Обсадные трубы и их соединения

Лекция 15

Тема: .

План: 1. Обсадные трубы и их соединения. Условия работы обсадной колонны в скважине.

            2. Принципы расчета обсадных колонн.

            3 Задача и способы цементирования скважин.

1. Обсадные трубы и их соединения. Условия работы обсадной колонны в скважине.

Обсадную колонну составляют из обсадных труб, изготовляемых в широком ассортименте в соответст­вии с ГОСТ 632 — 80. Он определяет номинальные размеры (наружный диаметр) обсадных труб, их ассортимент по тол­щинам стенок, механические характеристики сталей для из­готовления труб, допуски в отклонении размеров от номи­нальных, конструкции резьбовых соединений и маркировку труб. В нашей стране по ГОСТ 632 — 80 выпускаются бесшов­ные цельнокатаные обсадные трубы. Их номинальным раз­мером является наружный диаметр, ГОСТом предусмотрено 19 размеров: от 11 4 до 508 мм.

Трубы каждого размера изготовляют с различной толщи­ной стенок. Например, трубы диаметром 146 мм могут иметь толщину от 6,5 до 10,7 мм (6,5; 7; 7,7; 8,5; 9,5 и 10,7 мм). При этом наружный диаметр обсадных труб остается постоянным и варьирование толщиной стенки трубы достигается измене­нием ее внутреннего диаметра

Для изготовления труб используют углеродистые и легиро­ванные стали с различными механическими характеристиками (табл. 9.1).

Рекомендуемые материалы

Обсадные трубы обычно соединяются между собой с по­мощью муфт на резьбе. На каждом конце обсадной трубы в соответствии с ГОСТ 632 — 80 нарезают конусную треуголь­ную резьбу с углом при вершине 60^е или трапецеидальную резьбу; конусность 1 :  16.

По длине резьбы различают соединения с нормальной и удлиненной  резьбой. С удлиненной  резьбой выпускают тру-

бы номинальным диаметром от 11 4 до 245 мм. Соединение с удлиненной резьбой обладает более высокой прочностью по сравнению с нормальной. Муфты изготовляют из стали той же группы прочности, что и трубы; для труб диаметром бо­лее 245 мм они могут изготовляться из стали ближайшей группы с пониженными механическими свойствами.

Нарезка треугольной резьбы на концах трубы приводит к ее ослаблению. Снижение прочности трубы на растяжение составляет 30 — 45 % от ее прочности на участке без резьбы. Кроме того, по виткам резьбового соединения образуется непрерывный канал, который оказывает влияние на герме­тичность резьбового соединения.

Для повышения прочности резьбового соединения разра­ботана и применяется конусная трапецеидальная резьба. Ее используют в муфтовых трубах (рис. 9.4), выпускаемых под шифром ОТТМ1, ОТТГ1 и в безмуфтовых трубах типа ТБО-4 и ТБО-5. Различие в конструкции соединений труб ОТТМ1 и ОТТП состоит в том, что концы труб второго типа имеют уплотнительный поясок, который входит в плотный контакт с внутренней поверхностью муфты и таким образом обеспе­чивает повышение герметичности. Трапецеидальная резьба позволила повысить прочность соединения на 25 — 50 % по сравнению с соединениями с треугольной резьбой.

Рис. 9.4. Новые конструкции резьбовых соединений обсадных труб различ­ного типа:

а - ОТТМ1; б - ОТТП; в - ТБО-4; г - ТБО-5; 1  - обсадная труба; 2 -муфта; 3 — безмуфтовое соединение

          В процессе спуска в ствол скважины, цементирования и прочих работ в скважине [бурение нижерасполо­женного интервала, вызов притока, добыча нефти или газа и т.д.) обсадная колонна испытывает различные по величине и характеру нагрузки. Среди них можно выделить: продольные усилия растяжения от собственного веса; дополнительные продольные динамические нагрузки, возникающие в связи с изменением скорости спуска; осевые нагрузки от трения об­садной колонны о стенки скважины при ее спуске; продольные нагрузки сжатия в нижней части колонны от собствен­ного веса при разгрузке ее на забой или под действием окру­жающих пород при их осадке по мере выработки продук­тивного пласта; продольные нагрузки в колонне при бурении и эксплуатации вследствие продольных деформаций под воз­действием изменения температурного режима; наружное дав­ление на колонну со стороны массива горных пород и жид­кости, заполняющей затрубное пространство; нагрузки в ко­лонне от ее изгиба при спуске в искривленный ствол; внут­реннее давление при цементировании колонны, проверке ее герметичности, регулировании притока и т.д.

Сочетание различных нагрузок приводит к возникновению сложного напряженного состояния в материале обсадных труб. Если результирующее напряжение превосходит предел пластичности, то в трубе появляются необратимые деформа­ции, которые в итоге приводят к разрушению обсадной ко­лонны.

Так как невозможно учесть все многообразие нагрузок, действующих на обсадную колонну в стволе скважины, на основании экспериментальных исследований и практического опыта выделены три наиболее опасные нагрузки: нагрузка растяжения от собственного веса подвешенной в стволе сква­жины обсадной колонны, наружное избыточное давление (сминающая нагрузка), внутреннее избыточное давление.

Рассмотрим каждую из указанных нагрузок отдельно.

Нагрузка растяжения возникает под воздействием собст­венного веса обсадной колонны, возрастает по мере увеличе­ния глубины спуска колонны и достигает максимального зна­чения в верхнем сечении, когда вся обсадная колонна спуще­на в ствол скважины. В качестве расчетной нагрузки дя лю­бого сечения рассматривается вес труб, расположенных ниже этого сечения. Разгрузка колонны от действия выталкиваю­щих сил не учитывается.

Внешнее давление Источником внешнего давления на об­садную колонну могут быть гидростатическое давление про­мывочной жидкости, которая остается в затрубном простран­стве в незацементированной части; гидростатическое давление столба цементного раствора, прокачанного за колонну, до его полного схватывания; давление пластовых жидкостей (пласто­вое давление) в интервалах проницаемых пород; боковое дав­ление горных пород, склонных к пластическому течению и вспучиванию.

В незацементированной части обсадной колонны за внеш­нее (наружное)   р_н принимается статическое давление столба

промывочной жидкости, остающейся над цементом в затруб-ном пространстве:

, (9.3)

где р_ж — плотность промывочной жидкости, кг/м³; z — ко­ордината рассматриваемого сечения от поверхности, м.

К определению внешнего давления на обсадную колонну в зацементированной части существуют различные подходы. Одни специалисты (Е.М. Соловьев) предлагают его рассчиты­вать по статическому давлению воды, на которой приготов­лялся цементный раствор. По действующей инструкции внешнее давление на обсадную колонну рассчитывают по суммарному статическому давлению столба промывочной жидкости над цементом и давлению столба жидкости затво-рения цементного раствора в зацементированном интервале:

,                                                            {9.4)

где h — высота столба промывочной жидкости над цементом в затрубном пространстве, м; р _з— плотность жидкости за-творения, кг/м³, принимается р_з =   1100 кг/м³.

На зацементированном участке против зоны проницаемых пород за внешнее давление принимается пластовое, если оно превышает рассчитанное значение по приведенной выше формуле:

Так как в процессе бурения пластовое давление уравнове­шивается с некоторым избытком гидростатическим давлени­ем, при недостатке данных пластовое давление можно оцени­вать по гидростатическому давлению промывочной жидкости.

В интервале залегания пластичных, склонных к течению горных пород, за внешнее давление принимается полное гор­ное давление:

.                                                                                                      (9-6)

где р_гп — средняя плотность горных пород

Так как внутри обсадной колонны на разных этапах ра­бот существует различное давление, то действующее внешнее избыточное давление будет определяться как разность между наружным и внутренним давлениями:

.                                                                         (9-7)

где р_в — внутреннее давление.

За расчетное следует принимать внешнее избыточное дав­ление при наиболее неблагоприятном сочетании наружного и внутреннего давлений.

Действующей инструкцией определяется порядок расчета минимального внутреннего давления. В эксплуатационных га­зовых скважинах при определении внешнего избыточного давления внутреннее давление подсчитывают по наименьшему устьевому и забойному давлению на поздней стадии разра­ботки месторождения. В нефтяных скважинах внутреннее давление вычисляют с учетом снижения уровня жидкости в стволе на последней стадии эксплуатации.

Внутреннее давление. Высокое внутреннее давление возни­кает в обсадной колонне при нагнетании под давлением в скважину (продавка цементного раствора в затрубное прост­ранство, гидроразрыв пластов и т.д.) и притоке пластового флюида из горизонтов с АВПД Оно особенно опасно в газо­вых скважинах при эксплуатации месторождений с высоким пластовым давлением. С точки зрения действия избыточного внутреннего давления наиболее нагруженным оказывается верхнее [устьевое) сечение обсадной колонны. Внутреннее дав­ление имеет максимальное значение в период ввода скважины в действие.

Для этого этапа внутреннее давление вычисляют по следу­ющим формулам:

где р — плотность жидкости в колонне; в газовой скважине

                                                                             _9д.

где р — относительная плотность газа по воздуху; Н — рас­стояние от поверхности до середины газовой залежи, м; т — коэффициент с верх сжимаемости газа; Т_ср— средняя аб­солютная температура по стволу скважины, К.

Внутреннее давление в газовой скважине принимается по­стоянным по стволу и равным пластовому, если оно не пре­вышает 10 МПа при глубине скважины не более 1000 м или если при любой глубине скважины оно не свыше 4 МПа.

При испытании обсадных колонн на устье в колонне со­здается давление (р_ч>), на  10 % превышающее его максимальное ожидаемое значение. В этом случае распределение внут­реннего давления определяется из выражения

где р_оп — плотность жидкости, используемой при опрессовке колонны.

За расчетное избыточное внутреннее давление принимает­ся разность

Для облегчения расчетов распределение избыточных на­ружного и внутреннего давлений изображается графически на эпюрах давлений.

2. Принципы расчета обсадных колонн.

На обсадную колонну действуют различные по значению и ха­рактеру нагрузки:

1) растягивающие нагрузки от собственного веса;

2) сжимающие нагрузки от собственного веса, возникающие при раз­грузке колонны, установленной на забой, и при посадках;

3)динамические нагрузки, возникающие в период неустановившегося движения колонны в осевом направлении;

4) осевые нагрузки, обусловленные силами трения колонны о стенки скважины;

5) осевые нагрузки от избыточного давления и температуры при це­ментировании и эксплуатации;

6) наружное и внутреннее избыточные давления;

7) изгибающие нагрузки при искривлении колонны в результате поте­ри устойчивости и при работе в наклонных скважинах.

В зависимости от назначения колонны (промежуточная или эксплуата­ционная) также действуют нагрузки, характерные для колонны данного типа, например силы трения, возникающие при вращении бурильной ко­лонны в обсадной и приводящие в ряде случаев к протиранию  обсадной трубы.

Основные нагрузки для расчета — осевые растягивающие нагрузки, наружное и внутреннее избыточные давления.

3 Задача и способы цементирования скважин.

Разобщение пластов при существующей тех­нологии крепления скважин — завершающий и наиболее от­ветственный этап, от качества выполнения которого в значи­тельной степени зависит успешное строительство скважины. Под разобшением пластов понимается комплекс процессов и операций, проводимых для закачки тампонажного раствора в затрубное пространство |т.е. в пространство за обсадной ко­лонной) с целью создания там надежной изоляции в виде плотного материала, образующегося со временем в результа­те отвердения тампонажного раствора. Поскольку в качестве тампонажного наиболее широко применяется цементный раствор, то для обозначения работ по разобщению использу­ется термин "цементирование".

Цементный камень за обсадной колонной должен быть достаточно прочным и непроницаемым, иметь хорошее сцепление (адгезию) с поверхностью обсадных труб и со стенками ствола скважины. Высокие требования к цемент­ному камню обусловливаются многообразием его функций: плотное заполнение пространства между обсадной колон­ной и стенками ствола скважины; изоляция и разобщение продуктивных нефтегазоносных горизонтов и проницаемых пластов; предупреждение распространения нефти или газа в затрубном пространстве под влиянием высокого пластового давления; заякоривание обсадной колонны в массиве гор­ных пород; защита обсадной колонны от коррозионного воздействия пластовых вод и некоторая разгрузка от внеш­него давления.

Следует отметить, что роль и значение цементного камня остаются неизменными на протяжении всего срока использования скважины, поэтому к нему предъявляются требования высокой устойчивости против воздействия отрицательных факторов.

Цементирование включает пять основных видов работ: приготовление тампонажного раствора, закачку его в скважи­ну, подачу тампонажного раствора в затрубное пространство, ожидание затвердения закачанного материала и проверку ка­чества цементировочных работ. Оно проводится по заранее составленной программе, обоснованной техническим рас­четом.

Существует несколько способов цементирования. Они различаются схемой подачи тампонажного раствора в затрубное пространство и особенностями используемых приспо­соблений. Возможны два варианта подачи тампонажного рас­твора в затрубное пространство: раствор, закачанный внутрь цементируемой обсадной колонны, проходит по ней до баш­мака и затем поступает в затрубное пространство, распрост­раняясь снизу вверх {по аналогии с промывкой называется цементированием по прямой схеме); тампонажный раствор с поверхности подают в затрубное пространство, по которому он перемещается вниз (цементирование по обратной схеме).

В промышленных масштабах применяют способы цементи­рования по прямой схеме. Если через башмак обсадной ко­лонны в затрубное пространство продавливают весь тампонажный раствор, то способ называется одноступенчатым (од-ноцнкловым) цементированием. Если обсадная колонна на разных уровнях оснащена дополнительными приспособления­ми (заливочными  муфтами),   позволяющими  подавать тампо-иажиыи раствор в затрубиос пространство поинтервально на разной глубине, то способ цементирования называется много­ступенчатым (многоцикловым). Простейший и наиболее рас­пространенный способ многоступенчатого цементирования — цементирование в две ступени (двухступенчатое). Иногда воз­никает необходимость не допустить проникновения тампонажиого раствора в нижнюю часть обсадной колонны, распо­ложенную в интервале продуктивного пласта; тогда этот ин­тервал в затрубном пространстве изолируется манжетой, уста­новленной на обсадной колонне. Этот способ цементирования называется манжетным. Выделяются также способы цементи­рования потайных колонн и секций, поскольку тампонажный раствор в этом случае закачивают по бурильной колонне, на которой спускают секцию или потайную колонну.

В мелких скважинах (например, структурных),  которые заведомо не вскрывают продуктивных залежей и интервалов с высоким пластовым давлением, затрубное пространство можно изолировать тампонированием нижней части обсад­ной колонны глиной. Тампонирование выполняется по более простой технологии, чем цементирование, и обеспечивает лишь временную и  довольно слабую изоляцию.

Тампонирование обсадной колонны в скважине может осуществляться задавливанием обсадной колонны на глубину до 0,8—1,2 м в пласт глины мощностью не менее 2,5 — 3,0 м; по способу с нижней пробкой, когда глину в виде шариков предварительно забрасывают на забой, а затем продавливают в затрубное пространство обсадной колонной, нижний конец которой перекрыт пробкой; по способу с верхней пробкой в нижнюю трубу набивают глину, над ней помещают пробку, с помощью которой вблизи забоя глину выпрессовывают под действием нагнетаемой с поверхности жидкости.

Преимущество метода тампонирования глиной состоит в том, что после завершения всех работ в скважине обсадная колонна может быть освобождена и извлечена для последую­щего использования.

Технология цементирования складывалась на основе многолетнего практического опыта и совершенствова­лась с использованием достижений науки и техники. На со­временном уровне она включает систему отработанных норм и правил выполнения цементировочных работ, а также типо­вые схемы организации процесса цементирования. В каждом конкретном случае технологию цементирования уточняют в зависимости от конструкции и состояния ствола скважины, протяженности цементируемого интервала, горно-геологических условий, уровня оснащенности техническими средства­ми и опыта проведения цементировочных работ в данном районе.

Применяемая технология должна обеспечить: цементирова­ние предусмотренного интервала по всей его протяженности; полное замещение промывочной жидкости тампонажным рас­твором в пределах цементируемого интервала; предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости; получение цементного камня с необходимыми ме­ханическими свойствами, с высокой стойкостью и низкой проницаемостью; обеспечение хорошего сцепления цементно­го камня с обсадной колонной и стенками скважины.

При разработке технологии цементирования для конкрет­ных условий прежде всего подбирают способ. Он должен обеспечить подъем тампонажного раствора на заданную высоту, заполнение им всего предусмотренного интервала ,а ес­ли есть необходимость, то и защиту некоторого интервала от проникновения тампонажного раствора), предохранение тампонажного раствора от попадания в него промывочной жидкости при движении по обсадной колонне.

Исследованиями установлено, что наиболее полное заме­щение промывочной жидкости происходит при турбулент­ном режиме (98 %), худшие показатели (42 %) получают при структурном режиме. Для наиболее полного замещения про­мывочной жидкости рекомендуется ряд мероприятий:

тщательное регулирование реологических свойств промы­вочной жидкости, заполняющей скважину перед цементиро­ванием, с целью снижения вязкости и статического напряже­ния сдвига до минимально допустимых значений;

нагнетание тампонажного раствора в затрубное простран­ство со скоростями течения, обеспечивающими турбулент­ный режим;

применение соответствующих буферных жидкостей на разделе промывочной жидкости и тампонажного раствора;

расхаживание или вращение обсадной колонны при пода­че тампонажного раствора в затрубное пространство;

применение полного комплекса технологической оснастки обсадной колонны.

При разработке технологии подбирают тампонажный материал, рецептуру и свойства тампонажного раствора, определяют режим закачки и продавливания тампонажного раствора, суммар1гую продолжительность цементировочных работ и промежуток времени, необходимый для формиро­вания в затрубном пространстве цементного камня с доста­точной прочностью, позволяющей возобновить работы в скважине.

Цементирование обсадной колонны можно представить как цепочку ряда процессов и операций: подготовка ствола скважины к цементированию; цементирование затрубного пространства (приготовление и закачка тампонажного раствора в скважину, продавливание цементного раствора в затрубное пространство); ожидание затвердения цемента |ОЗЦ): при цементировании кондуктора ОЗЦ обычно длится 5—8 ч, при цементировании промежуточных и эксплуата­ционных колонн — от 1 до 24 ч; проведение контрольных замеров для определения качества  цементирования,   испытание обсадной колонны на герметичность, разбуривание цементного стакана в колонне, проверка герметичности изо­ляции затрубного пространства.

Контрольные вопросы:

1.  Когда возникает нагрузка растяжения?

2. Что такое внутренние и внешнее давление?

3. Расскажите технологию цементирования?

Литература

1. Аскеров М.М., Сулейманов А.Б. Ремонт скважин: Справ, пособие. — : Недра, 1993.

Ещё посмотрите лекцию "Новая политика цинского двора" по этой теме.

2. Броун СИ. Нефть, газ и эргономика. — М: Недра, 1988.

3. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению: В 3 т.: 2-е изд., перераб. и доп. - М: Недра, 1993-1995. - Т. 1-3.

4.Булатов А.И. Формирование и работа цементного камня в скважи­на, Недра, 1990.

5.Варламов П.С Испытатели пластов многоциклового действия. — М: Недра, 1982.

6. Геолого-технологические исследования скважин / Л.М. Чекалин, А.С. Моисеенко, А.Ф. Шакиров и др. — М: Недра, 1993.

7.Геолого-технологические исследования в процессе бурения. РД 39-0147716-102-87. ВНИИпромгеофизика, 1987.