Что понимают под конструкцией скважины
Билет 16. 1. Понятие скважины, конструкция
1. Понятие скважины, конструкция. Показатели механических свойств горной породы, основные физико- химические свойства нефти и газа.
Скважиной называется цилиндрическая горная выработка, которая строится без доступа человека к забою и имеющая диаметр во много раз меньше длины.
Скважины предназначены для поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений.
Крепление ствола скважины и разобщение пластов производится путем спуска стальных труб, называемых обсадными,а все спущенные трубы представляют собой обсадную колонну.
Для исключения перетоков различных флюидов из пласта в пласт кольцевое пространство между стенкой скважины и спущенной в нее обсадной колонной заполняется тампонирующим материалом с инертными и активными наполнителями, с химическими реагентами с помощью насосов.
Под конструкцией скважины понимается совокупность данных о числе обсадных колонн, их диаметрах и длине, диаметрах ствола скважины под каждую колонну, интервалах цементирования, а также о способах соединения скважины с продуктивным пластом.
В скважину спускают обсадные колонны особого назначения. Это направление, кондуктор, промежуточные колонны, эксплуатационная колонна.
Направление спускается в скважину для создания направления стволу скважины, для предупреждения размыва и обрушения горных пород со стенок скважины и для соединения ствола скважины с желобами очистной системы. Направление цементируется на всю длину. Длина направления колеблется от нескольких метров до сотни метров в зависимости от разреза горных пород и условий бурения (море, болото, илистые рыхлые грунты и т. д.).
Кондуктором перекрывают верхнюю часть геологического разреза неустойчивых пород, пласты, насыщенные водой и другими флюидами, поглощающие промывочную жидкость или проявляющие, подающие пластовые флюиды на поверхность. Кондуктором обязательно перекрываются все пласты пресной воды. На кондуктор устанавливается противовыбросовое оборудование, на устье кондуктор служит также опорой для подвески очередных колонн.
Эксплуатационная колонна спускается в скважину для извлечения нефти, газа или для нагнетания в продуктивный горизонт воды или газа с целью поддержания пластового давления.
Промежуточные колонны спускаются в том случае, если невозможно бурение без предварительного разобщения зон осложнений (проявления, поглощения, обвалы). Промежуточные колонны могут быть сплошными, т е. их спускают от устья до забоя и не сплошные, так называемые хвостовики.
При большой интенсивности искривления скважины называют искривленными.
При отклонении от вертикали на 90о скважины называются горизонтальными.
Физико-механические свойства горных пород необходимо знать и учитывать при строительстве скважин нефтяных шахт, хранилищ газа в истощенных нефтяных и газовых пластах размываемых полостях.
Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на процесс их разрушения являются упругость и пластичность, прочность, твердость, абразивность и сплошность.
Упругие свойства горных пород проявляются только в пределах упругой зоны, т.е. при нагрузках, после снятия которых порода возвращается в исходное состояние. Пластические свойства пород возникают при нагрузках, превышающих предела упругости породы, после снятия которых порода уже не полностью восстанавливают исходную форму и размеры.
Важной характеристикой горных пород является их прочность при различных видах деформации.
Способность твердого тела оказывать сопротивление разрушению от внешнего воздействия (механического, теплового и др.) называется его прочностью.
Достаточно плотные горные породы (типа сцементированных песчаников), например, при сжатии подвержены упругим деформациям. Однако при значительных напряжений сжатия (более 40-50 МПа) возникают необратимые пластические деформации, а затем наступает разрушение материала. Значения напряжения, при котором наступает разрушение породы при действии определенного вида внешних сил, называют пределом прочности.
Твердость горных пород.Под твердостью горной породы понимается ее способность оказывать сопротивление проникновению в нее (внедрению) породоразрушающего инструмента.
Сплошность горных пород.Данные понятие предложено для оценки структурного состояния горных пород и их способности передачи внутри породы воздействия, например давления внешней жидкости и газовой среды. Степень пригодности для такого воздействия определяется внутриструктурными нарушениями в породе (трещины, поры, поверхности рыхлого контакта зерен).
2. Вязкость. Вязкостью жидкости называется ее способность оказывать сопротивление действующей силе. Единицей измерения вязкости в системе СИ является миллипаскаль в секунду – мПа·с. Чем больше в нефтях ароматических и нафтеновых циклов, тем выше ее вязкость. При нормальном давлении с повышением температуры вязкость нефти уменьшается, а вязкость газов возрастает. Вязкость воды составляет 1 мПа·с, нефти – от 1 до 25 мПа·с.
3. Текучесть – величина обратная вязкости. Чем меньше вязкость, тем больше текучесть.
4. Температура кипения. Чем больше атомов углерода входит в состав молекул, тем выше температура кипения углеводородов. Легкие нефти закипают раньше, чем тяжелые.
6. Теплота сгорания – количество теплоты выделяющееся при сгорании 1 кг. топлива. Для угля она составляет 33600 Дж/кг, для нефти – 43250-45500 Дж/кг, для газа – 37700-56600 Дж/кг.
7. Цвет нефти изменяется в широких пределах от бесцветного, светло-желтого, желтого до темно-коричневого и черного. Некоторые нефти при дневном освещении имеют зеленоватый и синеватый оттенки.
8. Электропроводимость. Нефти являются диэлектриками, т.е. не проводят электрический ток.
10. Давление насыщения. В природных условиях нефти не всегда полностью насыщены газом. Давление (при постоянной температуре), при котором из нефти начинает выделяться растворенный в ней газ в свободную фазу, называется давлением насыщения.
12. Газонасыщенность (газовый фактор) нефти определяется количеством газа, растворенного в нефти в условиях залежи. Измеряется в м 3 на 1 м 3 нефти.
2. Типы станков- качалок, технические характеристики, наименование основных узлов и компонентов. Основные причины неисправностей в работе СК.
Стандартом 1966 г. было предусмотрено 20 типоразмеров станков-качалок (СК) грузоподьемностью от 1,5 до 20 т. Типовая конструкция СК представлена на рис. 4.51. Впервые в стране был начат выпуск приводов, в которых редуктор был поднят и установлен на подставке.
Рис. 4.51. Схема станка-качалки типа СКД с редуктором на раме и кривошипным уравновешиванием
МАТЕРИКОВАЯ ДОБЫЧА НЕФТИ
ПОДГОТОВКА СКВАЖИН К ЭКСПЛУАТАЦИИ
Понятие конструкции скважины
— это совокупность элементов крепи горной выработки с поперечными размерами, несоизмеримо малыми по сравнению с ее глубиной и протяженностью, обеспечивающая при современном техническом и технологическом вооружении безаварийное, с учетом охраны недр, экономичное строительство герметичного пространственно устойчивого канала между флюидонасыщенными пластами и остальной частью вскрытого геологического разреза, а также дневной поверхностью, эксплуатирующегося в заданных режимах и времени в зависимости от назначения: изучение геологического разреза, разведка и оценка газонефтеносности отложений, добыча продукции, поддержание пластовых давлений, наблюдение за режимом эксплуатации месторождения и др.
В газонефтяной отрасли нет также единого методического подхода к оценке качества проектирования и строительства скважин, в том числе их конструкции.
Основные элементы скважины
— это дно ствола скважины.
— это горная выработка, внутри которой располагаются обсадные колонны и производится углубление скважины.
— 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.
— 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 скважины.
Обсадные колонны
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.
— 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.
— 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:
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.
— 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.
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.
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:
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».
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:
Кроме перечисленных, конструкция скважины должна удовлетворять определенным технологическим требованиям, основными из которых являются:
Разработка конструкции скважины
Основные параметры конструкций скважины: число и диаметр обсадных колонн, глубина их спуска, диаметр долот, которые необходимы для бурения под каждую обсадную колонну, а также высота подъема и качество тампонажного раствора за ними, обеспечение полноты вытеснения бурового раствора.
Разработка конструкции скважины базируется на следующих основных геологических и технико-экономических факторах:
К объективным геологическим факторам относят предполагаемую и фактическую литологию, стратиграфию и тектонику разреза, мощность пород с различными проницаемостью, прочностью, пористостью, наличие флюидосодержащих пород и пластовые давления.
Геологическое строение разреза горных пород при проектировании конструкции скважин учитывают как неизменный фактор.
В процессе разработки залежи ее начальные пластовые характеристики будут изменяться, так как на пластовые давления и температуру влияют продолжительность эксплуатации, темпы отбора флюидов, способы интенсификации добычи и поддержания пластовых давлений, использование новых видов воздействия на продуктивные горизонты в целях более полного извлечения нефти и газа из недр, поэтому эти факторы необходимо учитывать при проектировании конструкции скважин.
Конструкция скважин должна отвечать условиям охраны окружающей среды и исключать возможное загрязнение пластовых вод и межпластовые перетоки флюидов не только при бурении и эксплуатации, но и после окончания работ и ликвидации скважины. В связи с этим необходимо обеспечивать условия для качественного и эффективного разобщения пластов. Это один из главнейших факторов.
Таким образом, принципы проектирования конструкций скважин прежде всего должны определяться геологическими факторами.
Простая конструкция (кондуктор и эксплуатационная колонна) не во всех случаях рациональна. В первую очередь это относится к глубоким скважинам (4000 м и более), вскрывающим комплекс разнообразных отложений, в которых возникают различные, иногда диаметрально противоположные по характеру и природе осложнения.
Следовательно, рациональной можно назвать такую конструкцию, которая соответствует геологическим условиям бурения, учитывает назначение скважины и другие, отмеченные выше, факторы и создает условия для бурения интервалов между креплениями в наиболее сжатые сроки. Последнее условие является принципиальным, так как практика буровых работ четко подтверждает, что чем меньше времени затрачивается на бурение интервала ствола между креплениями, тем меньше число и тяжесть возникающих осложнений и ниже стоимость проводки скважины.
Конструкция скважины
Элементы, входящие в понятие конструкции скважины
Конструкция скважины зависит от целей, геологических условий, глубины, техники бурения, метода разработки месторождения и других факторов.
Определяется глубиной начального и конечного диаметра бурения, числом, Ø и длиной спущенных обсадных колонн, толщиной их стенок, Ø различных участков ствола, углом наклона скважины или отклонением ее от вертикали.
Интервал бурения – это часть траектории скважины, сооруженная с помощью долота одного диаметра и преимущественно с применением одной запроектированной технологии бурения.
Интервал цементирования – это интервал, в котором цементируется конкретная обсадная колонна.
Обсадные колонны могут цементироваться до устья (в основном, направление и кондуктор) и «внахлест» с предыдущей (обычно, технические и эксплуатационные).
Для нефтяных скважин величина перекрытия предыдущей колонны – 150 м, для газовых скважин – 500 м.
Обсадные колонны разведочных скважин цементируются обычно на всю длину.
Устье скважины – верхняя, приповерхностная, часть скважины.
Забой скважины – самая нижняя часть скважины, «дно».
Стенки скважины – боковая часть цилиндрической основы скважины.
Продуктивный горизонт – пласт в разрезе, в котором находятся природные ресурсы.
Зона перфорации – часть обсадной колонны в интервале продуктивного пласта, в которой делаются отверстия для эксплуатации.
КОНТРОЛЬНЫЕ ТЕСТЫ. 1. Под конструкцией скважины понимают:
1. Под конструкцией скважины понимают:
а) устройство для ликвидации поглощений промывочной жидкости;
б) совокупность данных об изменении ее диаметра с глубиной, о количестве и глубинах спуска обсадных колонн и т. д.
в) основные параметры режима бурения;
г) сложный процесс, при котором выполняется ряд операций или работ, как правило, с использованием комплекса машин.
2. При выборе конструкции скважин необходимо стремиться:
а) к составлению наиболее простых конструкций;
б) обеспечить возможность бурения на большие глубины, с высокими частотами;
в) изучить режимы бурения скважин;
г) повысить эффективность бурения за счет снижения гидравлических потерь и эрозионного воздействия на стенки скважин и т. д.
3. Конечный диаметр скважины выбирают исходя:
а) из условий, благоприятных для использования среднечастотных гидроударных машин;
б) от степени защиты керна от износа;
в) от вида полезного ископаемого, веса пробы, исследовательских работ по окончании бурения и т. д.
г) из конструкции колонкового снаряда.
4. Первая труба или колонна труб, которая служит для укрепления пород в начальных интервалах бурения, называется:
а) кондуктором;
б) трубой под направление;
в) универсальным тампонажным снарядом типа УТС-2М;
г) ловушкой секторов матриц.
5. При проектировании конструкции скважин необходимо учитывать:
а) расход промывочной жидкости;
б) температуру промывочной среды;
в) целевое назначение и проектную глубину, размеры применяемых обсадных труб и т. д.;
г) размеры водоподъемного устройства и место его расположения в стволе.
6. Колонна труб, спускаемая в скважину после трубы под направление и служащая для укрепления неустойчивых пород, называется:
б) кондуктором;
в) фильтровой колонной;
г) колонковой трубой.
7. При бурении скважины диаметром 112 мм диаметр обсадной трубы (трубы под направление) составит:
в) 108 мм; г) 57мм; д) 73 мм.
8. Рекомендуемый диаметр скважин при бурении пегматитовых редкометальных руд составляет:
а) 36 мм; б) 59 мм; в) 93мм;
9. Глубина геолого- разведочных скважин определяется:
а) применяемой геофизической аппаратурой;
б) глубиной залегания почвы тела полезного ископаемого;
в) физико-географическими условиями района работ;
г) геологическим заданием.
10. При бурении скважин на уголь рекомендуется конечный диаметр:
а) 59 мм; б) 112 мм; в) 46 мм;
г) 76 мм; д) 93 мм.
Скважина. Этапы строительства, виды, назначение
Скважина – вертикально или наклонная горная выработка круглого сечения небольшого диаметра (75 – 350мм) глубиной от 100 – 150 до 5000 – 8000м и боле
Конструкция скважины должна отвечать следующим требованиям:
предоставлять возможность свободного доступа к забою геофизических приборов и глубинного оборудования;
не допускать обрушения стенок ствола;
обеспечивать надежное разделение друг от друга всех проходимых пластов и не допускать перетекания флюидов из пласта в пласт;
давать возможность герметизировать устье в случае нештатных ситуаций.
Этапы строительства скважин:
Скважины могут быть по направленности:
Категории скважин, которые бурят с целью извлечения нефти, газа или воды из недр, а так же с целью поиска, разведки, выявления нефтегазоносных структур и т.д:
— для выявления продуктивных объектов;
— для оконтуривания уже разрабатываемых нефтяных и газоносных пластов;
Скважины по количеству стволов могут быть:
многоствольные, которые имеют более 2 стволов и точка разветвления расположена выше уровня продуктивного горизонта;
многозабойные, которые имеют более 2 стволов и точка разветвления расположена в пределах продуктивного горизонта;
кустовые скважины, устья которых находятся близко друг к другу и несколько стволов расходятся под разными углами и на разную глубину.
По глубине скважины делятся:
По дебиту скважины делятся:
Различают 3 основных способа добычи нефти: