Ответ на вопрос: «Особенности конструкций и профилей морских наклонно направленных и горизонтальных скважин».
Рис. 1. Классификация морских нефтегазопромысловых инженерных сооружений.
Технология бурения морских нефтяных и газовых скважин в основном не отличается от бурения скважин на суше. Вместе с тем бурение скважин с буровых установок, находящихся на плаву (самоподъемных плавучих буровых установок, буровых судов, полупогружных плавучих установок) во время проводки скважины, имеет некоторые особенности.
Буровое судно во время бурения перемещается относительно подводного противовыбросового устьевого оборудования, размещенного над устьем бурящейся скважины и закрепленного на морском дне.
Для компенсации вертикальных перемещений бурильной колонны между талевым блоком и крюком устанавливается специальное устройство — компенсатор вертикальных перемещений. Горизонтальные перемещения судна компенсируются специальным устройством — водоотделяющей колонной (стояком), устанавливаемым между подводным противовыбросовым оборудованием и палубой установки.
Буровая вышка испытывает дополнительные динамические нагрузки, возникающие во время качки, как при бурении, так и при переходе с оконченной бурением скважины на новую точку.
Циркуляционная система промывки скважины, очистки и приготовления бурового раствора выполняется закрытой и замкнутой, так как применение открытой желобной системы из-за качки затруднено.
При бурении морских нефтяных и газовых скважин, как правило, применяют комплекс механизмов для механизации и частичной автоматизации спускоподьемных операций.
Особенность работы механизмов АСП на буровых установках, находящихся на плаву, прежде всего связана с качкой плавучего бурового средства.
В практике бурения скважин на море широко применяются комплексы подводного устьевого оборудования, устанавливаемые на морском дне. Наличие комплекса устьевого оборудования позволяет смешаться плавучим средствам от центра скважины, а установленное на морском дне оборудование меньше подвержено механическим повреждениям.
Комплекс подводного устьевого оборудования (ПУО) предназначен: для направления в скважину бурильного инструмента, обеспечения замкнутой циркуляции бурового раствора, управления скважиной при бурении и др.; наземного закрытия бурящейся скважины в целях предупреждения возможного выброса из скважины при аварийных ситуациях или отсоединении буровой установки в случае больших волнений моря.
Ответ на вопрос: «Установка цементных мостов. Особенности выбора рецептуры и приготовления тампонажного раствора для установки мостов».
Одна из серьезных разновидностей технологии процесса цементирования — установка цементных мостов различного назначения. Повышение качества цементных мостов и эффективности их работы — неотъемлемая часть совершенствования процессов бурения, заканчивания и эксплуатации скважин.
Качеством мостов, их долговечностью определяется также надежность охраны недр окружающей среды. Вместе с тем промысловые данные свидетельствуют, что часто отмечаются случаи установки низкопрочных и негерметичных мостов, преждевременного схватывания цементного раствора, прихвата колонных труб и т.д.
Эти осложнения обусловлены не только и не столько свойствами применяемых тампонажных материалов, сколько спецификой самих работ при установке мостов.
В глубоких высокотемпературных скважинах при проведении указанных работ довольно часто происходят аварии, связанные с интенсивным загустеванием и схватыванием смеси глинистого и цементного растворов.
В некоторых случаях мосты оказываются негерметичными или недостаточно прочными. Успешная установка мостов зависит от многих природных и технических факторов, обусловливающих особенности формирования цементного камня, а также контакт и «сцепление» его с горными породами и металлом труб. Поэтому оценка несущей способности моста как инженерного сооружения и изучение условий, существующих в скважине, обязательны при проведении этих работ.
Цель установки мостов — получение устойчивого водогазонефтенепроницаемого стакана цементного камня определенной прочности для перехода на вышележащий горизонт, забуривания нового ствола, укрепления неустойчивой и кавернозной части ствола скважины, опробования горизонта с помощью испытателя пластов, капитального ремонта и консервации или ликвидации скважин.
По характеру действующих нагрузок можно выделить две категории мостов: 1) испытывающих давление жидкости или газа и 2) испытывающих нагрузку от веса инструмента во время забуривания второго ствола, применения испытателя пластов или в других случаях (мосты, этой категории, должны помимо газоводонепроницаемости обладать весьма высокой механической прочностью).
Анализ промысловых данных показывает, что на мосты могут создаваться давления до 85 МПа, осевые нагрузки до 2100 кН и возникают напряжения сдвига на 1 м длины моста до 30 МПа. Такие значительные нагрузки возникают при опробовании скважин с помощью испытателей пластов и при других видах работ.
Несущая способность цементных мостов в значительной мере зависит от их высоты, наличия (или отсутствия) и состояния глинистой корки или остатков бурового раствора на колонне. При удалении рыхлой части глинистой корки напряжение сдвига составляет 0,15-0,2 МПа. В этом случае даже при возникновении максимальных нагрузок достаточна высота моста 18-25 м.
Наличие на стенках колонны слоя бурового (глинистого) раствора толщиной 1-2 мм приводит к уменьшению напряжения сдвига и к увеличению необходимой высоты до 180-250 м. В связи с этим высоту моста следует рассчитывать по формуле (1)
где Н0 — глубина установки нижней части моста; Qм — осевая нагрузка на мост, обусловливаемая перепадом давления и разгрузкой колонны труб или испытателя пластов; Dс — диаметр скважины; [τм] — удельная несущая способность моста, значения которой определяются как адгезионными свойствами тампонажного материала, так и способом установки моста.
Герметичность моста также зависит от его высоты и состояния поверхности контакта, так как давление, при котором происходит прорыв воды, прямо пропорционально длине и обратно пропорционально толщине корки. При наличии между обсадной колонной и цементным камнем глинистой корки с напряжением сдвига 6,8-4,6 МПа, толщиной 3-12 мм градиент давления прорыва воды составляет соответственно 1,8 и 0,6 МПа на 1 м. При отсутствии корки прорыв воды происходит при градиенте давления более 7,0 МПа на 1 м.
Следовательно, герметичность моста в значительной мере зависит также от условий и способа его установки. В связи с этим высоту цементного моста следует также определять и из выражения (2)
где pм — максимальная величина перепада давлений, действующего на мост при его эксплуатации; [∆р] — допустимый градиент давления прорыва флюида по зоне контакта моста со стенкой скважины; эту величину также определяют в основном в зависимости от способа установки моста, от применяемых тампонажных материалов.
Из значений высоты цементных мостов, определенных по формулам (1) и (2), выбирают большее. Ориентировочные значения [τм], [∆р] при установке мостов через заливочную колонну с применением раствора из портландцемента в зависимости от технологии установки приведены в таблице
Установка моста имеет много общего с процессом цементирования колонн и обладает особенностями, которые сводятся к следующему:
используется малое количество тампонажных материалов;
нижняя часть заливочных труб ничем не оборудуется, стоп-кольцо не устанавливается;
не применяются резиновые разделительные пробки;
во многих случаях производится обратная промывка скважин для «срезки» кровли моста;
мост ничем не ограничен снизу и может растекаться под действием разности плотностей цементного и бурового растворов.
Установка моста — простая по замыслу и способу проведения операция, которая в глубоких скважинах существенно осложняется под действием таких факторов, как температура, давление, газоводонефтепроявления и др.
Немаловажное значение имеют также длина, диаметр и конфигурация заливочных труб, реологические свойства цементного и бурового растворов, чистота ствола скважины и режимы движения нисходящего и восходящего потоков. На установку моста в не обсаженной части скважины значительное влияние оказывает кавернозность ствола.
Цементные мосты должны быть достаточно прочными. Практика работ показывает, что если при испытании на прочность мост не разрушается при создании на него удельной осевой нагрузки 3,0-6,0 МПа и одновременной промывки, то его прочностные свойства удовлетворяют условиям как забуривания нового ствола, так и нагружения от веса колонны труб или испытателя пластов.
При установке мостов для забуривания нового ствола к ним предъявляется дополнительное требование по высоте. Это обусловлено тем, что прочность верхней части (Н1) моста должна обеспечить возможность забуривания нового ствола с допустимой интенсивностью искривления, а нижняя часть (Н0) — надежную изоляцию старого ствола (3)
где Rс — радиус искривления ствола.
Анализ имеющихся данных показывает, что получение надежных мостов в глубоких скважинах зависит от комплекса одновременно действующих факторов, которые могут быть разделены на три группы.
Первая группа — природные факторы: температура, давление и геологические условия (кавернозность, трещиноватость, действие агрессивных вод, водо- и газопроявления и поглощения).
Вторая группа — технологические факторы: скорость движения потоков цементного и бурового растворов в трубах и кольцевом пространстве, реологические свойства растворов, химический и минералогический состав вяжущего материала, физико-механические свойства цементного раствора и камня, контракционный эффект тампонажного цемента, сжимаемость бурового раствора, неоднородность плотностей, коагуляция бурового раствора при смешении его с цементным (образование высоко-вязких паст), величина кольцевого зазора и эксцентричность расположения труб в скважине, время контакта буферной жидкости и цементного раствора с глинистой коркой.
Третья группа — субъективные факторы: использование неприемлемых для данных условий тампонажных материалов; неправильный подбор рецептуры раствора в лаборатории; недостаточная подготовка ствола скважины и использование бурового раствора с высокими значениями вязкости, СНС и водоотдачи; ошибки при определении количества продавочной жидкости, места расположения заливочного инструмента, дозировки реагентов для затворения цементного раствора на скважине; применение недостаточного числа цементировочных агрегатов; применение недостаточного количества цемента; низкая степень организации процесса установки моста.
Увеличение температуры и давления способствует интенсивному ускорению всех химических реакций, вызывая быстрое загустевание (потерю прокачиваемости) и схватывание тампонажных растворов, которые после кратковременных остановок циркуляции иногда невозможно продавить.
До настоящего времени основной способ установки цементных мостов — закачивание в скважину цементного раствора в проектный интервал глубин по колонне труб, спущенной до уровня нижней отметки моста с последующим подъемом этой колонны выше зоны цементирования. Как правило, работы проводят без разделительных пробок и средств контроля за их движением.
Процесс контролируют по объему продавочной жидкости, рассчитываемому из условия равенства уровней цементного раствора в колонне труб и кольцевом пространстве, а объем цементного раствора принимают равным объему скважины в интервале установки моста. Эффективность способа низка.
Прежде всего следует отметить, что вяжущие материалы, применяемые для цементирования обсадных колонн, пригодны для установки прочных и герметичных мостов. Некачественная установка мостов или вообще их отсутствие, преждевременное схватывание раствора вяжущих веществ и другие факторы в определенной степени обусловлены неверным подбором рецептуры растворов вяжущих веществ по срокам загустевания (схватывания) или отклонениями от подобранной в лаборатории рецептуры, допущенными при приготовлении раствора вяжущих.
Установлено, что для уменьшения вероятности возникновения осложнений сроки схватывания, а при высоких температурах и давлениях сроки загустевания должны превышать продолжительность работ по установке мостов не менее чем на 25%.
В ряде случаев при подборе рецептур растворов вяжущих не учитывают специфики работ по установке мостов, заключающихся в остановке циркуляции для подъема колонны заливочных труб и герметизации устья.
В условиях высоких температур и давления сопротивление сдвигу цементного раствора даже после кратковременных остановок (10-20 мин) циркуляции может резко возрасти.Поэтому циркуляцию восстановить не удается и в большинстве случаев колонна заливочных труб оказывается прихваченной.
Вследствие этого при подборе рецептуры цементного раствора необходимо исследовать динамику его загустевания на консистометре (КЦ) по программе, имитирующей процесс установки моста.
Программа исследований на КЦ представлена в таблице
Время загустевания цементного раствора Тзаг соответствовать условию
где T1, Т2, T3 — затраты времени соответственно на приготовление, закачивание и продавливание цементного раствора в скважину; Т4, Т5, Т6 — затраты времени на подъем колонны заливочных труб до места срезки моста, на герметизацию устья и производство подготовительных работ по срезке моста; Т7 — затраты времени на срезку моста.
По аналогичной программе необходимо исследовать смеси цементного раствора с буровым в соотношении 3:1, 1:1 и 1:3 при установке цементных мостов в скважинах с высокими температурой и давлением. Успешность установки цементного моста в значительной степени зависит от точного соблюдения подобранной в лаборатории рецептуры при приготовлении цементного раствора.
Здесь главные условия — выдерживание подобранного содержания химических реагентов и жидкости затворения и водоцементного отношения. Для получения возможно более однородного тампонажного раствора его следует приготовлять с использованием осреднительной емкости.
Ответ на вопрос: «Требования к буровым промывочным жидкостям для бурения пологонаклонных и горизонтальных стволов скважины».
При бурении горизонтальных скважин промывочная жидкость (п.ж.) должна выполнять те же функции как и при бурении вертикальных скважин.
Однако в горизонтальных скважинах необходимо уделять таким свойствам:
обеспечивать полный вынос шлама;
уменьшает силы трения между б.к. и стенкой скважины;
обеспечивать устойчивость стенок;
способствовать min загрязнению продуктивных пластов (п.п.) при бурении горизонтального участка.
Наиболее полный вынос шлама происходит из горизонтального участка при турбулентном режиме течения жидкости. Из вертикально и слабо–наклонного (зенитный угол до 300) при ламинарном режиме п.ж. с повышенным дин. напр. сдвига. На участках с зенитный углом от 35 до 60 режим течения мало влияет на вынос шлама.
Способность п.ж загрязнять п.п. при бурении горизонтального участка зависит от характера проницаемости коллектора. Выделяют 2 типа проницаемости: трещинную и матричную. Первая характерна для коллекторов сложенная карбонатными породами и трещиноватыми сланцами. Второй тип проницаемости характерен для песчаников.
Ухудшение трещинной проницаемости в карбонатных породах обусловлено отложением в трещинах фильтрационной корки из частиц твердой фазы присутствующей в п.ж. Для уменьшения отрицательного влияния п.ж. на трещинную проницаемость карбонатных пород рекомендуется в качестве п.ж. использовать воду, полимерные соленасыщенные растворы с фракционированной твердой солью в качестве твердой фазы и п.ж. с очень малым содержанием твердой фазы.
При ухудшение проницаемости трещиноватых сланцев, при использовании п.ж на водной основе обусловлено проникновением водной фазы в трещины гидратацией, набуханием гл. породы на стенках трещин, уменьшением сечений трещин или полным их смыканием.
Чтобы свести к min отрицательному влиянию на проницаемость трещиноватых глинистых сланцев в качестве п.ж. при бурении горизонтального участка в п.п. рекомендуется использовать п.ж. на неводной основе или растворы на в.о. с ингибирующими добавками уменьшающими гидратацию, набухание гл.пород.
При бурении горизонтального участка с матричной проницаемостью основной стратегией в деле предотвращения засорение коллектора является предотвращение проникновения п.ж. в поровое пространство.
Промывочная жидкость должна иметь в составе твёрдые фазы свободообразующие частицы. Такие частицы застревают на входе в поры в стенках скважин и не дают проникать другим тв. ч. в поровые каналы.
Такими тв. материалами могут быть тв. соль или частицы карбоната Са растворимые в соляной кислоте. Так как фильтрат п.ж проникает в п.п. он должен содержать компоненты ингибирующие гидратацию, набухание частиц гл. минералов находящихся в поровых каналах п.п.
При выборе промывочной жидкости, основными критериями являются:
обеспечение качественной очистки ствола скважины от шлама;
обеспечение надлежащих смазочных свойств бурового раствора;
предупреждение ГРП и поглощений;
предупреждение загрязнения продуктивных пластов.
Выбор типа и требования к качеству бурового раствора для решения указанных проблем определяется следующими геолого-техническими данными:
наличие потенциально неустойчивых глинистых отложений;
величиной Pпл(пор), от которой зависит возможная и допустимая репрессия на пласты, а => и плотность раствора;
коллекторские свойства продуктивного пласта: тип коллектора; пористость; проницаемость; глинистость; прочностные характеристики и минерализация пластовой воды.
забойной температурой;
конструкцией скважин, определяющей длительность бурения под каждую колонну, т.е. время нахождения ствола в необсаженом состоянии и длительность воздействия бурового раствора на продуктивный пласт;
угол отклонения ствола от вертикали требования к реологическим свойствам для обеспечения хорошей очистки ствола.
