Способ бурения и крепления скважин в пластичных горных породах

 

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; (); - плотность 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц 4 Е 21 В 33 !4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2! ) 3942796/22-03 (22) 30.08.85 (46) 23.06.88. Бюл. № 23 (71) Южно-Уральское отделение Всесоюзного научно- исследовател ьс кого геологоразведочного нефтяного института (72) В. Д. Терентьев, А. А. Михайленко и В. Н. Михеев (53) 622.245.42 (088.8) (56) Мишевич М. И. Справочник инженера по бурению. Т. 1. — М.: Недра, 1973, с. 395.

Авторское свидетельство СССР № 613084, кл. E 21 В 33/14, 1975. (54) СПОСОБ БУРЕНИЯ И КРЕПЛЕНИЯ

СКВАЖИН В ПЛАСТИЧНЫХ ГОРНЫХ

ПОРОДАХ (57) 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. Спо„„SU„„1404639 А 1 соб 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 выражения R(to) = (Р p + qH (р — pi) ):

: (ЧН (р„— р ) ), где R (!о) — безразмерная величина функции релаксации напряжений во времени в ПП, доли единицы; р — плотность БР при бурении скважины в ПП, кг/м ; р — плотность БР при бурении из-под обсадной колонны, кг/м, р, — приведенная плотность горных пород, кг/м ; g— ускорение силы тяжести, кгм/с-; Р p — критическое давление смятия обсадной колонны, Па. В итоге наружное давление на обсадную колонну уравновешивается Р p. 1 ил.

1404639 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 экс@оненциально затухаю- З0 щим процессом и состоит из двух аналогичных частей. Первая из них протекает с большей скоростью, которая в первые сутки достигает 7 — 8 мм/сут, и завершается по истечении, примерно, 30 сут. Вторая часть протекает с меньшеи скоростью и завершается примерно через 1500 — 2000 сут.

Процесс ползучести соли в общем виде описывается выражением

V (t) =Uiмà- (1 — exр(— Хit) ) -+Upакс (!в — ехр (— Xzt)), (1) 40 где U „„„,— максимально возможное перемещение стенок ствола скважины в первой части процесса, мм;

1)рмакс — то же, Во второй части процесса;

1/ 1 — величина, обратно пропорциональная времени, в течение кото- 45 рого происходит максимально возможное перемещение стенок ствола скважины V в первой части процесса, сут, Х вЂ” то же, во второй части процесса;

t — - текущее время, сут.

55

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 уменыпения возможности смятия обсадных колонн. !!à чертеже изображены графики зависимостей деформации пластичных пород

U (t), релаксации напряжений пластичных пород R (t) и наружного давления P. ð (t) .

Бурение и крепление скважин по предлагаемому способу осуществляют следующим 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 проИспользуя полученное выражение ползучести пластичных пород, и на основании связи между функциями ползучести и релаксации напряжений от времени при постоянной деформации определяют функцию релаксации напряжений R(t) пластичной породы, для чего нормируют функцию ползу10

2 чести U (t) на единицу и вычитают полученный результат из единицы. Функция релаксации имеет общий вид

R (t) = R i (О) ехр (-41) +Rq (О) exp (-k t), (2) где Ri (О) — безразмерная нормированная величина коэффициента релаксации в первой части процесса в момент времени t=0, доли единицы;

Rz(0) — то же, во второй части процесса.

Из функции релаксации следует, что чем больше время t, тем меньше значение функции R(t) и меньше 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 соли, 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, тем больше энергии израсходовано на ползучесть пластичных пород и тем меньше 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

P.ap=gHp i+QH (р„— р t ) ° (R (to) — R (t i ) ), (3) где Psap — наружное давление соли на обсадную колонну, Па;

pi — плотность бурового раствора при бурении в солях под колонну, кг/м ;

1404639 р„— приведенная плотность горных пород, кг/м, — ускорение силы тяжести, кгм/с, — глубина определения наружного давления, м;

R(t )и

R (t, ) — безразмерное значение функции релаксации в моменты времени, соответствующие цементированию колонны 1» и ollределению величины наружного давления t>, отсчитываемые от времени вскрытия солей на глубине Н.

B формуле (3) первое слагаемое правой части отражает воздействие гидростатического давления бурового раствора в момент спуска колонны. Второе слагаемое отражает рост радиального нормального напряжения на стенках скважины, которое передается на колонну вследствие релаксации в интервале времени 1» — t>. 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 to=0, т.е., когда колонна спущена и зацементирована практически вслед за бурением интервала солей. Но, если время цементирования t» 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(t»).

Далее с помощью графика по полученному значению R(to) находят время (о, 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.

Предварительно бурение интервала пластичных пород ведут на буровом растворе минимальной плотности р>, которая допустима по технологическим условиям проводки скважины в этом интервале.

Формулу для R (1о) получают из формулы (3) следующим образом.

Наружное давление на колонну Р-» уравновешивается критическим давлением смятия труб Ркр и гидростатическим давлением бурового раствора при бурении из-под колонны. Отсюда

Р...=P., «-дН,, (4)

Время службы скважины может исчисляться несколькими десятками лет, что значительно больше продолжительности релак4 сации солей, которое согни ll(> исследованиям, например, для каменной соли находится в пределах 500--2000 суток. 11оэтому величина R (t>) в формуле (3) близка к нулю. В этом случае, приравнивая (3) и (4), получают

Ркр+яН!»=-сгН!>>+ЯН (!>„— -!>> ) К (4 1, откуда

Р.» Н(») 0 К(! )— (5)

Пример. В скважине с глубиной залегания подошвы каменных солей 2800 м в процессе бурения измеряют деформацию сужения стенок ствола способом стандартной профилеметрии. На основании измерений строят зависимость ползучести каменной соли U(t) для глубины 2800 м.

По графической зависимости находят для гл бины 2800 м U,„„, =45 мм, А, =

20 = 0,158 сут, V „ = 225 мм, Л, = 0,0024 сут.

По этим данным составляют функцию ползучести

U (t) =45 (1 — ехр(0,158!) )+225 (1 — ехр(— 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

30 К (t) =0,167ехр (0,158!) +0,833ехр к х (— 0,0024t), строят R(t) на графике в координатах

R — t.

Бурение в солевой толще до глубины

2800 м ведут буровым раствором с мини35 мальной плотностью, которую допускает каменная соль, р> = 1260 кг/м долотами диаметром 394 мм. Приведенная плотность горных пород для глубины 2800 м составляет р„= 2300 кг/м, дальнейшее бурение из-под колонны ведут на буровом растворе с плотностью р> = 1200 кг/м . Дл я перекрытия солевой толщи используют обсадную колонну диаметром 299 мм с максимальным критическим давлением смятия труб Ркр = 16,2 МПа (толщина стенки

45 труб !2 мм, группа прочности Л).

По формуле (5) находят значение

R (to) = 0,51.

По графику находят 1» = 200 сут, обсадную колонну диаметром 299 мм для перекрытия солевых отложений спускают на глуби50 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 = 493 МПа. По формуле (4) Риар

55 = 49,3 МПа, Следовательно, колонна выдерживает давление смятия с требуемым коэффициентом запаса прочности 1,0.

1404639

Фор иила изобретения где R(t>)—

Оаа 8, су п

Составитель В. Гришанов

Редактор О. Юрковецкая Техред И. Верес Корректор А. Обручар

Заказ 3068/33 Тираж 531 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Если бы не использовался предлагаемый способ, наружное давление было бы равно горному, т.е. Рпзр=Ргор=63,3 МПа. Тогда потребовались бы трубы, имеющие Р.п=

= 30,2 МПа, т.е. прочность труб надо было бы увеличить почти в 2 раза.

Глособ бурения и крепления скважин в пластичных горных породах, включающий бурение скважины с промывкой буровым раствором и крепление скважины обсадной колонной, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности крепления скважин 3а 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 деформацикз измеряют во времени и flo ней 00ределяют релаксацию напряжений пластнч6 ных горных пород во времени, а крепление скважин обсадными колоннами осуществляют после достижения релаксации напряжения величины R(tp), определяемой из выражения

5 безразмерная величина функции релаксации напряжений во времени в пластичных породах, доли единицы; плотность бурового раствора при бурении скважины в пластичных горных породах, кг/м; плотность бурового раствора при бурении из-под колонны, кг/м"; приведенная плотность горных пород, кг/м ; ускорение силы тяжести, кгм/с ; критическое давление смятия обсадной колонны, Па.