Способ бурения и крепления скважин в пластичных горных породах Советский патент 1988 года по МПК E21B33/14 

4

О5 СО СО

Изобретение относится к области бурения и крепления нефтяных и газовых скважин для разведки и добычи углеводородов и может быть использовано при сооружении скважин на месторождениях, имеющих в геологическом разрезе пластичные горные породы, например каменную соль.

Целью изобретения является повышение эффективности крепления скважин за счет уменыиения возможности смятия обсадных колонн.

На чертеже изображены графики зависимостей деформации пластичных пород U(t), релаксации напряжений пластичных пород R(t) и наружного давления Рнар(().

Бурение и крепление скважин по предлагаемому способу осуществляют следую- щим образом.

При бурении скважины в интервале пластичных пород, например каменной соли, под воздействием перепада давления на стенки скважины, вызванного минимально допустимой плотностью бурового раствора, отмечают деформацию пластичных пород. Эту деформацию измеряют во времени. При этом в процессе бурения измеряют деформацию стенок скважины любым из известных способов, например способом стандартной про- филеметрии или способом проработок интервала пластичных пород. На основании измерений строят зависимость ползучести U(t) от времени. Например, ползучесть каменной соли в интервале глубин 2000- 4500 м является экспоненциально затухаю- щим процессом и состоит из двух аналогичных частей. Первая из них протекает с больщей скоростью, которая в первые сутки достигает 7-8 мм/сут, и завершается по истечении, примерно, 30 сут. Вторая часть протекает с меньшей скоростью и за- вери1ается примерно через 1500-2000 сут. Процесс ползучести соли в общем виде описывается выражением

U(t) U|MaKc 1-ехр(-A,it) +и2макс(1 -

-ехр ),(1)

где максимально возможное перемещение стенок ствола скважины в первой части процесса, мм; и2макс -то же, во второй части процесса;

50

А,| - величина, обратно пропорциональная времени, в течение кото- 45 рого происходит максимально возможное перемещение стенок ствола скважины Ui в первой части процесса, сут ;

2 - то же, во второй части процесса;

t - текущее время, сут.

Используя полученное выражение ползучести пластичных пород, и на основании связи между функциями ползучести и релаксации напряжений от времени при по- 55 стоянной деформации определяют функцию релаксации напряжений R(t) пластичной породы, для чего нормируют функцию ползу0

0

5

0

5

5

0

0

5

5

чести U(t) на единицу и вычитают полученный результат из единицы. Функция релаксации имеет общий вид R(t) Ri(0). exp(-X,t)+R2(0)exp(-M), (2) где Ri (0) - безразмерная нормированная ве- личина коэффициента релаксации в первой части процесса в момент времени , доли единицы; R2{0) - то же, во второй части процесса.

Из функции релаксации следует, что чем больше время t, тем меньще значение функции R(t) и меньще скорость релаксации напряжений в солевой толще. Значит, чем позже после вскрытия пластичных пород спущена обсадная колонна, тем медленнее нарастают радиальные нормальные напряжения на стенках ствола скважины, тем медленнее передается наружное давление на обсадную колонну. Кроме уменьшения скорости генерации наружного давления, имеет место фактор степени релаксации напряжений в со.ти, регулирующий величину той части давления, которая передается солевым массивом. Исследованиями установлено, что энергия, выделенная солевой толщей в результате нарушения ее равновесия, - величина, определенная для некоторого перепада горного и гидростатического давления при бурении скважины. Поэтому, чем позже после вскрытия пластичных пород спущена обсадная колонна, те.м больше энергии израсходовано на ползучесть пластичных пород и тем меньще ее остается для передачи на обсадную колонну в результате релаксации напряжений. В предельном, самом благоприятном случае, когда ползучесть приближается к своему конечному значению и еще в ходе бурения устанавливается равновесие массива, соль совсем не передает на обсадную колонну наружное давление, если колонна спущена после момента установления равновесия. В этом случае наружное давление на колонну определяется только гидростатическим давлением в скважине и равно радиальному нормальному напряжению на стенках ствола.

Таким образом, после спуска обсадной колонны и цементирования начинается рост радиальных нормальных напряжений на стенках ствола и, в связи с этим, рост наружного давления на колонну. Увеличение наружного давления производится от исходного, которое равно гидростатическому давлению бурового раствора, до конечного, которое определяется по формуле

PHap gHpl-fgH(p« -PI). R(to)-R(t|),(3)

где Рнар - наружное давление соли на обсадную колонну. Па; р: - плотность бурового раствора при бурении в солях под колонну,

rf

РП - приведенная плотность горных пород, кг/м ;

ускорение силы тяжести, кгм/с ; - глубина определения наружного давления, м;

R(to) и

R(tf)- безразмерное значение функции релаксации в моменты времени, соответствующие цементированию колонны to и определению величины наружного давления ti, отсчитываемые от времени вскрытия солей на глубине Н.

В формуле (3) первое слагаемое правой

сации солей, которое согласно исследованиям, например, для каменной соли находится в пределах 1500-2000 суток. Поэтому величина R(ti) в формуле (3) близка к нулю. В этом случае, приравнивая (3) и (4), получают

PKp+gH().,gHp, +gH ((,„--(,) R (-t J ,

откуда

10

R(t,,)

Ркр + 9Н( Н(„ -(ii)

(5)

Пример. В скважине с глубиной залегания подошвы каменных солей 2800 м в процессе бурения измеряют деформацию сужечасти отражает воздействие гидростатичес- j ния стенок ствола способом стандартной про- кого давления бурового раствора в момент филеметрии. На основании измерений строят спуска колонны. Второе слагаемое отражаетзависимость ползучести каменной соли U(t)

рост радиального нормального напряжения на стенках скважины, которое передается на колонну вследстг ие релаксации в интер20 0,158 cvf, и

вале времени . .Если бы релаксации не было, напряжение на колонну не передавалось бы. Из формулы (3) видно, что колонна может быть подвергнута максимальному давлению, равному горному, в случае, когда , т.е., когда колонна спущена и зацементирована практически вслед за бурением интервала солей. Но, если время цементирования to близко к окончанию времени релаксации соли, то колонна нагружена только гидростатическим давлением бурового раствора. Следовательно, при более позднем спуске колонны наружное давление на колонну меньше и скорость его генерации также меньше.

Полученную функцию релаксации (2) строят на графике в координатах R-t, после чего по формуле находят значение R(to).

Далее с помощью графика по полученному значению R(to) находят время to, которое является временем спуска и цементирования обсадной колонны, отсчитываемым от момента вскрытия солей на соответствующей глубине Н.

Обсадную колонну для перекрытия пластичных пород спускают и цементируют через время to, которое отсчитывают от момента вскрытия подошвы солевой толщи.

для глубины 2800 м.

По графической зависимости находят для глубины 2800м и,„а.кс 45 мм, .Я,

225 мм, Яг 0,0024 CVT

25

30

35

40

По этим данным составляют функцию ползучести

U(t)45 l-exp(-0,l58t) 1+225 I - -exp(0,0024t) j.

Нормируя функцию ползучести путем деления этой формулы на сумму ее членов 45 + 225 и вычитая полученный результат из единицы, получают функцию релаксации, выраженную в долях единицы

R (t) 0,167ехр (-0.58t) +0,833exp i X (-0,0024t),

строят R(t) на графике в координатах R-t.

Бурение в солевой толще до глубины 2800 м ведут буровым раствором с минимальной плотностью, которую допускает каменная соль, PI 1260 кг/м долотами диаметром 394 мм. Приведенная плотность горных пород для глубины 2800 м составляет р„ 2300 кг/м , дальнейн ее бурение из-под колонны ведут на буровом растворе с плотностью р2 1200 кг/м . Для перекрытия солевой толщи используют обсадную колонну диаметром 299 мм с максимальным критическим давлением с.мятия труб Ркр 16,2 МПа (толщина стенки

Предварительно бурение интервала плас- д труб 12 мм, группа прочности Л

тичных пород ведут на буровом растворе минимальной плотности pi, которая допустима по технологическим условиям проводки скважины в этом интервале.

Формулу для R (to) получают из формулы (3) следующим образом.

Наружное давление на колонну Рнар урав- новещивается критическим давлением смятия труб Ркр и гидростатическим давлением бурового раствора при бурении из-под колонны. Отсюда

Рнар Ркр + gH,,2.(4)

Время службы скважины может исчисляться несколькими десятками лет, что значительно больше продолжительности релакПо формуле (5) находят значение R(to) 0,51.

По графику находят to 200 сут, обсадную колонну диаметром 299 мм для перекрытия солевых отложений спускают на глуби- 50 ну 2800 м по прошествии 200 сут с момента бурения на глубине 2800 м.

Проверяют, какое наружное давление генерировано на обсадную колонну, например, через 10 лет. По формуле (3) Рнар 49,3 МПа. По формуле (4) Рнар 49,3 МПа.

Следовательно, колонна выдерживает давление смятия с требуемым коэффициентом запаса прочности 1,0.

55

сации солей, которое согласно исследованиям, например, для каменной соли находится в пределах 1500-2000 суток. Поэтому величина R(ti) в формуле (3) близка к нулю. В этом случае, приравнивая (3) и (4), получают

PKp+gH().,gHp, +gH ((,„--(,) R (-t J ,

откуда

R(t,,)

Ркр + 9Н( Н(„ -(ii)

(5)

ния стенок ствола способом стандартной про- филеметрии. На основании измерений строят зависимость ползучести каменной соли U(t)

0,158 cvf, и

для глубины 2800 м.

По графической зависимости находят для глубины 2800м и,„а.кс 45 мм, .Я,

225 мм, Яг 0,0024 CVT.

5

0

5

0

По этим данным составляют функцию ползучести

U(t)45 l-exp(-0,l58t) 1+225 I - -exp(0,0024t) j.

Нормируя функцию ползучести путем деления этой формулы на сумму ее членов 45 + 225 и вычитая полученный результат из единицы, получают функцию релаксации, выраженную в долях единицы

R (t) 0,167ехр (-0.58t) +0,833exp i X (-0,0024t),

строят R(t) на графике в координатах R-t.

Бурение в солевой толще до глубины 2800 м ведут буровым раствором с минимальной плотностью, которую допускает каменная соль, PI 1260 кг/м долотами диаметром 394 мм. Приведенная плотность горных пород для глубины 2800 м составляет р„ 2300 кг/м , дальнейн ее бурение из-под колонны ведут на буровом растворе с плотностью р2 1200 кг/м . Для перекрытия солевой толщи используют обсадную колонну диаметром 299 мм с максимальным критическим давлением с.мятия труб Ркр 16,2 МПа (толщина стенки

труб 12 мм, группа прочности Л

труб 12 мм, группа прочности Л

По формуле (5) находят значение R(to) 0,51.

По графику находят to 200 сут, обсадную колонну диаметром 299 мм для перекрытия солевых отложений спускают на глуби- ну 2800 м по прошествии 200 сут с момента бурения на глубине 2800 м.

Проверяют, какое наружное давление генерировано на обсадную колонну, например, через 10 лет. По формуле (3) Рнар 49,3 МПа. По формуле (4) Рнар 49,3 МПа.

Следовательно, колонна выдерживает давление смятия с требуемым коэффициентом запаса прочности 1,0.

Если бы не использовался предлагаемый способ, наруж юе давление было бы равно горному, т.е. Piiap Piop 63,3 МПа. Тогда потребовались бы трубы, имеющие Ркр 30,2 МПа, т.е. прочность труб надо было бы увеличить почти в 2 раза.

Формула изобретения

Способ бурения и крепления скважин в н-ластичных горных породах, включаю- ншй бурение скважины с промывкой буровым раствором и крепление скважины обсадной колонной, отличающийся те.м, что, с целью повьппения эффективности крепления скважин за счет уменьшения возможности смятия обсадных колонн, бурение скважин осуществляют с промывкой буровым раствором минимально допустимой плотности, при которой отмечается деформация пластичных горных пород, причем эту дефор- мапию измеряют во времени и по ней определяют релаксацию напряжений пластичных горных пород во времени, а крепление скважин обсадными колоннами осуществляют после достижения релаксации напряжения величины R(to), определяемой из выражения

ри PKp-f H(p2-PI)

.Н(р7-р|)

гдеН(1о) -безразмерная величина функции релаксации напряжений во времени в пластичных породах, доли единицы;

, - плотность бурового раствора при бурении скважины в пластичных горных породах, к.г/м

PJ - плотность бурового раствора при бурении из-под колонны,

р.„--приведенная плотность горных пород, кг/м ;

g -ускорение силы тяжести, кгм/с ;

Tip-, критическое давление смятия обсадной колонны. Па.

Изобретение относится к бурению и м.б. использовано при сооружении скважин на месторождениях, имеющих в геологическом разрезе пластичные горные породы. Цель изобретения - повышение эффективности крепления скважины за счет уменьшения возможности смятия обсадных колонн. Способ включает бурение скважины в интервале пластичных пород (ПП) с промывкой буровым раствором (БР) минимально допустимой плотности, при которой отмечается деформация горных ПП под действием перепада давления на стенки скважины. При этом измеряют деформацию любым из известных способов и по ней определяют релаксацию напряжений ПП по времени. Последующее крепление скважины обсадными колоннами осуществляют после достижения релаксации напряжения величины, определяемой из вы- .р а жен и я R (to) Ркр- + qH (ро -PI ) : : qH (р„-PI) , где R(tn) - безразмерная величина функции релаксации напряжений во времени в ПП, доли единицы; (); - плот- ность БР при бурении скважины в ПП, кг/м ; р2 - плотность БР при бурении из-под обсадной колонны, кг/м ; р,, - приведенная плотность горных пород, кг/м ; g - ускорение силы тяжести, кгм/с ; Ркр - критическое давление смятия обсадной колонны, Па. В итоге наружное давление на обсадную колонну уравновешивается Ркр. 1 ил. I (Л

i-r- |г- «

t

0:1

§

- C5s

ч

c:S

5 §

CS

«ii

cs

Си

CM

ZOO Ш 600 800 mo ij cym to - 200 cym