составная крепь скважины

Формула изобретения

Составная крепь скважины, включающая концентрично расположенные колонны обсадных труб, образующие межтрубные кольцевые пространства, заполненные цементом, и средства повышения жесткости крепи, установленные на наружной поверхности обсадных труб каждой колонны в интервалах аномально высоких внешних давлений, отличающаяся тем, что средства повышения жесткости крепи выполнены в виде упрочняющих колец, расстояние между ближайшими торцами которых определяют по формуле



где R срединный радиус обсадной трубы, м;

_т- предел текучести материала обсадной трубы, МПа;

h эквивалентная толщина сектора обсадной трубы, нагруженного контактным горным давлением, м, определяемая по формуле

h R_н 0,866R_в,

где R_н наружный радиус обсадной трубы, м;

R_в внутренний радиус обсадной трубы, м;

P_k контактное давление пластичной горной породы, МПа,

причем оси упрочняющих колец на трубах последующей обсадной колонны смещены относительно торцов ближайщих колец на трубах предыдущей обсадной колонны на половину расчетного расстояния, а габаритные размеры колец равны габаритным размерам муфтовых соединений обсадных труб.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкциям нефтяных, газовых и других скважин, пробуренных в зонах залегания пластичных пород, в интервалах проявления аномально высоких внешних давлений.

Известна составная крепь скважины, состоящая из двух концентрично расположенных овальных труб, большие оси овалов которых расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях, и распорных винтов, установленных диаметрально противоположно по малой оси внешней трубы по всей ее длине с возможностью взаимодействия с внутренней трубой (авт. св. N 899831, кл. E 21 B 17/00, 06.11.79, ОБ N 3, 1992).

Недостатком указанного устройства является малая надежность работы крепи скважины в интервалах проявления аномально высоких внешних давлений, т.к. внутренняя труба не защищена от действия горного давления при деформировании наружной трубы. Конструкция сложна в изготовлении, имеет значительный вес и не позволяет производить раздельный спуск колонн. Снижается прочность при деформации трубы винтами; в качестве прототипа взята составная крепь скважины, состоящая из концентрично расположенных обсадных труб, образующих межтрубные кольцевые пространства, заполненные цементом, и средств повышения жесткости крепи, выполненных в виде установленных на наружной поверхности каждой из обсадных труб продольных ребер, равномерно расположенных по периметру труб по одной образующей, причем верхний торец ребра каждой смежной трубы расположен на уровне нижнего торца ребра предыдущей трубы, а расстояние между ребрами на каждой из труб равно сумме длин ребер остальных труб (авт. св. N 1798472 кл. E 21 B 17/00, 21.09.90, ОБ N 8, 1993).

Недостатком указанного устройства является малая надежность работы крепи скважины в интервалах проявления аномально высоких внешних давлений, т.к. составная крепь этой конструкции эффективна для уменьшения осевых напряжений в обсадных трубах. В зонах залегания пластичных пород действующие аномально наружные давления вызовут деформацию труб в поперечном направлении.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, сводится к следующему: повышается надежность работы крепи скважины в интервалах проявления аномально высоких внешних давлений.

Технический результат достигается с помощью известного устройства, содержащего концентрично расположенные колонны обсадных труб, образующие межтрубные кольцевые пространства, заполненные цементом, и средства повышения жесткости крепи, установленные на наружной поверхности обсадных труб каждой колонны в интервалах аномально высоких внешних давлений, в котором средства повышения жесткости крепи выполнены в виде упрочняющих колец, расстояние между ближайшими торцами которых определяют по формуле:



где:

R срединный радиус обсадной трубы, м;

_т предел текучести материала обсадной трубы, МПа;

h эквивалентная толщина сектора обсадной трубы, нагруженного контактным горным давлением, м;

определяемая по формуле:

h R_н 0,866 R_в,

где

R_н наружный радиус обсадной трубы, м;

R_в внутренний радиус обсадной трубы, м;

P_к контактное давление пластичной горной породы, МПа.

Оси упрочняющих колец на трубах последующей обсадной колонны смещены относительно торцов ближайших колец на трубах предыдущей обсадной колонны на половину расчетного расстояния, а габаритные размеры колец равны габаритным размерам муфтовых соединений обсадных труб.

Предлагаемая составная крепь скважины явным образом не следует из уровня техники. По имеющимся источникам известности не выявлена составная крепь скважины со средствами повышения жесткости указанной конструкции и их взаимном расположении относительно друг друга на трубах одной колонны и на трубах последующей колонны.

Усиление обсадных труб кольцами методом прессовой посадки (например, установкой разогретого кольца на холодную трубу) чрезвычайно сложно, т.к. обсадные трубы имеют овальность, устранить которую, не снижая несущую способность трубы, невозможно. В связи с этим предлагается усиливать обсадные трубы упрочняющими кольцами, позволяющими за счет особого способа их изготовления устанавливать последние на овальной трубе.

При усилении оболочки (трубы) подкрепляющими кольцами расстояние между ними определяют, исходя из условий сохранения взаимного влияния их концов. При этом нагружение оболочки (трубы) происходит по всей ее поверхности. Особенностью нагружения обсадных труб в зонах пластичных пород является распределение нагрузки по части поверхности трубы, что обусловлено дефектами цементирования и эксцентричным положением обсадной трубы в скважине. Это позволяет выделить из оболочки (трубы) ее нагруженную часть и применить для определения расстояния между кольцами (играющими роль опор) балочный механизм исчерпания несущей способности под действием контактного горного давления. Величина контактного давления, P_к, для высокопластичных горных пород зависит от их предела текучести на сдвиг, и может быть определена по формуле:

P_к= 3 P_rб

где

R_гб боковая составляющая геостатического давления.

Предельное значение контактного давления не может превышать величины боковой составляющей геостатического давления. На основании вышеуказанного механизма исчерпания несущей способности выведена расчетная формула расстояния между упрочняющими кольцами. Несущая способность участка обсадной трубы, заключенного между кольцами, воспринимающей контактное давление пластичной породы, исчерпывается при достижении им максимально возможной величины. Участок пластически деформируется. Максимальные деформации согласно расчетному механизму исчерпания несущей способности будут расположены в его центре. Эта часть передает сосредоточенную нагрузку на трубу последующей обсадной колонны, которая воспримет ее именно подкрепленным участком. Эффект укрепления места приложения нагрузки очевиден.

Кроме увеличения жесткости конструкции в поперечном направлении упрочняющие кольца работают еще и как элементы, сдерживающие продольные перемещения конструкции.

При цементировании обсадных колонн сцепление цементного камня с металлом и горной породой происходит в основном за муфтовыми соединениями труб. Значение упрочняющих колец для обсадной колонны при ее цементировании совершено аналогично муфтовым соединениям. Увеличивая количество колец (муфт) на трубе, автоматически улучшают ее связь с горным массивом, за счет чего ограничиваются перемещения труб в осевом направлении. Такое ограничение перемещений оболочки (трубы) в осевом направлении повышают величину критического внешнего давления.

При цементировании обсадных колонн, содержащих трубы с усиливающими элементами (упрочняющими кольцами), гидравлические сопротивления возрастут, но поскольку габаритные размеры колец не больше габаритных размеров муфтовых соединений, а интервалы применения таких труб ограничены, то возрастание величины гидравлического сопротивления не должно быть значительным.

На чертеже показан общий вид скважины в интервале залегания пластичных пород, укрепленных составной крепью, предлагаемой конструкции. Скважина 1, пробуренная в интервале пластичных пород 2, включает систему концентрично расположенных колонн обсадных труб, 3 предыдущая колонна, 4 последующая колонна с установленными на наружной поверхности труб упрочняющими кольцами 5, габаритные размеры (ширина и высота) которых не превышают габаритные размеры муфтовых соединений 6, затрубные и межтрубные пространства заполнены цементом.

Составную крепь монтируют следующим образом.

Проводят бурение заданного интервала, включающего текучие и пластичные породы. Определяют интервал залегания этих пород. Подготавливают обсадные трубы для спуска в скважину. Для этого трубы, которые будут установлены против текучих пород, оснащают упрочняющими кольцами, расположенными друг от друга на расчетном расстоянии. Производят спуск колонны в скважину. При необходимости цементируют ее и производят последующее углубление скважины. Электрометрическими приборами определяют положение упрочняющих колец относительно устья скважины. Аналогичным образом упрочняют кольцами трубы последующей обсадной колонны, устанавливаемые против интервала текучих пород. Причем, кольца на трубах этого участка смещены относительно колец на трубах соответствующего участка предыдущей колонны. Колонну опускают и цементируют.

Если скорость течения пластичных пород очень высока, возможно перекрытие этого интервала составной крепью совместным спуском упрочненных труб последующей и предыдущей колонны.

Пример. Интервал залегания бишофита находится на глубине 1252 1282 м, т. е. его мощность составит 30 м, предел текучести бишофита на сдвиг 7 МПа;

величина контактного давления бишофита P_к 3 21 МПа;

предел текучести материала обсадных труб группы прочности K, s_т 500 МПа;

толщина стенки обсадных труб, t 1,2 10^-2 м;

срединный радиус обсадных труб, R 11,6510^-2;

наружный радиус обсадных труб, R_н 12,2510^-2;

внутренний радиус обсадных труб, R_в 11,0510^-2 м;

эквивалентная толщина сектора обсадной трубы, нагруженного контактным горным давлением:

h (12,25 0,86611,05)10^-2 2,6810^-2 (м).

1.1.1. Находят расстояние между ближними торцами упрочняющих колец:



1.2. Определяют количество упрочненных обсадных труб, необходимое для перекрытия интервала залегания бишофита.

При длине обсадной трубы, равной 10 м, это количество составит:

30 10 3 (шт.)

1.3. Определяют количество упрочняющих колец на одной трубе:

10 (0,8 + 0,2) 10 (шт.)

где

0,2 м ширина колец.

1.4. Перед спуском труб в скважину производят на них установку упрочняющих колец с учетом расчетного расстояния между их ближними торцами, причем, участок последующей обсадной колонны, расположенный против интервала пластичных пород (те же 30 м) усиливают упрочняющими кольцами, расположенными на том же расстоянии друг от друга, но оси которых смещены относительно торцов ближайших колец предыдущей колонны на половину расчетного расстояния, т.е. на 0,4 м. При этом составная крепь работает следующим образом. При достижении контактным давлением горных пластичных пород величина 21 МПа несущая способность участка, заключенного между упрочняющими кольцами, трубы обсадной колонны, воспринимающей его, будет исчерпана. Произойдет его пластическая деформация. Согласно расчетному механизму исчерпания несущей способности максимальные деформации трубы будут расположены на расстоянии 0,4 м от торца кольца. Эта часть и передает сосредоточенную нагрузку на трубу последующей обсадной колонны, которая воспринимает ее именно подкрепленным участком. Эффективность подкрепления места приложения нагрузки очевидна. Габаритные размеры колец: длина х толщину 0,2 м х 0,00125 м, равны габаритным размерам стандартных муфтовых соединений для труб данного диаметра.

Составная крепь с вышеуказанными техническими характеристиками выдержит контактное давление (P_к 21 МПа) со стороны пластичной горной породы - бишофита.

2. Несущая способность составной крепи по прототипу аналогично несущей способности обсадных труб, не усиленных упругими кольцами, т.к. продольно расположенные усиливающие элементы, ребра, неэффективны для увеличения жесткости конструкции в радиальном направлении.

Для сравнения определим критическое давление, P_кр, действующее со стороны пластичной породы, которое выдержат трубы группы прочности K, имеющие аналогичную техническую характеристику в вышеприведенных условиях, но не подкрепленные упрочняющими кольцами. Расчет ведут на полное опорожнение с допущением деформации в радиальном направлении 2 3%

P_кр= 4BK_т,

где

,

а D_ср средний диаметр обсадной трубы;

D_ср D t 24,510^-2 1,210^-2 23.210^-2 (м).

P_кр 40,07720,0517500 8 (МПа).

Без упрочнения кольцами трубы данной группы прочности и указанной толщины стенки использовать нецелесообразно, т.к. при P_к>8 МПа они будут деформированы.

3. Далее можно определить предел текучести материала обсадных труб, не подкрепленных упрочняющими кольцами, выдерживающих контактное давление пластичных горных пород, P_к 21 МПа.

Расчет показывает, что для перекрытия этого же интервала бишофита не упрочненными обсадными трубами с толщиной стенки 0,012 м потребуются трубы, изготовленные из стали с пределом текучести 1315 МПа. Группа прочности обсадных труб с таким пределом текучести отсутствует.