колонны, которая составлена из труб со специально просверленными или перфорированными отверстиями (или профрезированными, или перфорированными).

Графическое изображение конструкции скважин показано на Рис3.1.[88]

Графическое изображение конструкции скважины

а — со сплошными колоннами;

б — с хвостовиком;

в — с комбинированной эксплуатационной колонной и хвостовиком.

Направление на графическом изображении, как правило, не показывают.

Рис. 3.1. Графическое изображение конструкции скважины

Выбор интервалов цементирования обсадных колонн

В не обсаженном стволе скважины цементированию подлежат:

• Продуктивные горизонты, кроме предусмотренных к опробованию и эксплуатации открытым стволом или с нецементируемым фильтром;

• Продуктивные горизонты, не предусмотренные к опробованию или эксплуатации, и горизонты с непромышленными запасами нефти и газа;

• Истощенные горизонты;

• Проницаемые горизонты, насыщенные пресной водой, а также всеми типами минерализованных вод;

• Горизонты вторичных (техногенных) залежей нефти и газа;

• Интервалы, представленные породами, склонными к пластическому течению и выпучиванию;

• Толща многолетнемерзлых пород;

• Горизонты, породы которых или продукты их насыщения способны вызывать ускоренную коррозию обсадных труб.

Минимально необходимая высота подъема тампонажного раствора над флюидосодержащими горизонтами, а также над кровлей подземных хранилищ газа и нефти, над устройством ступенчатого цементирования (стыком секций) верхней ступени (секции) обсадных колонн должна составлять не менее 150–300 м для нефтяных и 500 м для газовых скважин.). [86]

Секционный спуск обсадных колонн допускается в следующих случаях технологической необходимости:

• Недостаточная грузоподъемность буровой установки;

• Невозможность обеспечения прочностных характеристик колонны при использовании серийно выпускаемых типоразмеров обсадных труб или закупаемых по импорту;

• Невозможность спуска обсадной колонны до проектной глубины по условиям проходимости с учетом накопленного опыта в данном районе или аналогичных горно-геологических условиях;

• Отсутствие серийно выпускаемых устройств ступенчатого цементирования, в том числе с учетом закупаемых по импорту.

Устройства ступенчатого цементирования и стыки секций обсадных колонн должны располагаться:

• В обсаженном стволе скважины предыдущей колонной выше башмака ее не менее, чем на 50 м; то же относится к «голове» потайной колонны;

• В не обсаженной части скважины — в интервале устойчивых пород с диаметром ствола, близким к номинальному, ниже верхней границы интервала не менее 30–50 м и выше нижней границы не менее 50–75 м. [88]

§ 10. Проектирование конструкции скважины

Скважина является капитальным долгосрочным сооружением. Поэтому ее конструкция должна быть прочной, обеспечивать герметичное разобщение всех проницаемых пород, вскрытых при бурении, безусловную возможность достижения проектной глубины и решения геологических и других последовательных задач в процессе бурения, осуществления запроектированных режимов эксплуатации, на всех этапах разработки месторождения, соблюдения требований законов об охране недр и защите окружающей среды от загрязнения. Вместе с тем конструкция скважин должна быть экономичной. [88]

На выбор конструкции скважины влияют многочисленные факторы:

• Назначение скважины (поисково-разведочная, эксплуатационная на нефть и газ;

• Нагнетательная;

• Проектная глубина;

• Особенности геологического строения месторождения (наличие тектонических нарушений, соляных штоков, количество продуктивных объектов и расположение их друг относительно друга и другие);

• Степень достоверности знаний об этом;

• Устойчивость горных пород;

• Характер изменения с глубиной коэффициентов аномальности пластовых давлений и индексов давления поглощения.

• Состав пластовых жидкостей (химический и по физическому состоянию):

а) капельная жидкость;

в) газ;

с) газожидкостная смесь;

• Положение устья скважины (на суше или в акватории водного бассейна);

• Профиль скважины;

• Способ и продолжительность бурения;

• Уровень развития технологии бурения;

• Метод вхождения в продуктивную толщу;

• Температурный режим в период бурения и эксплуатации;

• Дебит и способ эксплуатации данной скважины на разных этапах разработки месторождения;

• Степень совершенства эксплуатационного оборудования;

• Требования законов об охране недр и защите окружающей среды, экономичность (стоимость строительства при том или в ином варианте конструкции, стоимость единицы добываемой продукции);

• Субъективные моменты (квалификация инженерно-технического персонала);

• Традиции предприятия и проектной организации и другие.

Спроектировать конструкцию скважины — это значит определить необходимое для условий данного конкретного участка месторождения количество обсадных колонн, размеры этих колонн (диаметр, глубину установки нижнего конца и длину каждой, прочностные характеристики каждой трубы), диаметры долот для бурения ствола под каждую колонну, положение верхней и нижней границ интервалов цементирования и выбрать метод вхождения в продуктивную толщу. При решении этой задачи часто может быть получено несколько вариантов конструкции.). [88] За окончательную нужно принимать наиболее экономичный.

Рис. 3.2. График совмещенных давлений

Выбор числа и глубины спуска обсадных колонн

Приступать к проектированию конструкции рекомендуется с построения графиков изменения коэффициента аномальности Ка (Рис. 42) [88] пластовых давлений и индекса давлений поглощения Кп с глубиной. С помощью этих графиков можно определить те интервалы глубин, в пределах которых выполняется условие — Ка<ρо<Кn

Ка = Рпл/ρвgZпл (2.1.) Ка> = Кn

ρ_о = ρ_раств/ρ_воды

Кn = Рпогл/ρвg*Zпл (2.2.)

Где:

Рпл — пластовое давление Мпа;

Рпогл — давление поглощения Мпа;

ρ_раств — плотность раствора кг/м³;

g — ускорение силы тяжести;

Z — глубина кровли пласта, м.

Пусть, например, характер коэффициентов Ка и Кn в районе N соответствует изображенному на рисунке 43. При бурении до глубины 750 м можно использовать промывочную жидкость с относительной плотностью не менее 1,5–1,52, а ниже, до глубины 3150 м не менее 1,76–1,80 Для бурения ниже 3150 м требуется промывочная жидкость с ρ_о≥1,55–1,6 Рассуждая аналогично, можно прийти к выводу, что при заданной ситуации в скважину придется спустить четыре обсадные колонны. Такой первый вариант конструкции. Затем он корректируется с учетом других факторов, существенных для данной площади. Во многих районах нашей страны верхний интервал геологического разреза сложен многолетне мерзлыми породами. Мощность мерзлых пород колеблется от нуля до нескольких сот метров. Существует два типа многолетне мерзлых пород. К одному типу можно отнести такие породы, частицы которых более или менее прочно связаны между собой тем или иным цементирующим веществом (но не льдом); при растеплении, т. е. при повышении температуры и превращении льда в воду) связь между частицами сохраняется и порода вскрытая скважиной, ведет себя достаточно устойчиво. Такой тип мерзлоты называют пассивной. Обычно весь интервал мерзлоты, сложенный такими породами перекрывают кондуктором, башмак размещают на 100–200 м ниже подошвы мерзлоты в породе с устойчивой положительной температурой. Ко второму типу следует отнести породы, частицы которых взаимно связаны только льдом или в основном льдом. При растеплении таких пород связь между частицами утрачивается, как только лед растает, и они начинают интенсивно осыпаться в скважину. При бурении обычно используется промывочная жидкость с положительной температурой, процесс растепления мерзлоты за счет тепла, содержащегося в этой жидкости, идет непрерывно и из скважины на дневную поверхность выносится огромное количество осыпавшихся частиц горной породы, а в стволе скважины образуется огромная каверна, объемом несколько десятков кубометров, это породы в основном из активной мерзлоты. Нередко под основанием буровой образуется кратер диаметром 6–8 м. Каверны в многолетнемерзлых породах влекут за собой разрушение эксплуатационной колонны во время эксплуатации, несмотря на наличие кондуктора, и промежуточной колонны. Разрушение происходит за счет неравномерного промерзания каверны. Технологические приемы, предотвращающие образование каверн очень дороги, это специальные холодильные установки, монтируемые на устье скважины и растворы на углеводородной основе. Более простой и эффективный способ — это управление процессом замораживания каверны, при котором каверна промерзает равномерно.

Хемогенные отложения после полного вскрытия перекрывают обсадной колонной, т. к. полностью пластическое течение солей остановить на рабочих плотностях промывочной жидкости невозможно. А также одновременное вскрытие хемогенных пород с интервалами осложнений другого характера невозможно. В присутствии карналлита хемогенных отложениях образовываются большие каверны, что может осложнить дальнейшее углубление скважины без перекрытия их обсадной колонной.

Горные породы, залегающие близ дневной поверхности, обычно являются мало прочными и легко размываются потоками промывочной жидкости при бурении. Такие породы всегда перекрывают обсадной колонной-направлением или кондуктором. Если устье скважины должно быть расположено в акватории водного бассейна, обсадной колонной-направлением перекрывают всю толщу воды и донных осадков, башмак и направление устанавливают в плотных коренных породах: верхнее сечение направления должно возвышаться над водной поверхностью настолько, чтобы при самых сильных штормах гребни волн должны быть несколько ниже его.

При проектировании конструкции скважины необходимо учитывать также способ бурения, уровень технологии бурения в данном районе, геологические особенности разреза и профиль ствола скважины. В процессе бурения обсадные колонны изнашиваются долотами, бурильными замками и трубами. При большом объеме спуско — подъемных операций или весьма длительном вращении бурильной колонны обсадные трубы могут быть протертыми насквозь, особенно в местах резких искривлений или перегибов. В тех случаях, когда сильный износ обсадной колонны может быть причиной серьезной аварии или тяжелого осложнения, необходимо принимать эффективные предупредительные меры. К числу таких мер можно отнести, спуск дополнительной обсадной колонны, замену изношенного участка новым, поворот на некоторый угол участка колонны с односторонним износом.

Проектирование конструкции эксплуатационных и нагнетательных скважин целесообразно начинать с выбора вхождения в пласт, поскольку последний может повлиять на глубину спуска и диаметр эксплуатационной колонны. [88]

При проектировании конструкции первых поисково-разведочных скважин часто отсутствует достаточно достоверная информация о геолого-физических характеристиках породы (устойчивости, пластовых давлениях, давления поглощения, характеристики пластового флюида, коллекторских свойствах и т. д). Если есть основания полагать, что геолого-физические условия в данном районе весьма сложны, в ряде случаев допустимо предусмотреть в конструкции резервную колонну. Такую колонну спускают, если крайне необходимо перекрыть зону осложнений или несовместимых условий бурения, о которой при проектировании конструкции ничего не было известно, либо если в ходе строительства скважины выясняется, что проектную глубину ее нужно существенно увеличить. Если на кондуктор или промежуточную колошу должно быть установлено противовыбросовое оборудование, глубину спуска такой колонны, прежде всего в поисково-разведочных и газовых скважинах целесообразно выбирать с учетом наибольшего давления, которое может возникнуть в скважине после закрытия превентора при выбросе. Если это давление оказывается выше давления разрыва пород у предполагаемого места установки башмака данной колонны, глубину спуска нужно увеличить настолько, чтобы давление разрыва пород было больше максимального давления в скважине при выбросе. Опасность выброса, можно предотвратить, если оснастить буровую соответствующей аппаратурой для автоматического контроля за параметрами режимов бурения, параметров бурового раствора, газосодержанием раствора, превенторами (сферическим и срезным) и позаботиться о том, чтобы они надежно работали, а персонал был хорошо обучен и дисциплинирован. [88]

§ 11. Выбор диаметров обсадных колонн, долот и труб

Для того, чтобы обсадную колонну можно было спустить в скважину, диаметр последней всегда должен быть максимального наружного диаметра. [88]

Dс = dм + 2 Δк (3.1)

где:

• Dс — диаметр скважины (диаметр долота), м;

• d_м — диаметр муфты обсадной трубы, м;

• Δк — рациональный зазор между стенкой скважины и муфтой;

• Δк = 5–15 мм для колонн диаметром 114–168 мм;

• Δк = 15–25 мм для колонн диаметром 178–245 мм;

• Δк = 25–40 мм для колонн диаметром 273–351 мм;

• Δк = 40–50 мм для колонн большего диаметра.

Правилами ведения буровых работ предусмотрено: кондукторы во всех скважинах, промежуточные и эксплуатационные колонны в газовых и разведочных скважинах, а также промежуточные колонны в нефтяных скважинах глубиной свыше 3000 м, должны быть зацементированы по всей длине.). [89]

Интервал цементирования эксплуатационных колонн в нефтяных скважинах разрешается ограничивать участком от башмака до сечения, расположенного не менее чем на 100 м выше башмака предыдущей обсадной колонны, а промежуточных обсадных колонн в нефтяных скважинах глубиной менее 3000 м — участком длиной не менее 500 м от башмака с учетом геологических условий. Такое же ограничение интервалов цементирования допускается для промежуточных и эксплуатационных колонн в газовых и разведочных скважинах, если приняты эффективные меры для обеспечения герметичности соединений труб, при этом необходимо чтобы все проницаемые породы были надежно изолированы.

Таблица 5. Рекомендуемые соотношения диаметров долот и спускаемых обсадных колонн [98]

* — Безмуфтовые трубы

Таблица № 6. Рекомендуемые диаметры бурильных труб и УБТ в зависимости от диаметра долот [99]

Примечание. В числителе — для нормальных условий, в знаменателе — для осложнённых условий бурения.

Если Dн1< 0,75 Dн0, где Dн1 и Dн0 соответственно наружный диаметр СБТ и УБТ, то следует использовать ступенчатую конструкцию КНБК, при этом между диаметрами секций УБТ снизу вверх должно сохраняться то же соотношение. Определённые таким образом значения диаметров округляются до ближайших стандартных размеров, приведённых в табл. 1. В том случае, если КНБК получается многоступенчатым, количество труб в ступенях выше первой может быть равно длине одной свечи или трубы. При роторном бурении необходимо использовать УБТС во всех секциях.

В скобках приведено значение диаметра УБТ для осложненных условий бурения, без скобок — для нормальных условий бурения.

Таблица 7. Рекомендуемый зазор между стенками скважины и муфтой обсадной колонны

Диаметр скважины определяется по формуле:

Д скв. = Дм + Δ (3.2)

где: Дскв — определяемый диаметр скважины, мм;

Дм — диаметр муфты обсадной колонны, мм;

Δ — зазор между стенками скважины и муфтой обсадной колонны, мм. [86]

Таблица 8. Рекомендуемые соотношения диаметров УБТ и обсадной колонны, под которую ведется бурение [69]

Таблица 9. Рекомендуемые соотношения диаметров бурильных труб и УБТ

Отношение диаметра бурильных труб, расположенных над УБТ, к диаметру УБТ должно составлять не менее 0,75. Если для рассматриваемого варианта оно меньше, чем 0,75, то комплект УБТ должен состоять из труб нескольких диаметров, уменьшающихся в направлении к бурильным трубам. При этом диаметр над долотного участка УБТ (1-я секция УБТ) должен соответствовать табл. № 2. В таблицах 4,5,6,7,8,9,10 приведены соотношения диаметров элементов бурильной колонны и обсадных колонн.

[89]

Таблица 10. Рекомендуемые соотношения диаметров бурильных труб и обсадных колонн [66]

Таблица 11. Рекомендуемые соотношения диаметров долот и забойных двигателей [62]

§ 12. Подготовительные работы к бурению скважины

Подготовительные работы к бурению являются важной частью в цикле строительства скважины. После приема буровой из монтажа и проведенных пусконаладочных работ, силами буровой бригады производятся подготовительные работы к бурению. Обустраивается вахтовый поселок в соответствии с правилами пожарной безопасности с составлением акта. Расположение вахтового поселка должно быть высота вышки плюс 10 м от буровой. Производится ревизия бурового оборудования, смазка и шприцовка, пробная обкатка. Опрессовываются нагнетательные линии буровых насосов, пневмолинии, опробываются все механизмы буровой, забуривается шурф для размещения квадрата. Все механизмы и оборудование должны быть укомплектованы соответствующими табличками о их технических характеристиках и состоянии механизма, оборудования. Проверяется освещенность рабочих мест на предмет соответствия правилам в НГП. Проверяется соответствие рабочих площадок, проходов, лестниц, ограждений — соответствию правилам в НГП. Укомплектовывается пожарный инвентарь, согласно стандарта предприятия и требований Пожнадзора. Обустраиваются мета для курения. Территория должна быть обвалована, спланирована, освобождена от посторонних предметов. Подземные коммуникации и якоря оттяжек вышки, должны быть четко обозначены. Хранение ГСМ должно осуществляется на безопасном расстоянии от устья скважины и вахтового поселка и иметь обваловку.

Персонал буровой бригады должен быть ознакомлен с требованиями ПБ и ООС а так же с нормативными требованиями Ростехнадзора России и других государственных органов. Весь персонал, находящийся на буровой должен быть обеспечен средствами индивидуальной защиты, спецодеждой. Руководство работами по бурению скважины должно осуществляться лицами, получившими соответствующее право после аттестации по Промышленной безопасности и предотвращению НГВП, а так же допущенных к выполнению работ в качестве руководителя горными работами.

Несмотря на то, что узлы и агрегаты буровых установок унифицированы и существуют единые схемы монтажа буровых, в зависимости от географических, геологических характеристик месторождений, видов бурения, наземные сооружения и буровое оборудование могут размещаться в различных вариантах. [9]

Единым требованием для всех — это учет розы ветров для размещения вахтового поселка, а при его отсутствии административного помещения.

При бурении в районах Крайнего Севера на заболоченной местности отдельных разведочных скважин, без устройства лежневых дорог и площадок под буровую делается следующее: в зимнее время делается рекогносцировка местности в районе точки бурения, намечаются и наносятся на схему места расстановки привышечных сооружений (насосная, блок приготовления растворов, склад химреагентов) вахтового поселка. По зимнику производят монтаж буровой, завозятся все необходимые материалы и хим. реагенты необходимые для бурения, с тем, чтобы в летний период вести бурение скважины.

При бурении скважины на месторождениях с повышенным содержанием сероводорода насосный блок нельзя располагать ближе, чем 30 метров от вышечного.

При кустовом бурении скважин, когда скважин в кусте может насчитываться до 30, в схеме монтажа оборудования предусмотрена передвижка только вышечного блока в паре с силовым, при этом удлиняется манифольд и желобная система. При такой схеме расположения оборудования лебедка и ротор имеют отдельный привод.

Завозится инструмент необходимый для забуривания скважины и обсадные трубы для первой обсадной колонны (согласно ведомости). На буровой должен быть график ППР оборудования. Составляется акт готовности буровой, для приемки ее комиссией предприятия, после устранения замечаний комиссии буровая принимается горнотехническим инспектором.

Документация обязательная при бурении скважины

На буровой должна быть следующая документация (может корректирваться буровым подрядчиком или Заказчиком):

• Геолого-технический наряд;

• Вахтовый журнал;

• Режимно-технологическая карта;

• Журнал проверки знаний по видам работ;

• Журнал инструктажа на рабочем месте;

• Акт на опрессовку манифольда, акт опрессовки пневмосистемы, циркуляционной системы;

• Акт готовности буровой;

• Сертификат на талевый канат;

• Паспорт на бурильные трубы, элеваторы, переводники, УБТ;

• Коллекторский журнал;

• Журнал параметров бурового раствора;

• Планы работ на технологические операции;

• Журнал сводок;

• План ликвидации аварий;

• Контактная информация ближайшего медицинского учреждения;

• При въезде на территорию буровой должны быть размещены хорошо различимые знаки, информирующие о наименовании организации, номере бригады, номере скважины и фамилии бурового мастера, схема организации движения транспорта по площадке;

• Удостоверения о проверке знаний персонала буровой бригады по:

a. Промышленной безопасности;

b. НГВП;

c. Пожарно-техническому минимуму;

d. Оказанию первой медицинской помощи;

e. Охране труда;

f. Оборудование работающее под давлением

g. Подъемные сооружения

• Проект на строительство скважины;

• Регламенты на технологические операции;

• Пусковая документация;

• Журнал приема и отправления телефонограмм;

• График ППР оборудования;

Схема размещения оборудования, вахтового поселка и коммуникаций.