Ответ на вопрос: «Последовательность проектирования конструкции скважины. Какие факторы и как учитывают при проектировании?»
Под конструкцией скважины понимается совокупность данных о диаметрах и глубинах спуска обсадных колонн, которыми крепится скважина, о диаметрах долот для бурения под эти колонны, интервалы подъема тампонирующего раствора за обсадными колоннами, интервалы перфорации эксплуатационной колонны.
Первая колонна, спускаемая в скважину, называется направлением и служит для соединения скважины с системой очистки и для предупреждения размыва и обрушения горных пород вокруг устья. Направление имеет глубину спуска от нескольких метров до десятков метров. При бурении в водных акваториях в качестве направления используют специальную водоотделительную колонну, называемую райзер.
Следующая колонна называется кондуктор, и он должен обеспечить перекрытие верхней части геологического разреза (100—400 м), сложенного неустойчивыми породами. Кондуктором обязательно перекрывают все пласты, насыщенные пресной водой, исключая тем самым их загрязнение. Кондуктор служит также для установки
противовыбросового устьевого оборудования (превенторов и др.) и подвески последующих обсадных колонн. Для надежной изоляции верхних вод, придания достаточной прочности и устойчивости он цементируется по всей длине. При бурении наклонно направленных скважин кондуктор должен предупреждать протирание стенок ствола, желобообразование при длительных спускоподъемных операциях и вращении бурильной колонны.
Последняя обсадная колонна, спускаемая в скважину, называется эксплуатационной. Она соответственно имеет наименьший диаметр из всех колонн и наибольшую глубину спуска и служит герметичным каналом для соединения продуктивного пласта с устьем скважины и извлечения пластовых флюидов. Для сообщения продуктивного пласта с внутренней полостью эксплуатационной колонны она перфорируется.
Часто башмак эксплуатационной колонны устанавливается ниже подошвы продуктивного пласта с тем, чтобы после перфорации ниже подошвы пласта осталось достаточно высоты для образования зумпфа для сбора песка и глинистых материалов, поступающих из пласта вместе с нефтью. Зумпф может выполнять и другие функции, необходимые при перфорации и эксплуатации скважин.
Между эксплуатационной колонной и кондуктором могут устанавливаться другие обсадные колонны, называемые промежуточными и предназначенные для ликвидации и предупреждения осложнений, возникающих при углублении скважины. Промежуточные колонны могут быть сплошными (доходящими до устья) и потайными (не доходящими до устья). Последние, в свою очередь, делятся на хвостовики (входящие верхней частью внутрь предыдущей колонны) и летучки (не входящие внутрь предыдущей колонны и закрепляемые на стенках скважины цементным камнем). К потайным промежуточным колоннам могут быть отнесены и широко применяемые в последнее время профильные перекрыватели.
Спуск промежуточных дорогостоящих обсадных колонн следует рассматривать как крайнюю меру, поскольку, кроме повышения стоимости скважины за счет высокой стоимости обсадных труб, он требует бурения скважин с большим диаметром.
Конструкция скважины зависит от назначения скважины, геологических факторов (тектоники, литологии, пластовых давлений), профиля скважины, способа эксплуатации, вида добывающего флюида.
Скважина является долговременным капитальным сооружением. Поэтому ее конструкция должна быть прочной, обеспечивающей герметичное разобщение всех проницаемых пород, вскрытых при бурении, безусловную возможность достижения проектной глубины и решения геологических и других исследовательских 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 скважины должна быть экономичной.
Спроектировать конструкцию скважины — это значит определить необходимое для условий данного конкретного участка месторождения число обсадных колонн, размеры этих колонн (диаметр, глубину установки нижнего конца и длину каждой), 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. За окончательный нужно принимать наиболее экономичный, т.е. тот, который позволяет обеспечить выполнение поставленных перед скважиной задач при минимуме затрат на разведку (в случае поисково-разведочных скважин) или на разработку (для эксплуатационных, нагнетательных, наблюдательных скважин) месторождения или, по крайней мере, при минимальной себестоимости единицы добываемой продукции.
Конструкция скважины определяется заданием заказчика (добывающей организации) и геологическими условиями района работ. Обоснование конструкции проводится в два этапа. На первом этапе выбирается метод вхождения в пласт, число обсадных колонн и глубины их спуска. На втором — размеры колонн, диаметры долот, интервалы цементирования.
Число обсадных колонн и возможные глубины их спуска зависят от числа интервалов, несовместимых по условиям бурения. Для этого строят график совмещенных давлений в координатах глубина (Н) и индексы (градиенты) давления. При этом используют характеристики пластового (порового) давления, давления поглощения или гидроразрыва пластов.
Давления для скважин, бурящихся на разведанных площадях, берутся на основе данных ранее пробуренных скважин. По новым площадям данные могут браться по аналогии с другими месторождениями. Кроме этого, при построении графика совмещенных давлений учитывают устойчивость горных пород. После построения графика совмещенных давлений определяют плотности промывочной жидкости по интервалам, выделяя зоны с несовместимыми условиями бурения. Как правило, границы с несовместимыми условиями бурения соответствуют глубинам спуска обсадных колонн. Затем определяют глубины спуска направлений и кондуктора. При этом обязательно учитывают литологию разреза и глубину залегания пресноводного комплекса и многолетнемерзлых пород.
На следующем этапе определяют способ вхождения в продуктивную залежь и конструкцию забоя. От этого зависят глубины спуска эксплуатационной и промежуточной колонн, а также их диаметры. После этого, в зависимости от вида промывочной жидкости, от уровня используемой техники и технологии, позволяющих допустить определенную степень риска и преодолеть некоторые осложнения, уточняют число обсадных колонн.
При выборе числа обсадных колонн необходимо учитывать устойчивость горных пород и необходимость перекрытия многолетнемерзлых пород. Важно помнить о наличии флюидов, агрессивных по отношению к промывочным жидкостям, обсадным трубам и тампонажным материалам. В случае проектирования поисково-разведочных скважин желательно предусмотреть возможность спуска резервной обсадной колонны.
Далее уточняется глубина спуска обсадных колонн, на которых устанавливается противовыбросовое оборудование. Глубина спуска колонны должна быть такой, чтобы на любом участке открытого ствола скважины давление в скважине было меньше, чем давление поглощения (гидроразрыва) пластов в этом же интервале с 10% запасом.
Диаметр эксплуатационной колонны зависит от способа эксплуатации, вида флюида и т.д. По нему определяют диаметр долота для бурения скважины под нее. При этом зазор между стенкой скважины и муфтой обсадной трубы принимается равным 5—45 мм в зависимости от диаметра обсадной колонны, глубины скважины и интенсивности искривления.
С увеличением диаметра обсадной колонны увеличивается ее жесткость, и при резких перегибах ствола скважины ухудшается проходимость колонны в скважине и могут возникнуть осложнения при ее спуске. С увеличением глубины скважины, как правило, возрастает длина открытого ствола скважины (выход из-под башмака предыдущей колонны), увеличивающая вероятность осложнений при спуске колонны из-за фильтрационной корки на стенках скважины и возможности прихватов и др.
В наклонных скважинах зазоры должны быть увеличены. Если участок ствола скважины представлен недостаточно устойчивыми породами, склонными к выпучиванию, зазор между обсадной колонной и стенкой также необходимо увеличивать. Полученные расчетом диаметры долот приводят к стандартному размеру. Далее определяется диаметр промежуточной колонны, который должен быть таким, чтобы через колонну можно было спустить долото для бурения под следующую колонну.
Между долотом и стенкой обсадной трубы должен быть некоторый зазор равный 5-10 мм, позволяющий исключить повреждение обсадных труб при спускоподъемных операциях. Полученное значение диаметра колонны приводят к стандартному с учетом возможной толщины стенки трубы промежуточной колонны.
По приведенной схеме определяется диаметр долот для бурения под промежуточную колонну, диаметр труб кондуктора, диаметр долот для бурения под кондуктор, диаметр труб направления и диаметр долот для бурения под направление.
В процессе проектирования конструкции скважины рассматривается возможность ее упрощения за счет замены некоторых сплошных колонн потайными, использованием сменных колонн, а также возможность последующего извлечения обсадных колонн.
Интервалы цементирования обсадных колонн определяются в соответствии с правилами безопасности в нефтяной и газовой промышленности. Направление и кондукторы во всех скважинах должны быть зацементированы до устья. Обязательному цементированию подлежат:
продуктивные горизонты, кроме запроектированных к эксплуатации открытым забоем;
продуктивные горизонты, не подлежащие эксплуатации, в том числе с непромышленными запасами;
истощенные горизонты;
горизонты техногенных залежей нефти и газа;
интервалы, сложенные пластичными породами, склонными к деформации;
интервалы, породы которых или продукты их насыщения способны вызывать ускоренную коррозию обсадных труб.
Высота подъема цемента над кровлей продуктивных горизонтов, а также муфт ступенчатого цементирования должна составлять в нефтяных скважинах не менее 150—300 м, в газовых — не менее 500 м.