Обсадные колонны и их цементирование при сооружении скважин на жидкие и газообразные

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В процессе бурения наряду с устойчивыми породами вскрываются неустойчивые горные породы, которые способны набухать, практически деформироваться, осыпаться и обваливаться. Для предотвращения обрушения в интервалах неустойчивых горных пород ствол скважины необходимо крепить обсадными трубами.

Наряду с креплением стенок скважин обсадные трубы используют также и для разобщения водоносных, пористых горизонтов с неодинаковым коэффициентом аномальности пластовых давлений с целью предотвращения перетока пластовой жидкости, который может привести к тяжелым осложнениям.

Обсадная колонна представляет собой комплект обсадных труб, соединенных между собой при помощи ниппелей, муфт или сварки.

В нашей стране изготавливают в соответствии с ГОСТ632-80 в основном бесшовные цельнокатаные обсадные трубы 18 размеров: от 114 до 508 мм. Длина труб от 9,5 до 13м. Трубы одного размера (наружного диаметра) изготавливают с различной толщиной стенки. Например, трубы диаметром 146мм имеют толщину стенки 6,5; 7; 7,7; 8,5; 9,5; 10,7мм. Выбор толщины стенок производят в зависимости от внешнего и внутреннего давления, воздействующих на обсадные трубы в процессе их эксплуатации.

Для изготовления труб используют углеродистые и легированные стали групп прочности С, Д, К, Л, М, Р. Механические характеристики сталей приведены в таблице 1.

Таблица 1

Механические характеристики сталей для изготовления обсадных труб.

По типу соединения обсадные колонны делят на ниппельные, муфтовые, безмуфтовые и сварные.

Ниппельные обсадные трубы, используемые при структурно-поисковом бурении, диаметром 73, 89, 108, 127, 146мм, относятся к геологоразведочному стандарту (ГОСТ 633-80) и в данной теме не рассматриваются.

Муфтовые обсадные колонны находят преимущественное распространение в практике глубокого бурения. Они представляют собой комплект обсадных труб, соединенных муфтами. На концах обсадных труб нарезают конусную треугольную резьбу с углом на вершине 60⁰ или трапецеидальную резьбу. Конусность резьбы 1:16 по длине резьбы различают трубы с нормальной или удлиненной резьбой. С удлиненной резьбой обладают более высокой прочностью. Муфты изготавливают из сталей той же группы прочности, что и трубы. Для труб диаметром свыше 245мм они могут изготавливаться из сталей ближайшей группы с пониженными механическими свойствами.

Соединениям с резьбой треугольного профиля присущи два недостатка. Во-первых, такого соединения снижается по сравнению с прочностью труб в ненарезанной части на 30-45%.

Во-вторых, герметичность соединений с резьбой треугольного профиля оказывается недостаточной высокой.

Рис.1 Новые конструкции резьбовых соединений обсадных труб:

1 – обсадная труба; 2 – муфта; 3 – безмуфтовое соединение.

Дляповышения прочности резьбового соединения разработана и находит в последнее время широкое применение конусная трапецеидальная резьба. Обсадные колонны с такими соединениями выпускают под шифром ОТТМ 1 (см. рис. 1а,) обсадные трубы с трапецеидальной резьбой и муфтами и ОТТГ 1 (см.рис. 1б,) обсадные трубы с трапецеидальной резьбой и высокой герметичностью. Высокая герметичность соединений второго типа достигается наличием уплотнительных поясков у обсадных труб и расточек под эти пояски у муфт. Трапецеидальная резьба позволила повысить прочность соединений на 25-25% по сравнению с соединениями с треугольной резьбой.

Безмуфтовые обсадные колонны отличаются тем, что для соединений труб не применяют ни ниппелей, ни муфт. Трубы свинчивают друг с другом без соединительных элементов напрямую. Для этого на одном конце труб нарезается - внутренняя, на другом – наружная слабоконическая резьба.

В настоящее время и для безмуфтовых обсадных труб нарезают трапецеидальную резьбу. Концы труб в месте нарезки могут быть как с высадной (ТБО-4 и ТБО-5 трубы безмуфтовые обсадные) так и без высадки (ОГ-1М)

У обсадных труб типа ТБО-4 (см. рис.1в) высаживают оба конца, у труб типа ТБО-5 (см. рис.1г) – только один конец, предназначенный для внутренней резьбы. Резьбовые соединения у труб типа ТБО имеют торцевые контактные поверхности, которые служат для обеспечения герметичности обсадной колонны.

Безмуфтовые обсадные трубы типа ОГ-1М выпускают размером от 114 до 273мм. Торцы труб в резьбовом соединении имеют упорные поверхности. Прочность этих труб на растяжение в резьбовой части соединяет всего 50% от прочности обсадной трубы в резьбовой части. Эти трубы используют при комплектовании потайных колонн или нижней части обсадных колонн, т.е. там, где нагрузки на растяжение невелики. Достоинства обсадных колонн типа ОГ-1М в том, что они имеют постоянный диаметр по всей длине.

Герметичность обсадной колонны при использовании смазок достаточно высокая и достигает 35 МПа.

Сварные соединения обсадных труб. Одним из наиболее эффективных способов повышения герметичности является сварка соединений обсадных труб. Применяют несколько типов сварных соединений: раструбное (см. рис. 2.3), двухраструбное (см. рис. 2.4), двухраструбное с центрирующим кольцом, ниппель-раструбное, муфтовое (см. рис. 2.2), стыковое (см. рис.2.1) и др. прочность на растяжение раструбного и муфтового сварного соединений примерноравна, а двухраструбного выше стандартного резьбового соединения. Однако при двухраструбном соединении сложнее центрировать концы труб при их сварке.

Прочность стыкосварочного соединения близка к прочности самой трубы. Существенным недостатком стыкосварочного и двухраструбного соединений является образование грата на внтренней поверхности труб вследствие затекания расплавленного металла при сварке и вызванное этим заметное уменьшение внутреннего диаметра обсадной колонны.

Наиболее широкое применение находят двухраструбные с центрирующим кольцом и ниппель –раструбные сварные соединения. В первом их них на обоих концах каждой обсадной трубы делают внутренние расточки глубинной до 0,3мм и длинной 30-50мм. Перед сваркой две трубы центрируют с помощью кольца, которое вставляют в эти расточки. Кроме центрирования кольцо препятствует затеканию расплавленного металла внутрь трубы при сварке.

Рис. 2 Обсадные трубы сварного соединения: 1 – стыкосварное; 2 - муфтосварное; 3 – раструбное; 4 – с двойным раструбом.

При ниппель - раструбном соединении (см.рис.3) на одном конце трубы предварительно делают внутреннюю расточку, а на другом конце – наружную проточку. Перед сваркой стакан, образовавшийся при наружной проточке конца трубы, вставляют во внутреннюю расточку конца другой трубы. Этим достигается хорошая центровка труб и предотвращается образование грата на внутренней поверхности труб. Ниппель - раструбное соединение целесообразно применять для труб с малой овальностью. При значительной овальности труб следует использовать соединение с внутренним центрирующим кольцом.

Для удержания колонны на весу при двух последних типах сварки, на наружной поверхности трубы на расстоянии около 200мм от верхнего конца трубы делают проточку длинной равной 0,3 – 0,5 диаметра и глубиной до 0,4 толщины стенки трубы.

В эту проточку вставляют хомут для захвата элеватором при спуске обсадной колонны. Такая проточка снижает прочность соединений обсадной колонны. Прочность соединений может быть повышена для прочности тела трубы, если использовать специальные трубы с утолщенными на 8-10мм по диаметру концами и проточку под хомуты делать в утолщенной части.

Трубы сваривают непосредственно над устьем скважины. Для этого используют полуавтоматы и автоматы для электродуговой сварки института им. Е.О. Патона.

Электродуговым способом сваривают обсадные из углеродной стали и других хорошо свариваемых сталей. Более универсальной является контактная сварка. С ее помощью можно соединить трубы любых стали. Прочность соединения при этом равна прочности тела труб. Однако аппараты для контактной сварки громоздки и при сварке (сдавливании труб) на внутренней поверхности труб образуется грат.

Рис. 3 Конструкция безмуфтового сварного соединения обсадных труб:

а – подготовленные концы обсадной трубы;

б – соединение труб сваркой.

Оснастка обсадной колонны при ее спуске в скважину. Для предупреждения осложнений и аварий при спуске обсадной колонны и последующем цементировании скважины, для создания благоприятных условий заполнения кольцевого пространства цементным раствором используют специальную оснастку обсадной колонны. В типовую оснастку обсадной колонны входит: башмак, обратный клапан, заливочный патрубок, упорное кольцо, заливочная муфта, турбулезаторы, трубные пакеры, центраторы (фонари), скребки.

Башмак обсадной колонны служит для предохранения нижнего торца обсадной колонны от смятия при ее спуске. Он представляет собой толстостенное кольцо, заостренное в нижней части и имеющее резьбу в верхней части. Башмак навинчивают ни нижний конец обсадной колонны и закрепляют сваркой. Перед спуском обсадной колонны в башмаке закрепляют конусную (сферическую) направляющую пробку из легкоразбуриваемого материала (дерева, алюминия и др.). в башмаке или в пробке просверливают каналы (центральный и боковые) для закачивания цементного раствора в затрубное пространство.

Обратный клапан предназначен для предупреждения поступления жидкости внутрь колонны и плавного спуска обсадной колонны. Он состоит из стального корпуса, седла с уплотнительной манжеткой, шара и корзины для удержания шара. Устанавливается обратный клапан на одну трубу выше башмака. Для избежания резких перепадов давления в затрубном пространстве могут использоваться перепускные дифференциальные клапаны.

Заливочный патрубок представляет собой перфорированный патрубок, длинной около 1,5 м, предназначенный для закачивания цементного раствора в затрубное пространство. Устанавливают его непосредственно перед башмаком.

Упорное кольцо (кольцо «стоп») предназначено для задерживания цементировочных пробок и представляет собой чугунное кольцо с малым внутренним диаметром. Устанавливают

Заливочная муфта предназначена для ступенчатого цементирования обсадной колонны. Она состоит из корпуса с отверстиями в средней части и двух втулок (верхней и нижней) с седлами.

Турбулизаторы предназначены для придания течения цементного раствора в затрубном пространстве турбулентного характера, увеличивающего скорость его подъема.

Трубные пакеры предназначены для изоляции отдельных интервалов в затрубном пространстве. Трубные подразделяют на гидровлические (ППГ, ПДМ, ПГБ), механические и фильтрационные (ПФМ).

В гидравлических пакерах деформация уплотнительного элемента происходит за счет давления жидкости, в механических за счет разгрузки веса обсадной колонны, в фильтрационных за счет ускорения схватывания цементного раствора в затрубном пространстве вследствие отфильтровывания из него воды через специальный фильтр в обсадной колонне.

Центраторы (фонари) устанавливают по всей обсадной колонне для цементирования обсадной колонны в скважине и создания благоприятных условий для равномерного распределения цементного раствора по кольцевому зазору. Они представляют собой пружинные дуги, концы которых закреплены на кольцах - обоймах.

От произвольного перемещения в процессе спуска их удерживают стоп-кольца. Интервалы установки центраторов рассчитывают по специальным методикам.

Скребки устанавливают на обсадной колонне для удаления глинистой корки со стенок скважин и повышения надежности сцепления цементного камня со стенками скважин. Известны 2 вида скребков: круговые и прямолинейные. Первые используются при движении колонны с вращением, вторые – при невращающемся спуске колонны.

При бурении на воду в условиях агрегативных пластовых вод для эксплуатационных колонн применяют трубы из антикоррозионных полимерных материалов.

Пластмассовые трубы характеризуются малой массой (0,94÷0,96 г/см³) и обладают высокой стойкостью против коррозии, превышающей стойкость высоколегированных антикоррозионных сталей лучших марок. Они обладают хорошими санитарно-гигиеническими качествами, их внутренняя поверхность длительное время не зарастает отложениями различного рода.

Пластмассовые трубы имеют наружный диаметр от 40 до 630мм. Их целесообразно применять в скважинах глубиной до 200м.

Материалом для изготовления таких труб является полиэтилен высокой плотности, полипропилен, винипласт и армированный стеклопластик. Наибольшей прочностью, достигающей прочности сталей, обладают стеклопластиковые трубы, изготовленные из пластмасс, армированных стекловолокном. Масса таких труб в 2,5 – 4раза меньше, чем стальных.

Недостаток полиэтиленовых труб – резкое ослабление их прочности при надрезах, что исключает возможность применения резьбовых соединений для труб с толщиной стенки менее 10мм. Основные способы их соединения – термической сваркой встык (наиболее прочное соединение), склеиванием и методом трения. С увеличением нагрузки механическая прочность труб снижается, кроме того полимерный материал обладает свойством старения и ползучести, особенно – при повышении температуры окружающей среды.

ЦЕЛИ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ

а) изолирование эксплуатационного горизонта от неиспользуемых водоносных горизонтов;

б) предохранение затрубного пространства от возможных обвалов рыхлых пород (песков, галечников, глин, супесей) и проникновения их в водоприемную часть скважины;

в) разобщение водоносных горизонтов;

г) изолирование пластов, поглощающих промывочную жидкость при бурении;

д) изолирование обсадных труб от коррозирующего влияния минерализованных вод.