книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

А.И. Булатов Ю.М. Просёлков

/ 0 ) Р Е Ш Е Н И Е

V ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

ПРИ БУРЕНИИ И ОСВОЕНИИ СКВАЖИН

СПРАВОЧНОЕ ПОСОБИЕ

Краснодар “Советская Кубань” 2006

УДК 622.233.477 ББК 33.131

Б90

Булатов А. И.

Б90 Решение практических задач при бурении и освоении скважин: справ, пособие / А. И. Булатов, Ю. М. Просел­ ков. — Краснодар: Совет. Кубань, 2006. — 744 с.

ISBN 5-7221-0728-Х

В книге изложены расчетные методики и практические рекомен­ дации по проектированию и управлению технологическими процесса­ ми и операциями. Приведены многочисленные примеры технических и технологических расчетов, практические алгоритмы типичных и спе­ цифичных технологических операций. Описаны решения большинства практических задач при конструировании скважин, при выборе буро­ вого промывочного раствора и технологии его приготовления, очистки, кондиционирования, бурового инструмента и режимов бурения сква­ жин. Дан полный гидродинамический расчет сооружаемой скважины, описаны расчетные методики по выбору компоновок обсадных колонн, режимных характеристик их цементирования. Особое внимание уде­ лено решению практических задач в период освоения нефтяных и га­ зовых скважин, при ликвидации осложнений, возникающих в процес­ се сооружения и освоения скважин.

Книга предназначена для студентов и аспирантов, специализирую ­ щихся по нефтегазовому направлению, для инженеров, занимающихся проектированием скваж ин и непосредственным их сооружением, для научных работников нефтяной и газовой отраслей промышленности.

УДК 622.233.477 ББК 33.131

ПРЕДИСЛОВИЕ

При проектировании, сооружении и освоении скважин приходится решать многочисленные и разнообразные задачи геологического, технического, технологического, эко­ номического и экологического характера. Причем одни задачи комплексные, сложные и трудоёмкие, другие — простые, но требующие незамедлительного оперативного решения.

В связи с этим в учебной и справочной литературе приво­ дятся некоторые практические расчёты, связанные с бурением скважин. Больше того, были составлены и в инженерной прак­ тике широко используются задачники по бурению, заканчиванию и освоению скважин, а также руководящие документы по буровым растворам, креплению скважин, ремонту обсад­ ных колонн и т. д.

К сожалению, ни в одном из этого перечня источников нет систематизированного набора решений задач, охватывающего этапы проектирования скважины, бурения и крепления ство­ ла, освоения её как эксплуатационного объекта. Такое положе­ ние затрудняет качественное и углублённое закрепление тео­ ретических курсов системным рассмотрением сопутствующих прикладных задач. Многочисленные кафедры нефтегазового направления вузов России вынуждены разрабатывать методи­ ческие пособия по отдельным разделам профилирующих дис­ циплин, полагаясь на собственный, иногда недостаточный, про­ изводственный и методический опыт.

Наш длительный педагогический опыт подготовки и повы­ шения квалификации инженеров для нефтегазовой отрасли, многочисленные научные и проектные разработки, выполнен­ ные под нашим руководством и при нашем непосредственном участии, личный опыт составления учебников и учебных по­

3

Р а з д е л 1

КОНСТРУИРОВАНИЕ СКВАЖИН

(CASING PROGRAM)

1.1. АНАЛИЗ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О РАЗРЕЗЕ ПРОХОДИМЫХ СКВАЖИНОЙ ПОРОД

(Geological date analysis)

U .l. УПРУГО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

Факторы, влияющие на механические свойст­ ва горных пород, обычно делят на две группы: 1} природные и

2)технические.

Кприродным факторам относят минералогический состав, размер и форму зёрен и кристаллов минералов, тип и минерало­ гический состав цемента, количественное соотношение между цементом и основным материалом, глубину залегания, уплотнён­ ность (обусловленную геотектоникой), нарушенность структу­ ры (перемятость), возраст, слоистость, пористость и проницае­ мость, наличие или отсутствие в порах тех или иных веществ, свойства последних, температуру и давление.

Ктехническим факторам относят вид деформации, форму разрушающих элементов, масштабный фактор, скорость при­

ложения усилий, продолжительность и направление действия усилий.

В табл. 1.1 приведены значения твёрдости, предела текуче­ сти, коэффициента пластичности, модуля упругости 1-го рода и удельной контактной работы разрушения для пород, слага­ ющих нефтяные и газовые месторождения; эти значения по­ лучены по методике Шрейнера при статическом вдавливании цилиндрического штампа в ненагруженную, гладкую, шлифо­ ванную, предварительно просушенную поверхность горной по­ роды при комнатной температуре.

5

На твёрдость горных пород существенное влияние оказыва­ ет содержание в них кварца и полевых пшатов. Особенно зна­ чительно влияние содержания кварца на твёрдость некарбонат­ ных глин, менее —для глинистых мергелей. Для этих пород с увеличением содержания кварца твёрдость возрастает по ли­ нейному закону.

Твёрдость песчаников и алевролитов в значительной сте­ пени зависит от минералогического состава цемента. Так, при одинаковом минералогическом составе обломочного материала и одинаковой структуре цемента твердость песчаников и алев­ ролитов с глинистым цементом в 2—3 раза, а с гидрослюдисто­ глинистым — в 1,4—1,8 раза меньше твёрдости песчаников и алевролитов, сцементированных карбонатным цементом.

При одинаковом минералогическом составе цемента твёр­ дость песчаников и алевролитов зависит от типа структуры цемента: высшая твёрдость характерна для пород с базальным цементом, низшая —для пород с цементом механического за­ полнения пор.

Характеристикой истирающего воздействия породы на бу­ ровой инструмент является коэффициент абразивности w:

Характеристикой износа абразивного разрушения бурового инструмента является показатель относительного износа С„:

6

С повышением содержания карбонатности в цементе гли­ нисто-карбонатной породы увеличивается её твёрдость.

На твёрдость горных пород большое влияние оказывает их пористость. Так, для песчаников и алевролитов зависимость твёрдости от коэффициента пористости насыщения П„ может быть выражена уравнением:

где а, и Ь, — коэффициенты, зависящие от механического состава породы;

‘ш " 2 •

М

Значения коэффициентов а, и Ь, для алевролитов и песча­ ников, сцементированных карбонатным, гидрослюдисто-глини- стым или глинистым цементом, приведены в таблице 1.2

Пористость горных пород, находящихся в массиве разбури­ ваемой площади, может быть определена довольно просто и с достаточной точностью по данным геофизических замеров в бурящихся скважинах.

7

Твёрдость горных пород зависит от их объёмного веса уп. Зависимость Рш= Рш(уп) для указанных выше пород выражает­

Действительная сопротивляемость Рфгорных пород проник­ новению в них рабочих элементов долота в условиях забоя от­ личается от сопротивляемости Ршпроникновению в них штампа при эксперименте. Отличие это обусловлено рядом факторов.

Твёрдость горных пород увеличивается с ростом всесторон­ него сжатия, и эта зависимость носит сложный характер. Уве­ личение твёрдости особенно интенсивно при давлениях свы­ ше 685—785 бар.

Чем ниже твёрдость горных пород, тем сильнее влияние всестороннего давления на изменение последней.

С ростом глубины залегания породы уменьшается её порис­ тость, растут объёмный вес и давление всестороннего сжатия, а потому возрастает её твёрдость.

Значение Рф зависит от соотношения между горным давле­ нием, гидростатическим давлением бурового раствора и плас­ товым давлением, причём эта зависимость различна при раз­ личной проницаемости породы. При определённых условиях возможны разгрузка пород призабойной зоны, увеличение их пористости и микротрещиноватости и связанное с этим умень­ шение твёрдости.

Твёрдость пород различного минералогического состава увеличивается при возрастании температуры приблизитель­ но до 673 К (при более высоких температурах твёрдость поро­ ды снижается): при температуре 323 К твёрдость пород увели­ чивается на 3—7% по сравнению с твёрдостью при комнатной температуре, при температуре 373 К —на 6—16% и при темпе­ ратуре 423 К — на 8—23%.

При большой скорости вдавливания штампа твёрдость поро­ ды выше, чем при обычном, так называемом статическом вдав­

ливании. Например, при увеличении скорости приложения на-

м

грузки до 5,2 "твёрдость мрамора возрастает на 9%.

Твёрдость горной породы существенно уменьшается при ув­ лажнении породы и особенно при наличии в буровом растворе поверхностно-активных веществ (так называемых понизителей твёрдости). Эксперименты показали, что на прочность породы

8

оказывают влияние вода, утяжелённые баритом бентонитовые глинистые растворы, а также буровые растворы, содержащие крахмал или натрийкарбоксилметилцеллюлозу. Так, например, прочность индианского известняка, насыщенного жидкостью, содержащей 35% крахмала или 14% бентонитового глинисто­ го раствора, была почти на 31% ниже, чем прочность породы в сухом виде. Другие жидкости оказывают несколько меньшее влияние на прочность породы.

Забой скважины представляет собой неровную поверхность с большой сетью микротрещин и другими механическими де­ фектами, и зубья шарошек поражают, как правило, неровный забой вблизи различных по величине и форме углублений. Это, очевидно, значительно снижает сопротивляемость породы про­ никновению в неё различных элементов долота.

Оценка этих факторов приводит к заключению, что обычно Рф< Рш, т.е.:

Исследованиями Н.Х. Богданова (УфНИИ) установлено, что для карбонатных пород (известняков, доломитов) и песчаников а меняется в пределах 0,29—0,94. При бурении глинистых по­ род — глин, сланцев, мергелей, алевролитов и аргиллитов —ос можно принимать равным 1,0.

На сопротивляемость горных пород проникновению в них рабочих элементов долота существенное влияние оказывает угол встречи долота с плоскостью напластования: твёрдость по­ роды возрастает при уменьшении угла между плоскостью на­ пластования породы и направлением действия разрушающей нагрузки. Для пород, у которых слоистость выражена слабо, твёрдость параллельно плоскости напластования выше твёр­ дости перпендикулярно к плоскости напластования в 1,05—1,2 раза, а для пород с резко выраженной слоистостью (например, мергелей) эта величина 1,5—1,83.

Предел усталости Ру горных пород связан с их твёрдостью Ршсоотношением:

где р< 1; для глинисто-карбонатных горных пород (3 = 0,07 — 0,33, причём при ударном нагружении с «базой» не более 20 ударов Р = 0,07 —0,20 и при пульсационном нагружении с ба­ зой 1000 циклов нагружений р = 0,29 — 0,33 (ударное нагру­ жение считается тогда, когда передача нагрузки со стороны зу­ бьев шарошечных долот на горную породу осуществляется за время менее 10 мсек, а пульсационное нагружение — за вре­ мя более 10 мсек).

9

При пульсационном нагружении (200—600 цикл/мин.) пре­ дел усталости глинисто-карбонатных горных пород не зависит от частоты и амплитуды переменных напряжений; затупление же бойков (зубьев) резко снижает эффективность усталостно­ объёмного разрушения горных пород, так как при одинако­ вых контактных напряжениях по мере затупления бойков рез­ ко возрастает число ударов, потребное для разрушения породы в точке приложения нагрузки. При контактных напряжениях, составляющих 0,4—0,6 от динамической твёрдости пород, об­ ласть резкого возрастания числа ударов до разрушения соот­ ветствует тупизне зубьев 2,25—2,5 мм.

Связь усталостной прочности N горных пород с твёрдостью Ршпоследних может быть выражена линейным уравнением:

где N —усталостная прочность горной породы, под кото­ рой понимается число ударов до разрушения в месте прило­ жения нагрузки при постоянном контактном напряжении (в опытах постоянное контактное напряжение составляло 490—

590 ^Ш.); для исследования глинисто-карбонатных пород

м*

а2= -7; Ь3= 0,0102 (P1Uв ^ ) .

Зависимость усталостной прочности глинисто-карбонат­ ных горных пород от их карбонатности к (в %) соответствует уравнению:

10