способ подвески обсадных колонн

Формула изобретения

Способ подвески обсадных колонн, включающий установку опорной плиты путем срезания направления и кондуктора на расчетных высотах, установку на кондукторе корпуса колонной головки со стойками и опорной втулкой с упором последней в верхний торец направления и закрепление корпуса колонной головки на кондукторе, установку обсадной колонны на клиновую подвеску, расположенную между внутренней поверхностью колонной головки и наружной поверхностью обсадной трубы, и цементирование обсадной колонны, отличающийся тем, что в скважину спускают и цементируют нижнюю секцию обсадной колонны, длину которой рассчитывают по формуле



где Q_нат - величина необходимого усилия натяжения;

D - наружный диаметр обсадной колонны;

p_сц - удельная сила сцепления цементного камня с поверхностью обсадной колонны,

затем спускают верхнюю секцию обсадной колонны, соединяют ее с нижней, зацементированной секцией, проводят натяжение обсадной колонны до расчетной величины, устанавливают ее на клиновую подвеску, после чего цементируют обсадную колонну в напряженно-растянутом состоянии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин на суше и морских скважин с надводным устьем.

Известен способ подвески обсадных колонн на устье скважин [Реализация научно-технической программы перевооружения буровых предприятий РАО "Газпром" // Материалы Научно-технического совета Российского акционерного общества "Газпром" - М.: ИРЦ "Газпром", 1996 г., с. 42-44], в котором перед спуском первой промежуточной колонны срезают направление и кондуктор на расчетных высотах для установки на кондукторе опорной плиты со стойками и опорой с упором последней в торец направления. Производят спуск первой промежуточной колонны на заданную глубину. На последнюю обсадную трубу устанавливают промежуточную втулку и бандажную втулку с запрессованной муфтой обсадной колонны. Колонна подвешена на направление и кондуктор в растянутом состоянии под действием собственного веса. Для ликвидации непараллельности поверхностей бандажной и опорной втулки устанавливается прокладка. Подвешивание всех последующих промежуточных и эксплуатационной колонн производится на колонный фланец.

Недостатками способа являются: невозможность создания необходимого натяжения по всей длине спускаемой обсадной колонны, вероятность потери устойчивости кондуктора при возникающих температурных напряжениях и большом весе последующих обсадных колонн, возможность разрушения бандажной муфты при большом весе последующих обсадных колонн, сложность монтажа и металлоемкость оборудования.

Известен способ подвески обсадных колонн на устье скважин [Гноевых А.Н., Ишанов А.И., Тихонов В.Г., Шляховой С.Д. Технико-технологические решения по обеспечению надежности устья скважины // Газовая промышленность, М.: Газ-Оил Пресс сервис 1995 - N 9 - с. 35-36]. Для реализации способа применяется оборудование, включающее опорную плиту, состоящую из опорной втулки со стойками и опорой, и бандажную втулку с запрессованной в нее муфтой обсадной трубы. Перед установкой опорной плиты срезают направление и кондуктор на расчетных высотах, устанавливают на кондукторе опорную плиту со стойками и опорой с упором последней в верхний торец направления. Спускают первую промежуточную обсадную колонну в скважину на заданную глубину и разгружают колонну на бандажную втулку опорной плиты. Колонна находится в растянутом состоянии под действием собственного веса с опорой на направление, кондуктор или поверхность грунта. Подвешивание всех последующих промежуточных и эксплуатационной колонны производится на колонный фланец.

Недостатками способа являются: невозможность создания необходимого натяжения по всей длине спускаемой обсадной колонны, вероятность потери устойчивости кондуктора при возникающих температурных напряжениях и большом весе последующих обсадных колонн, возможность разрушения бандажной втулки при большом весе последующих обсадных колонн, подвешивание обсадной колонны только по муфте обсадной трубы, сложность монтажа и металлоемкость оборудования.

Наиболее близким к заявляемому является способ [А.с. N 1609962, МПК 5 E 21 B 33/035, "Способ обвязки устья при бурении с надводным размещением противовыбросового оборудования"], в котором производят срезание направления на расчетной высоте. На направлении устанавливают опорную плиту с упором ее в верхний торец направления. Кондуктор натягивают и фиксируют посредством клиньев с насечкой, размещенных между наружной поверхностью кондуктора и внутренней конусной поверхностью опорной втулки. Кондуктор срезают на расчетной высоте, закрепляют на нем колонную головку, соединяют между собой стойками опорную втулку и корпус колонной головки и устанавливают стойки в вертикальные прорези в наружном кольцевом выступе. Опорная плита состоит из корпуса колонной головки, установленного на кондукторе, опорной втулки, имеющей коническую внутреннюю поверхность для установки клиньев с насечкой, концентрично размещенной между кондуктором и направлением с упором в верхний торец направления и стойки, связанные с корпусом колонной головки.

Недостатками способа являются: невозможность создания необходимого натяжения по всей длине спускаемой обсадной колонны, вероятность потери устойчивости кондуктора при возникающих температурных напряжениях за счет осевого перемещения колонной головки.

Цель изобретения - повышение надежности подвески обсадных колонн.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачу минимизации и рационального распределения осевых растягивающих напряжений по обсадной колонне, что предотвращает осевое перемещение колонного фланца при испытании, освоении и эксплуатации скважин, а также при проведении ремонтных работ. Основным условием, предопределяющим расчеты, является исключение "проседания" устья скважины под действием суммарных осевых нагрузок.

Поставленная задача решается следующим образом. Перед установкой и монтажом опорной плиты направление и кондуктор срезают на расчетной высоте и производят центрирование кондуктора относительно направления. На торце кондуктора и направления устанавливают и монтируют опорную плиту, причем сопряжения и горизонтальности соответствующих поверхностей обсадных колонн и опорной плиты добиваются шлифовкой верхних кромок направления и кондуктора. Затем в скважину на бурильных трубах спускают и закрепляют якорь, представляющий собой первую секцию спускаемой обсадной колонны расчетной длины, производят разъединение якоря с бурильными трубами и подъем бурильных труб. Далее спускают в скважину обсадную колонну и соединяют ее с якорем. Производят натяжение обсадной колонны до расчетной величины _нат и посадку обсадной колонны на клиновую подвеску в виде клиньев с насечкой, размещенных между внутренней поверхностью колонной головки и наружной поверхностью обсадной трубы. После этого производят цементирование обсадной колонны в напряженно-растянутом состоянии. Возможен также спуск якоря на обсадной колонне и цементирование обсадной колонны в две ступени при помощи муфты ступенчатого цементирования (МСЦ). Сначала цементируют якорь, затем производят натяжение колонны на расчетную величину и посадку колонны на клиновую подвеску, после чего цементируют колонну в напряженно-растянутом состоянии. Подвешивание всех последующих промежуточных и эксплуатационной обсадной колонн на колонную головку производится аналогично.

Пример:

Подвеску обсадных колонн на устье скважины и цементирование колонн в напряженно-растянутом состоянии производят следующим образом. В скважину спускают и цементируют направление диаметром 630 мм и кондуктор диаметром 426 мм, на котором устанавливают опорную плиту с упором на направление и кондуктор. Спускают и цементируют в напряженно-растянутом состоянии обсадную колонну диаметром 324 мм. Спускают и цементируют в напряженно-растянутом состоянии обсадную колонну диаметром 244,5 мм. Длину якоря рассчитывают по следующей методике.

Определяют вес обсадной колонны в воздухе:

Q_к = l_кq, (1)

где l_к - длина спускаемой обсадной колонны;

q - удельный вес спускаемой обсадной колонны.

Q_к = l_кq = 3550 м 60,2 кг/м = 213,71 т.

Определяют сжимающую нагрузку на опорную плиту (Q_сж.оп.), равную весу обсадной колонны в буровом растворе:



где _р - плотность бурового раствора, г/см³;

_мет - плотность материала спускаемой обсадной колонны, г/см³.

Определяют температурное приращение:

t = t_р- t_ст, (3)

где t_р - температура на устье при эксплуатации скважины, ^oC;

t_ст - температура нейтрального слоя, ^oC.

t = t_p- t_ст = 71-17 = 54C.

Определяют удлинение обсадной колонны от воздействия температурного поля:

l = l(t_p- t_ст). (4)

где - коэффициент удельного температурного удлинения материала обсадной колонны.

Определяют осевую нагрузку от воздействия температурного поля:

P_t = 0,785lE(D²- d²). (5)

где E - модуль Юнга;

D - наружный диаметр обсадной колонны;

d - внутренний диаметр обсадной колонны;



Определяют необходимую силу натяжения обсадной колонны для посадки ее на клинья опорной плиты:

Q_нат = P_t+Q_min+, (6)

где Q_min - минимально необходимая загрузка клиновой подвески колонной головки;

- потеря величины натяжения за счет просадки клиньев.

Q_нат = P_t+Q_min+ = 303,1+32+10 = 345,1 т;

Определяют минимально необходимую длину якоря:



где p_сц - удельная сила сцепления цементного камня с поверхностью обсадной колонны.

Принимаем удельную силу сцепления цементного камня с поверхностью обсадной колонны из реальных условий скважины _сц = 0,02 МПа.

Принимаем длину якоря равной 250 м.

Длина натягиваемой обсадной колонны определится из выражения:

L = l_к-l_я, (8)

L = 3550-250 = 3300 м.

Определяют вес натягиваемой обсадной колонны в воздухе:

Q_к = 3300 м 60,2 кг/м = 198,66 т,

определяют сжимающую нагрузку на опорную плиту (Q_сж.оп.), равную весу обсадной колонны в буровом растворе:



Определяют удлинение обсадной колонны от воздействия температурного поля

l = 10,210^-63300(71-17)10² = 18,2 см.

Определяют осевую нагрузку от воздействия температурного поля:

P_t = 0.785 18.2 2.1 10³ (24.45² - 22.45²) = 281.4 т.

Определяют необходимую силу натяжения обсадной колонны для посадки ее на клинья опорной плиты.

Учитывая, что осевая нагрузка на обсадную колонну от действия температуры превышает собственный вес обсадной колонны в буровом растворе, перед ее цементированием необходимо произвести натяжение обсадной колонны с 150.6 т до 323.4 т, т.е. дополнительно на 172.8 т.

В скважину на бурильных трубах спускают и закрепляют якорь, представляющий собой первую секцию спускаемой обсадной колонны расчетной длины. Производят разъединение якоря с бурильными трубами и подъем бурильных труб. Затем в скважину спускают техническую обсадную колонну диаметром 244.5 мм и соединяют ее с якорем. Производят натяжение обсадной колонны на расчетную величину Q_нат и производят посадку обсадной колонны на клиновую подвеску, в виде клиньев с насечкой, размещенных между внутренней поверхностью колонного фланца и наружной поверхностью обсадной трубы. Производят цементирование обсадной колонны в напряженно-растянутом состоянии.

Или в скважину спускают обсадную колонну и закрепляют якорь, представляющий собой первую секцию спускаемой обсадной колонны расчетной длины. Производят натяжение обсадной колонны на расчетную величину Q_нат и посадку обсадной колонны на клиновую подвеску в виде клиньев с насечкой, размещенных между внутренней поверхностью колонного фланца и наружной поверхностью обсадной трубы. Производят цементирование обсадной колонны в напряженно-растянутом состоянии. Также производится подвешивание всех последующих промежуточных и эксплуатационной обсадной колонн.

Предлагаемый способ позволяет производить:

- подвешивание промежуточных и эксплуатационной колонн в растянутом состоянии с опорой на направление и кондуктор;

- цементирование всех обсадных колонн в подвешенном и растянутом состоянии с необходимой нагрузкой;

- создание неподвижной опоры для колонного фланца всех обсадных колонн на клиньевые подвески;

- предотвращение потери устойчивости кондуктора при возникающих температурных напряжениях и большом весе последующих обсадных колонн;

- предотвращение осевого перемещения колонного фланца и обсадных колонн на устье при изменении температуры и давления в скважине;

- предотвращение разрушения оборудования для подвески обсадных колонн на устье скважины, упрощение конструкции и монтажа оборудования для подвески обсадных колонн на устье скважины, а также снижение металлоемкости оборудования для обвязки устья скважины;

- предотвращение возможности гидроразрыва пласта при цементировании обсадных колонн.