Способ бурения скважины при депрессии на пласт

 

Изобретение относится к технике бурения скважин и может быть использовано для бурения глубоких скважин на нефть и газ. Цель - повышение эффективности способа за счет упрощения герметизации устья скважины между бурильной трубой и временной незацементированной обсадной колонной и предупреждения проявления в открытом стволе скважины выше долота. Под долотом поддерживают величину забойного давления, меньшую пластового. В скважину спускают временную незацементированную обсадную колонну и устанавливают с зазором по отношению к предыдущей обсадной колонне большего диаметра. В процессе бурения под очередную обсадную колонну промывку скважины осуществляют в кольцевом пространстве, между наружной стенкой бурильных труб и внутренней стенкой временной незацементированной обсадной колонны, через открытое устье скважины нисходящим потоком бурового раствора большей плотностью по сравнению с плотностью бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, и с расходом, увеливающимся при понижении уровня в открытом устье скважины. Слияние встречных буровых потоков осуществляют под нижним концом незацементированной верхней секции обсадной колонны, спускаемой на расчетную глубину. После слияния встречных потоков объединенный поток направляют вверх через кольцевое пространство между временной незацементированной обсадной колонной и предыдущей обсадной колонной большего диаметра. После выхода бурового раствора из кольцевого пространства скважины его направляют в блок регулируемого дросселя давления и дегазаторы, а далее - в нажимную циркуляционную систему. Уровнем жидкости в открытом устье скважины управляют изменением гидравлического сопротивления регулируемого дросселя давления на выходе бурового раствора из скважины. Величиной избыточного давления управляют, изменяя плотность бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы и открытые устья скважины. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технике бурения скважин и может быть использовано при бурении глубоких скважин на нефть и газ с депрессией в зоне работы долота. Цель изобретения повышение эффективности способа за счет упрощения герметизации устья скважины между бурильной трубой и временной незацементированной обсадной колонной и предупреждения проявлений в открытом стволе скважины выше долота. Способ иллюстрируется чертежом, на котором приняты следующие обозначения: 1 долото; 2 забойный двигатель; 3 бурильные трубы; 4 регулируемый дроссель давления; 5 первая промежуточная обсадная колонна; 6 вторая промежуточная обсадная колонна; 7 нижняя секция третьей промежуточной обсадной колонны, 8 временная нецементируемая обсадная колонна (верхняя секция третьей промежуточной обсадной колонны); 9 предыдущая обсадная колонна большего диаметра (кондуктор). Способ осуществляется следующим образом. В процессе бурения под очередную обсадную колонну промывку скважины осуществляют в кольцевом пространстве между наружной стенкой бурильных труб и внутренней стенкой временной незацементированной (верхней секции) обсадной колонны через открытое устье скважины нисходящим потоком бурового раствора большей плотностью по сравнению с плотностью бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, и с расходом, увеличивающимся при понижении уровня в открытом устье скважины (большим нуля при понижении уровня в открытом устье скважины и равным нулю при неподвижном уровне), а слияние встречных нисходящего и восходящего потоков бурового раствора осуществляют под нижним концом незацементированной верхней секции обсадной колонны, спускаемой на расчетную глубину, причем после слияния встречных потоков бурового раствора объединенный поток направляют вверх через кольцевое пространство между временной незацементированной обсадной колонной и предыдущей (зацементированной) обсадной колонной большего диаметра, а после выхода бурового раствора из кольцевого пространства скважины его направляют в блок регулируемого дросселя давления и дегазаторы, а далее в наземную циркуляционную систему. При этом уровнем жидкости в открытом устье скважины управляют, изменяя гидравлическое сопротивление регулируемого дросселя давления на выходе бурового раствора из скважины, а величиной избыточного давления, изменяя плотности бурового раствора ρ₁ и ρ₂, закачиваемого в бурильные трубы и в открытое устье скважины соответственно. Перед началом бурения под очередную обсадную колонну внутрь предыдущей обсадной колонны большего диаметра спускают временную нецементируемую обсадную колонну на глубину, равную или большую расчетной глубины слияния встречных потоков, численно равной частному от деления разности между пластовым давлением на глубине спуска нижнего конца очередной обсадной колонны и давлением столба бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, равного по высоте глубине спуска очередной обсадной колонны, на произведение разности плотностей нисходящего потока бурового раствора и бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, и ускорения свободного падения. Слияние встречных потоков в скважине (нисходящего и восходящего) при промывке осуществляют на глубине, численно равной или большей величины h, определяемой по формуле (1), при этом давление на выходе бурового раствора из скважины определяют по формуле (2) и проверяют соблюдение условия (3). В случае несоблюдения условия (3) изменяют величины плотности бурового раствора ρ₁ и ρ₂, закачиваемого в бурильные трубы, и в открытое устье соответственно: h (1) P_у=(ρ₂-ρ₁)˙g h (2) P_у≅P_доп. (3) где h расчетная глубина слияния встречных потоков бурового раствора в скважине, м; Р_пл пластовое давление на проектной глубине спуска очередной обсадной колонны, Па; Н глубина спуска очередной обсадной колонны, м; ρ₁- плотность бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, кг/м³; ρ₂- плотность бурового раствора, закачиваемого в открытое устье скважины, кг/м³; q ускорение свободного падения (q9,80665 м/см²);
Р_у избыточное давление на выходе бурового раствора из скважины, Па;
Р_доп максимальное допускаемое избыточное давление (для применяемого устьевого оборудования и обсадной колонны) на выходе бурового раствора из скважины, Па. Исходя из того, что в процессе бурения скважины используется буровой раствор плотностью ρ₁, а пластовое давление Р_пл на проектной глубине по своей величине превышает давление столба бурового раствора (Р_пл > ρ₁gH), на устье закрытой скважины при отсутствии циркуляции избыточное давление достигает значения Р_у, определяемого по формуле
Р_у Р_пл ρ₁gH. (4)
Давление бурового раствора плотностью ρ₁ в кольцевом пространстве между обсадными колоннами на глубине h описывается уравнением (5), а давление бурового раствора плотностью ρ₂ в кольцевом пространстве между бурильными трубами и внутренней стенкой незацементированной обсадной колонны на той же глубине уравнением (6)
Р_h P_у + ρ₁gh; (5)
P_h ρ₂gh, (6) где P_h давление бурового раствора на расчетной глубине слияния встречных потоков, т.е. под нижним концом верхней нецементируемой обсадной колонны верхней секции, Па. На выходе бурового раствора из скважины максимальное допускаемое значение давления Р_у не должно превышать величину допускаемого давления для данного оборудования Р_доп, т.е. непременным условием безопасности является Р_у≅Р_доп. Если конструкция скважины предусматривает спуск промежуточных обсадных колонн в количестве, равном m, то первую промежуточную обсадную колонну опускают на глубину, численно равную или большую суммы двух слагаемых, первое из которых равно частному от деления разности между максимально возможной величиной пластового давления на проектной глубине скважины и давлением столба бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, численно равного по высоте проектной глубине скважины, на произведение разности плотностей нисходящего потока бурового раствора, закачиваемого в открытое устье, и бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы на завершающей стадии бурения, и ускорения свободного падения, а второе слагаемое равно произведению протяженности перекрытия нижнего конца первой промежуточной обсадной колонны или места стыковки очередных обсадных колонн последующими и числа всех промежуточных обсадных колонн, уменьшенного на единицу, т.е. определяют по формуле
H₁= + Δh(m-1)
(7) где Н₁ глубина спуска первой промежуточной обсадной колонны, м;
Р_пл* максимально возможная величина пластового давления на проектной глубине скважины, Па;
Н* проектная глубина скважины, м;
Δh протяженность по вертикали перекрытия нижней секцией промежуточной обсадной колонны башмака первой промежуточной обсадной колонны или места стыковки предыдущих промежуточных обсадных колонн, м;
m общее количество всех промежуточных обсадных колонн. Первое слагаемое в правой части формулы (7) является расчетной глубиной слияния встречных потоков при бурении под эксплуатационную обсадную колонну, а численная величина второго слагаемого в правой части формулы (7) указывает на необходимое приращение (увеличение) глубины спуска первой промежуточной обсадной колонны по сравнению с расчетной глубиной слияния встречных потоков на этапе бурения под эксплуатационную обсадную колонну. Так, на чертеже видно, что на завершающем этапе бурения скважины башмак первой промежуточной обсадной колонны перекрыт двумя промежуточными обсадными колоннами (всего промежуточных обсадных колонн m 3, количество перекрытий m 1˙3-1 2). Поэтому для обеспечения слияния встречных потоков на расчетной или большей глубине первую промежуточную обсадную колонну спускают на глубину, превышающую расчетную величину h не менее, чем на 2Δh. Стыковку верхней и нижней секций второй и последующих промежуточных обсадных колонн производят на глубинах, каждая из которых на Δh(n-1) меньше глубины спуска первой промежуточной обсадной колонны. Расчет глубин стыковки секции обсадных колонн производят по формуле
L_n H₁ Δh(n-1), (8) где L_n глубина стыковки верхней и нижней секций промежуточной обсадной колонны, порядковый номер равен n, м;
n порядковый номер промежуточной обсадной колонны, для которой определяется глубина стыковки верхней и нижней секций (для второй промежуточной обсадной колонны n 2). Так, например, стыковку верхней и нижней секций второй промежуточной обсадной колонны (n 2) производят на глубине, которая на Δh меньше глубины спуска первой промежуточной обсадной колонны. Применяя формулу (8), получаем
L₂ H₁ Δh(2-1) H₁ Δh. (9)
Глубина стыковки верхней и нижней секций третьей промежуточной обсадной колонны (n 3) равна
L₃ H₁ Δh(3-1) Н₁ 2Δh. (10)
Подставляя в выражение (8) значение Н₁ из формулы (7), получаем формулу для определения глубины стыковки верхней и нижней секций промежуточных обсадных колонн
L_n= Δh(m-n)
(11)
Способ осуществляют следующим образом. Проектная глубина скважины Н*7000 м, максимально возможная величина пластового давления на глубине 7000 м Р_пл* 126 ˙10⁶ Па. Изменение градиента пластового давления в зависимости от глубины приведено в таблице. Проектная конструкция скважины предусматривает следующие показатели при эксплуатации:
предыдущая обсадная колонна большего диаметра (кондуктор) диаметром 630 мм до глубины 350 м;
первая промежуточная обсадная колонна диаметром 406 мм до глубины 2550 м;
вторая промежуточная обсадная колонна диаметром 298 мм до глубины 4300 м;
третья промежуточная обсадная колонна диаметром 219 мм до глубины 5500 м;
эксплуатационная обсадная колонна диаметром 146 мм до глубины 7000 м. Бурение под кондуктор производят долотами диаметром 760 мм. Кондуктор диаметром 630 мм спускают на глубину 350 м и цементируют. Внутрь кондуктора на глубину 300 м спускают сварную временную нецементируемую обсадную колонну диаметром 508 мм. Между внутренней стенкой кондуктора и наружной стенкой временной обсадной колонны образуется кольцевой зазор, равный 51 мм, который с помощью устьевой обвязки через блок регулируемого дросселя давления сообщают с наземной циркуляционной системой. Верхний конец временной нецементируемой обсадной колонны диаметром 508 мм обвязывают с противовыбросовым оборудованием. После спуска бурильных труб на глубину 350 м между ними и трубой бурильной ведущей устанавливают обратный клапан для исключения перелива бурового раствора при наращивании бурильной колонны. Внутреннюю полость временной нецементируемой обсадной колонны заполняют буровым раствором плотностью 1670 кг/м³. Бурение продолжают долотами диаметром 445 мм. В бурильные трубы закачивают буровой раствор плотностью 1178 кг/м³. На выходе бурового раствора из скважины давление Р_y равно Р_y ( ρ₂-ρ₁)gh (1670 1178)9,80665x
x 300³ 1,45 х 10⁶ Па. По мере углубления скважины до 2550 м плотность бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, увеличивают до 1211 кг/м³. При выбранных плотностях бурового раствора ρ₁ и ρ₂ в процессе бурения даже при вскрытии скважиной продуктивных (нефтяных или газовых) пластов избыточное давление на выходе бурового раствора из скважины не превышает значения 1,45˙10⁶ Па, так как увеличение давления неизбежно приводит к повышению уровня в устье основного ствола скважины, а применяемые известные регуляторы уровня в этом случае уменьшают гидравлическое сопротивление на выходе бурового раствора из скважины, за счет этого обеспечивают восстановление уровня в устье основного ствола скважины в исходном положении. В случае понижения уровня в устье основного ствола скважины с помощью того же регулятора уровня увеличивается гидравлическое сопротивление на выходе бурового раствора из скважины, и понижение уровня прекращается, а восстановление его на оптимальной отметке осуществляется с помощью других известных устройств. Определяем глубину спуска первой промежуточной обсадной колонны по формуле (7), полагая, что при вскрытии продуктивного горизонта на проектной глубине удельный вес бурового раствора оказывается меньше градиента пластового давления. Исходные данные для расчета следующие:
глубина Н* 7000 м; Р*_пл 126 х 10⁶ Па; удельный вес бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, γ= 16789 н/м³; ρ₁= 1712 кг/м³; ρ₂= 2106 кг/м³; Δh 150 м; m 3. H₁= + 150(3-1) 2494 м
Таким образом, предусмотренная проектная глубина спуска первой промежуточной обсадной колонны 2550 м приемлема. В процессе бурения скважины перед каждым подъемом бурильных труб из верхней нецементируемой обсадной колонны вытесняют буровой раствор плотностью ρ₂ и после того, как весь ствол скважины окажется заполненным буровым раствором плотностью ρ₁, приступают к подъему бурильных труб. После спуска бурильных труб до забоя для очередного долбления под ведущей бурильной трубой устанавливают обратный клапан, после этого верхнюю нецементированную обсадную колонну заполняют буровым раствором плотностью ρ₂. После достижения глубины 2550 м из временной нецементируемой обсадной колонны вытесняют буровой раствор плотностью ρ₂= 1670 кг/м³ и после того, как весь ствол скважины заполнен буровым раствором плотностью ρ₁= 1211 кг/м³, поднимают бурильные трубы и извлекают из скважины временную нецементируемую обсадную колонну диаметром 508 мм. Производят расширение ствола скважины долотами диаметром 508 мм, после чего в скважину на глубину 2550 м спускают сварную первую промежуточную обсадную колонну диаметром 406 мм и цементируют ее. Внутрь первой промежуточной обсадной колонны на глубину 2500 мм спускают временную нецементируемую сварную обсадную колонну диаметром 299 м. Кольцевой зазор между первой промежуточной и временной обсадными колоннами с помощью устьевой обвязки и блока регулируемого дросселя давления сообщают с наземной циркуляционной системой. Верхний конец временной нецементируемой обсадной колонны диаметром 299 мм обвязывают с противовыбросовым оборудованием. После спуска в скважину бурильных труб с долотом до забоя под ведущей бурильной трубой устанавливают обратный клапан. Внутреннюю полость временной обсадной колонны заполняют буровым раствором плотностью 1332 кг/м³ и продолжают бурение долотами диаметром 269 мм, при этом в бурильные трубы закачивают буровой раствор плотностью 1211 кг/м³. Избыточное давление на выходе бурового раствора из скважины составляет
Р_y (ρ₂ ρ₁)gh (1332-1211)˙9,80665 x x2500 2,97˙10⁶ Па. По мере углубления скважины до 4300 м плотность бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, увеличивают до 1235 кг/м³. После достижения глубины 4300 м из временной нецементируемой обсадной колонны вытесняют буровой раствор плотностью 1332 кг/м³, и после того, как весь ствол скважины заполнен буровым раствором плотностью 1235 кг/м³, поднимают бурильные трубы из скважины и извлекают временную обсадную колонну диаметром 299 мм. Производят расширение ствола скважины долотами диаметром 375 мм и опускают нижнюю сварную секцию второй промежуточной обсадной колонны диаметром 299 мм на глубину 4300 м, верхний конец ее цементируют на глубине 2400 м. На глубину 2350 м спускают сварную верхнюю секцию обсадной колонны диаметром 299 мм. Кольцевой зазор сообщают через устьевую обвязку и блок регулируемого дросселя давления с наземной циркуляционной системой. Верхний конец нецементированной верхней секции обсадной колонны диаметром 299 мм обвязывают с противовыбросовым оборудованием. После спуска бурильных труб до забоя под ведущей бурильной трубой устанавливают обратный клапан. Верхнюю секцию незацементированной обсадной колонны диаметром 299 мм заполняют буровым раствором плотностью 1600 кг/м³ и продолжают бурение до глубины 5500 м, при этом в бурильные трубы закачивают буровой раствор плотностью ρ₁= 1235 кг/м³. Избыточное давление на выходе бурового раствора из скважины достигает
Р_y (1600-1235) ˙9,80665˙2350
8,41˙ 10⁶ Па. По мере углубления скважины до 5500 м плотность бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, увеличивают до 1543 кг/м³. После достижения глубины 5500 м из верхней незацементированной секции обсадной колонны вытесняет буровой раствор плотностью 1600 кг/м³ и после заполнения всего ствола скважины буровым раствором плотностью 1543 кг/м³ поднимают бурильные трубы и цементируют верхнюю секцию второй промежуточной обсадной колонны диаметром 299 мм. На глубину 5500 м спускают сварную нижнюю секцию третьей промежуточной обсадной колонны диаметром 219 мм и цементируют верхний ее конец на глубине 2250 м. На глубину 2200 м спускают верхнюю секцию промежуточной обсадной колонны и кольцевой зазор сообщают с помощью устьевой обвязки с блоком регулируемого дросселя давления и наземной циркуляционной системой. Верхний конец незацементированной верхней секции обсадной колонны обвязывают противовыбросовым оборудованием. После спуска бурильных труб до забоя под ведущей бурильной трубой устанавливают обратный клапан, и верхнюю незацементированную секцию обсадной колонны заполняют буровым раствором плотностью 2000 кг/м³. Продолжают дальнейшее бурение под эксплуатационную колонну, при этом в бурильные трубы закачивают буровой раствор плотностью 1543 кг/м³. Избыточное давление на выходе бурового раствора из скважины достигает
Р_y (2000-1543)˙9,80665 ˙2200
9,9˙10⁶ Па. По мере углубления скважины до проектной глубины 7000 м плотность бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, увеличивают до 1886 кг/м³. После достижения глубины 7000 м из верхней незацементированной секции обсадной колонны вытесняют буровой раствор плотностью 2000 кг/м³ и после заполнения всего ствола скважины буровым раствором плотностью 1886 кг/м³ поднимают бурильные трубы из скважины и цементируют верхнюю секцию третьей промежуточной обсадной колонны, после чего спускают и цементируют эксплуатационную обсадную колонну.

Формула изобретения

1. СПОСОБ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ ПРИ ДЕПРЕССИИ НА ПЛАСТ, включающий поддержание под долотом величины забойного давления, меньшей пластового, спуск временной незацементированной обсадной колонны и установку с зазором по отношению к предыдущей обсадной колонне большего диаметра, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа за счет упрощения герметизации устья скважины между бурильной трубой и временной незацементированной обсадной колонной и предупреждения проявлений в открытом стволе скважины выше долота, промывку скважины в кольцевом пространстве между бурильными трубами и временной незацементированной обсадной колонной осуществляют через открытое устье скважины нисходящим потоком бурового раствора плотностью, большей, чем плотность бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, и с расходом, увеличивающимся при понижении уровня в открытом устье скважины, а слияние встречных нисходящего и восходящего потоков бурового раствора осуществляют под нижним концом временной незацементированной обсадной колонны, причем после слияния встречных потоков бурового раствора объединенный поток направляют вверх через кольцевое пространство между временной незацементированной обсадной колонной и предыдущей обсадной колонной большего диаметра. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед началом бурения под очередную обсадную колонну внутрь предыдущей обсадной колонны большего диаметра спускают временную незацементированную обсадную колонну на глубину, равную или большую расчетной глубины слияния встречных потоков, численно равной частному от деления разности между пластовым давлением на глубине спуска нижнего конца очередной обсадной колонны и давлением столба бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, равного по высоте глубине спуска очередной обсадной колонны, на произведение разности плотностей нисходящего бурового раствора и бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, и ускорения свободного падения. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предыдущую обсадную колонну большего диаметра спускают на глубину, равную или большую расчетной глубины слияния встречных потоков бурового раствора в процессе бурения под первую промежуточную обсадную колонну, а после ее цементирования внутрь спускают временную нецементируемую обсадную колонну на глубину, равную или большую расчетной глубины слияния встречных потоков при бурении под первую промежуточную обсадную колонну. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую промежуточную обсадную колонну спускают на глубину, численно равную или большую суммы двух слагаемых, первое из которых равно частному от деления разности между максимально возможной величиной пластового давления на проектной глубине скважины и давлением столба бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы, численно равного по высоте проектной глубине скважины, на произведение разности плотностей нисходящего потока бурового раствора, закачиваемого в открытое устье, и бурового раствора, закачиваемого в бурильные трубы на завершающей стадии бурения, и ускорения свободного падения, а второе слагаемое равно произведению протяженности перекрытия нижнего конца первой промежуточной обсадной колонны или места стыковки очередных обсадных колонн последующими и числа всех промежуточных обсадных колонн, уменьшенного на единицу. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что верхний конец второй и последующих промежуточных обсадных колонн цементируют на глубинах, численно равных разности двух величин, первая из которых равна глубине спуска первой промежуточной обсадной колонны, а вторая равна произведению протяженности перекрытия нижнего конца первой промежуточной обсадной колонны или места стыковки очередных промежуточных колонн и порядкового номера сверху вниз цементируемой промежуточной обсадной колонны, уменьшенного на единицу. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление уровнем бурового раствора в открытом устье скважины осуществляют изменением гидравлического сопротивления на выходе бурового раствора из скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2