Сверхглубокие скважины

Требования к сооружению скважины и к ее оборудованию определяются условиями ее эксплуатации, которые, в свою очередь, весьма различны, зависят прежде всего от геологических особенностей месторождений, режима эксплуатации скважины. Эксплуатационные скважины в зависимости от геометрической формы их ствола сооружаются двух основных типов: вертикальные и наклонные. Наклонная форма — результат необходимости   направления   ствола   скважины   в заданный   участок пласта; такие скважины обычно называются наклонно направленными. Профили этих скважин бывают разными в зависи-/ мости от требований технологии проводки скважины и способа ее эксплуатации. В любом случае профиль наклонной эксплуатационной скважины   должен   обеспечивать   возможность эксплуатации ее рациональным способом и исключать вероятность повреждения как самой скважины, так и спущенного в нее оборудования   для   ее   эксплуатации    выбранным    способом.  

 

рис.2

На рис. 2 показаны профили скважин: рис. 2, а — вертикальный, рис. 2, б — наклонный с наибольшим отклонением забоя от вертикали.   Как  видно,  он  состоит  из трех  участков:   вертикального,    переходного,    соответствующего    набору    максимально необходимого зенитного угла, и наклонно-прямолинейного  до забоя.   Профиль  на рис. 2, в  отличается   наличием участка   уменьшения   зенитного   угла.   Профиль   (рис. 2, г) имеет вертикальный   участок,  участок  набора   зенитного угла, наклонно-прямолинейный участок,  участок уменьшения  зенитного угла и нижний — вертикальный. Этот профиль более сложный, обеспечивает вертикальность ствола  скважины при проводке   ее   на   несколько   продуктивных   горизонтов.   Профиль (рис. 2, д) отличается отсутствием наклонно-прямолинейного участка. В профиле (рис. 2, е) нет наклонно-прямолинейного и нижнего вертикального участков. Каждый из показанных на схемах профилей эксплуатационной скважины предопределяет особенности последующей эксплуатации как самой скважины, так и спущенного в нее оборудования. В тех случаях, когда расстояния между устьями скважин малы и измеряются метрами, а скважины наклонные, группа таких скважин называется кустом скважин.

Для улучшения дренирования продуктивного пласта иногда из вертикальной части скважины в пласт бурятся несколько скважин, такие скважины называются многозабойными.

рис.3

На рис. 3 показана принципиальная схема эксплуатационной скважины и ее оборудования. Скважина состоит из трех основных участков — устьевого, стволового и фильтрового, каждый из которых оснащен соответствующим оборудованием: колонной головкой /, направлением 2, кондуктором 3, эксплуатационной колонной 4, фильтром 6. Дно скважины обычно называется забоем. Иногда скважина оснащается пакером и клапа-ном-отсекателем 5 пласта.

Стволовая часть эксплуатационной скважины образована, как видно из схемы, концентричными колоннами обсадных труб, зацементированных в горных породах.

Последняя, т. е. внутренняя, обсадная колонна скважины называется эксплуатационной и служит каналом, соединяющим объект эксплуатации — пласт с устьем скважины, т. е. фильтровую часть скважины с поверхностью. Диаметр труб, из которых она состоит, должен обеспечивать возможность размещения в ней оборудования для эксплуатации скважины заданным способом, а также возможность выполнения всех технологических процессов и операций, необходимость в которых может возникнуть в течение всего периода эксплуатации скважины. Долговечность колонны должна соответствовать сроку службы скважины.

Наружная обсадная колонна скважины направление — спускается на глубину нескольких метров, а ее затрубное пространство цементируется на всю длину.

Внутри направления размещается обсадная колонна, обычно называемая кондуктором и имеющая длину, как правило, от 200 до 600— 800 м. Кондуктор цементируется на всю длину.

Между кондуктором и эксплуатационной колонной могут спускаться обсадные, которые обычно называются техническими или промежуточными колоннами. Они выполняют технологические функции при сооружении скважины, число и глубины их спуска определяются геологическими особенностями проходимых пород, глубиной скважины, техникой и технологией ее проводки.

Колонная головка, монтируемая на кондукторе, обвязывает в единую систему кондуктор, технические, эксплуатационную колонны скважины и . служит базой для спускаемого в скважину эксплуатационного и установки на него устьевого оборудования.

Фильтровая часть эксплуатационной скважины обеспечивает ее связь с пластом как при извлечении пластовой жидкости или газа, так и при нагнетании в пласт воды, газа и других сред.

Ствол скважины, обсадные колонны находятся под постоянным давлением горных пород, а эксплуатационная колонна — под давлением пластов или закачиваемых жидкости или газа. Кроме внутреннего и наружного давлений обсадные колонны несут нагрузку от собственного веса, а кондуктор воспринимает вес или часть веса остальных колонн. Колонная головка воспринимает усилия от обсадных колонн, внутреннего давления, веса эксплуатационного, базирующегося на ней оборудования.

Как внутреннее давление, так и наружное в процессе эксплуатации скважины меняются. При эксплуатации скважины фонтанным способом пульсирующая работа подъемника приводит к появлению переменных нагрузок, аналогично и при эксплуатации скважины штанговым скважинным насосом, приводимым в действие механическим станком-качалкой, на систему обсадных труб и цементное кольцо действуют переменные нагрузки, расшатывающие эту систему.

При штанговой эксплуатации насосные трубы из-за переменных нагрузок постоянно перемещаются в эксплуатационной колонне и истирают ее. При больших дебитах и наличии в пластовых жидкости или газе абразива возникают условия, приводящие к гидроабразивному изнашиванию труб.

Нефтяные, газовые, газоконденсатные скважины либо с начала эксплуатации, либо на определенной стадии вместе с нефтью, газом, конденсатом дают пластовую, как правило, сильно минерализованную воду, являющуюся активно коррозионноагрессивной средой, а она разрушающе действует на обсадные трубы, колонную головку и цементное кольцо.

Во все больших количествах в разработку вводятся месторождения, в которых нефть или газ содержит углекислый газ и сероводород, причем если еще недавно наличие, например   4—5 % Н?5 считалось высоким, то в настоящее время в разработку вводятся месторождения с содержанием сероводорода до 20—25%. С увеличением глубин разрабатываемых месторождений повышаются не только давление, но и температура пластовой жидкости или газа, достигающая более 250 °С в районах с высоким геотермическим градиентом.

Закачка в скважину под большим давлением кислоты, рабочих жидкостей, газа, высокотемпературных теплоносителей также приводит к осложнению условий ее работы.

Таков комплекс факторов, из которых слагаются условия работы эксплуатационной скважины, факторов, определяющих требования к конструкции, характеристикам и параметрам оборудования каждой скважины. Упущение каких-либо из них, незнание их в процессе сооружения скважины и особенно последующего периода ее эксплуатации, при ее ремонтах неизбежно приводят к серьезным осложнениям, отрицательно сказываются на надежности скважины в целом, часто являются причиной аварий, нанесения ущерба окружающей среде и несчастных случаев.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Оборудование устья эксплуатационной скважины

 

На устье скважины обсадные колонны обвязываются, т. е. соединяются частью оборудования скважины, называемой колонной головкой.

Колонная головка (рис. 4) жестко соединяет в единую систему все обсадные колонны скважины, воспринимает усилия от их веса и передает всю нагрузку кондуктору. Она обеспечивает изоляцию и герметизацию межколонных пространств и одновременно доступ к ним для контроля состояния стволовой части скважины и выполнения необходимых технологических операций. Колонная головка служит пьедесталом для монтажа эксплуатационного оборудования, спущенного в скважину. Во время бурения на ней монтируются превенторы про-тивовыбросного оборудования, демонтируемые после окончания

бурения.

 

рис.4

Конструктивно колонная головка — это сочетание нескольких связанных между собой элементов •— катушек или крестовин, несущих обсадные колонны. Число этих элементов зависит от числа обсадных колонн скважины.

Условия работы колонной головки достаточно сложны: нагрузка от веса обсадных колонн может превышать в глубоких скважинах несколько сот килоньютонов. Элементы колонной головки воспринимают также давление от среды, контактирующей с ними. При наличии в пластовой жидкости или газе Н25, СОз или при сильной минерализации пластовых вод колонная головка подвергается их коррозионному воздействию. В глубоких скважинах при закачке теплоносителей их стволы и колонные головки нагреваются до 150—250 °С, в условиях Севера могут охлаждаться до температур ниже минус 60 °С.

Нарушение надежности колонной головки неизбежно приводит к серьезным авариям, нанесению ущерба окружающей среде, а в отдельных случаях может быть причиной возникновения пожаров, взрывов, несчастных случаев.

Колонные головки, особенно многоколонных скважин, имеют большие массы и вертикальные габариты. Высокая их металлоемкость и большая потребность в них приводят к необходимости расхода на их изготовление больших количеств стали, причем легированной. С увеличением вертикального габарита колонной головки усложняется обслуживание скважины.

Перечисленные особенности условий работы колонных головок и особенности самих головок делают обязательными при их конструировании выполнение целого ряда требований, к главным из которых относятся обеспечение высокой надежности всех элементов и в целом колонной головки в течение всего срока службы скважины, в любых условиях ее эксплуатации и минимальных металлоемкости и вертикальных габаритов.

Колонная головка для обвязки двух колонн (см. рис. 4) состоит из корпуса 4, навинченного на обсадную трубу 6. Внутренняя поверхность корпуса коническая, и в ней размещены клинья 3, удерживающие внутреннюю колонну обсадных труб 7. На фланце корпуса установлена катушка /, надетая на трубу и обычно сваренная с ней. Катушка болтами соединена с корпусом. Межтрубные пространства разобщаются уплотнениями 2~ На колонной головке предусмотрена задвижка 5 для обеспечения доступа в затрубное пространство. Вертикальный размер такой колонной головки около 1 м. Масса в зависимости от диаметра обсадных труб до 500—550 кг.

Такими головками оборудуются скважины глубиной до 1500—2000 м с давлением до 25 МПа.

Изготовляют колонные головки для оборудования скважин и с большим числом обсадных колонн: трех-, четырех- и пяти-колонных. Принципиальные и конструктивные схемы таких колонных головок аналогичны.

Головка для обвязки пяти колонн (рис. 11.4) предназначена для глубоких (более 5000 м) скважин с давлением до 70 МПа с вертикальным размером порядка 3 м. Основные узлы — пять крестовиков 1, 8, 9, 10, 11 для обсадных труб размером от 168 до 502 мм, клиньевые подвески 2, 4, 5, 7 и вентили 3. Обсадная колонна диаметром 168 мм — последняя, т. е. эксплуатационная. Крестовик / служит пьедесталом для фонтанной арматуры. Особенностью колонной головки является коническая форма тыльных поверхностей клиньев и ответных поверхностей в корпусе, а также конструкция уплотнительных элементов 6, применяемых в сочетании со смазкой, что способствует надежной герметизации зазоров.

Корпуса крестовины и катушки колонных головок изготовляются из литых стальных, реже из комбинированных заготовок с литым корпусом и приваренными коваными или штампованными горловинами и фланцами. Заготовки после сварки подвергаются термообработке для снятия напряжений и улучшения механических свойств металла. Предел текучести сталей для корпусов 5,0—5,5 МПа, относительное удлинение 14—15 % и ударная вязкость до 40 мН • м/м2. Для изготовления колонных головок, работающих в тяжелых условиях, используются низколегированные стали типа 35ХМЛ. Штампованные или кованые привариваемые фланцы или горловины изготовляются соответственно из сталей типа 35ХМ, 40Х.

В прошлом детали и колонные головки в целом изготовлялись нецентрализованно разными заводами, часто в кустарных условиях, что приводило к обилию конструкций и даже присоединительных размеров, единого стандарта на них не было. До сих пор десятки тысяч эксплуатационных скважин имеют колонные головки самых различных конструкций и размеров, в том числе и присоединительных.

Различие присоединительных размеров элементов колонных головок часто являлось причиной возникновения аварийных ситуаций.

В настоящее время за рубежом и в Советском Союзе изготовление и поставка колонных головок и их деталей осуществляются в строгом соответствии со стандартом.

В России действует стандарт (ОСТ 26-02-775—73) на колонные головки для нефтяных и газовых скважин, устья которых не расположены под водой. Стандартом регламентируются тип, способ присоединения к обсадной колонне и основные

рис.5 Конструкция колонной головки для глубокой                                                                     скважины с пятью колоннами

параметры, к которым, в частности, относятся максимальный внутренний диаметр, рабочее давление, условный диаметр обсадной колонны и др. Стандартом предусмотрены рабочие давления 14, 21, 35, 70, 105 МПа.

5 Прискважинные сооружения