книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

Итон доказал, что коэффициент Пуассона для определённо­ го месторождения должен быть постоянным и может устанав­ ливаться по данным, полученным по скважинам того же ме­ сторождения или площади. Преобразуя уравнение(1.58):

ц J FG>-Pn»'H 1-и (сГц -p ^/H ’

находим коэффициент Пуассона. Затем строим зависимость коэффициента Пуассона от глубины (рис. 1.6).

По методу Итона градиент разрыва определим следующим образом:

1) построим зависимость порового давления от глубины для рассматриваемого месторожде­ ния;

2) построим зависимость плот­ ности от глубины и преобразуем его в зависимость давления выше­ лежащих пород от глубины;

3)построим зависимость ко­ эффициента Пуассона от глуби­ ны;

4)вычислим градиент разрыва

спомощью уравнения (1.58).

ления от глубины и давления вышележащих пород от глубины, предположим, что существует нормальное уплотнение плас­ тов, т.е, о„ • Н = 0,0226 МПа/м, или av = 34,45 МПа на глуби­

41

Метод Кристмана является моди­ фикацией метода Итона и предназначен для расчетаградиентаразрывана морских месторождениях. В соответствии с этим методом общая глубина равна сумме глу­ бин морской толщи и скважины (рис. 1.7). Плотность воды меньше плотно­ сти породы, поэтому градиент разрыва на данной глубине меньше для морской скважины, чем для скважины, пробу­ ренной на суше на ту же глубину.

Давление вышележащих пород опре­

Градиент разрыва пласта. Знание градиента разрыва пла­ ста FBG имеет важное значение для предупреждения выбро­ сов, когда регулируют статическое давление в скважине при закрытом устье (сумма гидростатического давления флюидов в кольцевом пространстве и статического давления в скважине при закрытом устье CSIP должна быть меньше градиента раз­ рыва пласта у башмака обсадной колонны). Для обеспечения дополнительной безопасности необходимо учитывать давление распространения трещины о3, а не градиент разрыва пласта. В отклоненных от вертикали скважинах и на площадях, на ко­ торых о3 значительно отличается от а2, рассчитанный гради­ ент разрыва пласта может быть ниже а3.

Если допустить, что нефтяная скважина находится в бес­ конечной плоскости, то градиент разрыва пласта:

42

где T — прочность породы на разрыв; р11Л—пластовое дав­ ление.

Уравнение (1.63) верно в случае, когда в пласт не проника­ ют какие-либо флюиды. В пористых и проницаемых породах буровой раствор проникает в пласт, изменяя таким образом концентрацию напряжения вокруг ствола скважины. При про­ никновении жидкости в пласт создается усилие, направленное радиально наружу и уменьшающее концентрации напряже­ ний на стенках скважины, что облегчает гидроразрыв пласта. Б. Хеймсон и С. Фэйрхест уточнили уравнение (1.63), приняв во внимание проникновение жидкости в пласт, чтобы опреде­ лить давление разрыва пласта:

0£ а(-——) < 1.

1-и

Б.Хеймсон и С.Фэйрхест определяют давление разры­ ва пласта как давление возникновения трещины. Ког­ да а(1—2г>)/(1—и) = 1, уравнение (1.64) обращается в уравне­ ние (1.63) для случая отсутствия проникновения жидкости в пласт. Когда наблюдается полное проникновение жидкости в пласт, т.е. а(1—2н)/(1—и) = 0, уравнение (1.64) определяет дав­ ление разрыва пласта:

Следовательно, проникновение жидкости в пласт значитель­ но уменьшает величину давления разрыва пласта.

Допустим, что а3 = а2, тогда уравнение (1.64) можно преоб­ разовать следующим образом:

А-66»

2““W

Кроме того:

Подставляя уравнение (1.67) в уравнение (1.63), получаем

43

градиент разрыва пласта для случая, когда проникновение в пласт жидкости отсутствует:

1 - о

Когда наблюдается проникновение жидкости в пласт при о, = о2, уравнение (1.64) определяет давление разрыва пласта:

л , 1-и ®и-Р™ +0.5

Предыдущие уравнения выводились для условий верти­ кальных скважин, в которых вертикальное главное напряже­ ние не влияло на величину давления разрыва. Если скважина отклонена от вертикали, то давление

вышележащих пород влияет на дав­ FB6, кПа/м ление разрыва, уменьшая градиент

разрыва.

Градиент разрыва для наклонных скважин находят по следующей фор­ муле:

FBG =Зо3 -o2cos20-olsin20+T+pm, (1.70)

где 0 —угол отклонения от верти­ кали (зенитный угол).

Когда а3 = а2, уравнение (1.70) сво­ дится к следующему:

FBG = a 3(3-cos20 )-a|S in20 +T+ pmi. (1.71)

1.3. ВЫБОР ГЛУБИНЫ УСТАНОВКИ БАШМАКА

ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

Значения порового давления и градиента разры­ ва играют важную роль при выборе интервала установки баш­ мака колонны, что позволяет пробурить следующий интервал скважины, избежав гидроразрыва пласта. С целью правиль­ ного выбора глубины для башмака колонны совместно исполь­ зуют поровое давление, плотность бурового раствора и гради­ ент разрыва,

Приведенный ниже пример демонстрирует метод выбора места для башмака обсадной колонны.

44

П р и м е р 1.5. С помощью данных в графах 1 и 2 табл. 1.13 рассчитать градиент разрыва на различных глубинах, приме­ няя уравнение (1.58), и выбрать глубину для башмака колонны (•0 = 0,4).

Для заполнения граф 3—6 табл. 1.13 необходимо выполнить следующее:

1)требуемое гидростатическое давление бурового раство­ ра принять равным поровому давлению 1,378 МПа (избыточ­ ное давление), при этом можно использовать любое приемле­ мое значение избыточного давления;

2)рассчитать поровое давление и градиенты давления бу­ рового раствора, разделив поровое давление и давление буро­ вого раствора на глубину;

Та б л и ц а 1.13

Красчету примера 1.5.

3) вычислить градиент разрыва по формуле (1.58), которая при и = 0,4 приобретает вид:

PG - 2(?ц ~Р™ ) | Рдд

Принимая 0„/Н =0,0226 МПа/м и используя данные табл. 1.13, рассчитываем градиент разрыва на глубине 1524 м:

FG = j (22600-11074)+11074= 18758Па/м.

45

Аналогично проведём расчёт для других глубин (см. табл. 1.13).

Глубину установки башмака обсадной колонны выбирают следующим образом.

1.На миллиметровой бумаге наносят значения градиента порового давления, градиента давления бурового раствора и градиента разрыва в зависимости от глубины (рис. 1.9).

2.Начиная с общей глубины скважины (3353 м), проводят вертикальную линию через значение градиента бурового рас­ твора до пересечения с линией градиента разрыва.

Прямая I на рис. 1.9 пересекает линию градиента разрыва на глубине 3200 м (точка А на рис. 1.9). Выше 3200 м градиент бурового раствора (21244 Па/м) будет превышать градиент раз­ рыва, поэтому необходимо уменьшить плотность бурового рас­ твора. В интервале 3200—3353 м ствол скважины должен быть обсажен хвостовиком (эксплуатационным) либо эксплуатаци­ онной обсадной колонной.

3.Выше 3200 м скважину следует бурить с применением бурового раствора при градиенте меньше 21244 Па/м. Новый градиент бурового раствора устанавливают при проведении го­ ризонтальной прямой из точки А к линии градиента бурового раствора. Точка В на рис. 1.9 определяет новое значение гради­ ента бурового раствора — 19888 Па/м. Перемещаются по вер­ тикали из точки В до тех пор, пока линия градиента разрыва

не пересечется на глубине 2697 м в точке С. Точка С определя-

Рис. 1.9. Выбор глубины установки башмака обсадной колонны:

1,2,3 — кривые градиентов порового давления, бурового раствора и разрыва со­ ответственно; I, II, III — номера прямых.

46

ет максимальную глубину бурения, прежде чем будет исполь­ зован новый градиент бурового раствора 19888 Па/м. Отсюда следует, что между точками В и С необходимо применить про­ межуточную колонну-хвостовик, которая может быть установ­ лена в точке В.

Из точки С перемещаются в горизонтальном направлении к линии градиента бурового раствора к точке Д где этот гра­ диент составляет 15368 Па/м. Вертикальная прямая из точки D показывает, что скважина может буриться при градиенте буро­ вого раствора 15368 Па/м до устья без разрыва пласта.

Предлагаемые типы обсадных колонн на соответствующих глубинах представлены на рис. 1.9.

1.4. ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИНЫ

(Well program)

Исходными данными для проектирования кон­ струкции скважины являются: цель бурения и назначение сква­ жины, проектный горизонт и глубина скважины, диаметр эксплуа­ тационной колонны, пластовые давления и давления гидроразрыва горных пород стратиграфических горизонтов, способы заканчивания скважины и ее эксплуатации, профиль скважины и его ха­ рактеристики, характеристика пород по крепости.

При выборе конструкции скважины учитывают продолжи­ тельность бурения каждой зоны крепления, интенсивность из­ носа кондуктора и промежуточных обсадных колонн, а также геологическую изученность района буровых работ.

Конструкцию скважины выбирают в соответствии с дей­ ствующей методикой.

Глубина спуска кондуктора определяется требованием креп­ ления верхних неустойчивых отложений и изоляции верхних водоносных или поглощающих горизонтов. Если кондуктор оборудуется противовыбросовой арматурой, то глубину уста­ новки башмака кондуктора рассчитывают из условия преду­ преждений гидроразрыва при ликвидации нефтегазопроявлений по формуле

где ру — давление на устье при закрытом превенторе во время нефтегазопроявлений, МПа; Дру —дополнительное дав­ ление на устье, возникающее при очистке скважины от пос­ тупивших пластовых жидкостей, МПа; рэ гр —плотность буро­

47

вого раствора, эквивалентная градиенту гидроразрыва пород

Это положение распространяется на первую промежуточ­ ную колонну при глубине ее спуска до 1000 м.

Для выбора числа промежуточных колонн и глубины их спуска строят совмещенный график изменения пластового дав­ ления, давления гидроразрыва пород и гидростатического дав­ ления столба бурового раствора в координатах «глубина — эк­ вивалент градиента давления».

Под эквивалентом градиента давления понимается плот­ ность жидкости, столб которой в скважине на глубине опре­ деления создает давление, равное пластовому или давлению гидроразрыва.

Если отсутствуют данные о давлениях гидроразрыва, то в исключительных случаях его можно определить по формуле:

где Н — глубина определения давления гидроразрыва, м; рпл— пластовое давление на глубине определения давления гидроразрыва, МПа.

Винтервалах залегания пород, в которых возможно нару­ шение приствольной зоны скважины, где плотность буро­ вого раствора выбирают с учетом горного давления, вместо пластового давления на график может быть нанесено гор­ ное давление.

Винтервалах интенсивных поглощений бурового раство­ ра на график вместо давления гидроразрыва может быть на­ несено давление, при котором начинается интенсивное по­ глощение.

Зоны совместимых условий бурения являются зонами креп­ ления скважин обсадными колоннами, число их соответству­ ет числу обсадных колонн. Глубину спуска обсадной колонны принимают на 10—20 м выше окончания зоны крепления (зо­ ны совместимых условий), но не выше глубины начала следу­ ющей зоны совместимых условий.

Под совместимостью условий бурения понимается такое их сочетание, когда созданные параметры технологических про­ цессов бурения нижележащего интервала скважины не вызо­ вут осложнения в пробуренном вышележащем интервале, ес­ ли последний не закреплен обсадной колонной.

Диаметр обсадных колонн и долот выбирают снизу вверх, начиная с эксплуатационной колонны по рис. 1.10.

Диаметр долота для бурения под выбранную обсадную ко­ лонну определяется требуемым зазором между муфтой колон-

48

Рис. 1.10. Номограмма для выбора диаметра обсадных колонн и долот.

П р и м е ч а н и я : 1. ОГс< — обсадные гладкие резьбовые и сварные трубы; Н,.рм — трубы по ГОСТ 632-80; ОТТМ и ТБО — соответственно муфтовые и безмуфтовые обсадные трубы с трапецеидальной резьбой.

2. Заш трихованная область несовместимых размеров долот и труб. В левой части этой области цифрами обозначены максимальные толщины стенок труб, при которых данное долото еще проходит в колонну. В правой части номо­ граммы указаны зазоры по телу трубы или муфтовому соединению между обсадной колонной и стенкой скважины.

ны и стенкой скважины. Величина зазора зависит от диаметра и типа соединений обсадных труб и профиля скважины, слож­ ности геологических условий, гидродинамических давлений при бурении и креплении интервала, выхода из-под башмака предыдущей колонны. Величину зазора между муфтой обсад­ ной колонны и стенкой скважины выбирают по данным анализа опыта бурения и крепления скважин в данном районе и в сход­

ных геологических условиях других районов страны или по ре­ зультатам специально поставленных исследовательских работ при проходке опорно-технологических скважин на данной площади. Если такие данные отсутствуют, то при выборе диаметров долот можно пользоваться следующими рекомендациями:

Цементирование проводят следующим образом: а) кондукторы — по всей длине;

б) промежуточные колонны в нефтяных добывающих сква­ жинах глубиной до 3000 м —на участке не менее 500 м от баш­ мака, а в более глубоких скважинах — по всей длине;

в) промежуточные колонны в разведочных и газовых сква­ жинах — по всей длине;

г) эксплуатационные колонны в нефтяных добывающих скважинах — на участке от забоя до уровня, расположенного не менее чем на 100 м выше башмака предыдущей колонны, а в газовых и разведочных скважинах — по всей длине; если надежно герметизировать соединения обсадных труб, то в га­ зовых и разведочных скважинах разрешается длину участка цементирования эксплуатационной колонны выбирать так же, как и в нефтяных скважинах.

П р и м е р 1.6. Выбрать конструкцию разведочной скважи­ ны при следующих исходных данных: скважина вертикальная, проектная глубина 5600 м, цель бурения — разведка нефти и газа в палеогеновых отложениях II и III ярусов, диаметр экс­ плуатационной колонны 140 мм, геологическая характеристи­ ка площади буровых работ приведена на рис. 1.11.

Пластовые давления, давления гидроразрыва и давления, при которых возможны интенсивные поглощения бурового раство­ ра, приводятся в табл. 1.14.

Решение. По литологической характеристике разреза вы­ деляем интервалы с приведенной выше характеристикой пла­ стовых давлений:

50