Что такое обсадная колонна скважины
Обсадная колонна
Бурение скважин является обязательным этапом работ во многих промышленных сферах. Скважины необходимы как для добычи полезных ископаемых, так и для обеспечения водой жилых домов. В зависимости от предназначения, скважина имеет свое определенное строение, которое начинается с устья. Насколько безопасно и эффективно будет осуществляться эксплуатация скважины, зависит от качества ее крепления. Целью крепления скважины является формирование надежных ее стенок, благодаря которым можно предотвратить нежелательные обвалы. Само скважинное крепление представляет собой систему, основными конструктивными элементами которой являются обсадные колонны и цементные кольца. Конструкция обсадной колонны формируется путем скручивания между собой определенного количества обсадных труб. Стоит сказать, что по всей своей протяженности скважина не во всех местах крепится одинаково. В каждом отдельном месте ее крепление происходит разными способами, с использованием разных колонн.
Таким образом, каждая обсадная колонна имеет свое название и предназначение:
Стоит заметить, что нельзя для крепления, например, начала скважины и ее завершения использовать одни и те же обсадные колонны.
Технологическая оснастка обсадных колонн
Она представляет собой специальные приспособления и устройства, благодаря которым обсадные колонны, секции и потайные колонны погружаются в скважину.
К таким устройствам и приспособлениям относятся:
Цементирование обсадных колонн
Чтобы осуществить цементирование обсадных колонн, нужно наличие соответствующей цементной смеси, получаемой путем соединения тампонажного цемента и воды. В результате этого получается жидкая масса, способная легко и равномерно распределятся по поверхности в силу своей текучести. Разновидность тампонажного цемента напрямую зависит от температуры скважины, которую она имеет на забое.
Для скважин с более низкой температурой (как правило, до 40 градусов) применяется раствор, время застывания которого колеблется от 3 до 7,5 часов с момента его замешивания. Таким образом, при работе с такими скважинами, на цементирование обсадных колонн отводится не более 2,5 часов.
Схватывание раствора для скважин с температурой от 40 до 70 градусов происходит на протяжении от двух до трех часов. На цементирование обсадных труб в таких скважинах отводится всего лишь 1 час времени.
Обсадные трубы в глубоких скважинах с температурой от 100 градусов и выше должны быть зацементированы менее, чем за 1 час.
Как видим, в горячих скважинах раствор застывает быстрее, что, в свою очередь, требует более быстрой работы с ним.
В основном используется первый способ. Колонна цементируется за один раз, в результате чего весь раствор продавливается сразу. Однако, бывают случаи, когда целесообразно использовать двухступенчатое цементирование. В таком случае, работа подразделяется на интервалы и выполняется в два этапа.
Существует еще один, так называемый, промежуточный способ цементирования – манжетный. Он используется в случаях, когда следует защитить некоторую часть ствола от проникновения раствора.
После того, как скважина полностью сформирована, осуществляется опрессовка обсадной колонны. Другими словами, обсадные колонны проверяются на прочность и герметичность. Для этого устанавливается цементирующая головка, после чего буровые насосы воздействуют на устье большим давлением. Опрессовка производится в течении получаса. Именно за это время давление должно снизиться не более чем на 5 атмосфер, что является абсолютной нормой.
Сюжеты по теме
Турбобур – вариант бурового устройства, состоящего из электрогидравлического движка, принцип действия работы которого, основан на превращении энергии движения буровой смеси в энергию движения вала. Назначение такого агрегата – разработка скважинных отверстий для добычи газовых и нефтяных месторождений.
Россия предоставит подтверждения для получения морского права на арктические области.
Выход из этой ситуации предлагает совместная операционная компания, получившая название «Вьетгазпром»
Конструкция скважины
Элементы, входящие в понятие конструкции скважины
Конструкция скважины зависит от целей, геологических условий, глубины, техники бурения, метода разработки месторождения и других факторов.
Определяется глубиной начального и конечного диаметра бурения, числом, Ø и длиной спущенных обсадных колонн, толщиной их стенок, Ø различных участков ствола, углом наклона скважины или отклонением ее от вертикали.
Интервал бурения – это часть траектории скважины, сооруженная с помощью долота одного диаметра и преимущественно с применением одной запроектированной технологии бурения.
Интервал цементирования – это интервал, в котором цементируется конкретная обсадная колонна.
Обсадные колонны могут цементироваться до устья (в основном, направление и кондуктор) и «внахлест» с предыдущей (обычно, технические и эксплуатационные).
Для нефтяных скважин величина перекрытия предыдущей колонны – 150 м, для газовых скважин – 500 м.
Обсадные колонны разведочных скважин цементируются обычно на всю длину.
Устье скважины – верхняя, приповерхностная, часть скважины.
Забой скважины – самая нижняя часть скважины, «дно».
Стенки скважины – боковая часть цилиндрической основы скважины.
Продуктивный горизонт – пласт в разрезе, в котором находятся природные ресурсы.
Зона перфорации – часть обсадной колонны в интервале продуктивного пласта, в которой делаются отверстия для эксплуатации.
МАТЕРИКОВАЯ ДОБЫЧА НЕФТИ
ПОДГОТОВКА СКВАЖИН К ЭКСПЛУАТАЦИИ
Понятие конструкции скважины
— это совокупность элементов крепи горной выработки с поперечными размерами, несоизмеримо малыми по сравнению с ее глубиной и протяженностью, обеспечивающая при современном техническом и технологическом вооружении безаварийное, с учетом охраны недр, экономичное строительство герметичного пространственно устойчивого канала между флюидонасыщенными пластами и остальной частью вскрытого геологического разреза, а также дневной поверхностью, эксплуатирующегося в заданных режимах и времени в зависимости от назначения: изучение геологического разреза, разведка и оценка газонефтеносности отложений, добыча продукции, поддержание пластовых давлений, наблюдение за режимом эксплуатации месторождения и др.
В газонефтяной отрасли нет также единого методического подхода к оценке качества проектирования и строительства скважин, в том числе их конструкции.
Основные элементы скважины
— это дно ствола скважины.
— это горная выработка, внутри которой располагаются обсадные колонны и производится углубление скважины.
— участок скважины, непосредственно соприкасающийся с продуктивным нефтяным или газовым горизонтом. Фильтром может служить необсаженный колонной участок ствола, специальное устройство с отверстиями, заполненное гравием и песком, часть эксплуатационной колонны или хвостовика с отверстиями или щелями.
— затвердевший цементный раствор, закачанный в кольцевое пространство между стволом и обсадной колонной с целью его герметизации.
Цементное кольцо предназначено для надежной изоляции друг от друга интервалов геологического разреза (в том числе и продуктивных) на весь период строительства, эксплуатации и обеспечения жесткой связи обсадных колонн со стенками скважины с целью формирования прочной и герметичной постоянной крепи.
Система обсадных колонн и цементных колец за ними составляют скважины.
Обсадные колонны
Обсадные колонны предназначены для изоляции стенок скважин от рабочего пространства ствола в процессе бурения и эксплуатации и обеспечивают требуемую прочность и герметичность при воздействии на них внутренних и внешних воздействий в первую очередь давления. Для создания необходимой изоляции кольцевого пространства, остающегося между обсадными колоннами, оно заливается жидким цементным раствором, твердеющим через определенное время.
Обсадные колонны по назначению подразделяются следующим образом.
— первая колонна труб или одна труба, предназначенная для закрепления приустьевой части скважин от размыва буровым раствором и обрушения, а также для обеспечения циркуляции жидкости. Направление, как правило, одно. Однако могут быть случаи крепления скважин двумя направлениями, когда верхняя часть разреза представлена лессовыми почвами, насыпным песком или имеет другие особенности. Обычно направление спускают в заранее подготовленную шахту или скважину и бетонируют на всю длину. Иногда направление забивают в породу, как сваю.
Различают шахтное (или шахтовое) направление и удлиненное направление. Шахтное устанавливается, как правило, во всех случаях и его длина составляет 3-10 м. В зависимости от конкретных условий может устанавливаться удлиненное направление или от одного до нескольких направлений и в этом случае длина может достигать 100 м. Направление спускается по возможности в глинистый пласт. Диаметр колонны колеблется от 245 до 1250 мм. Трубы, используемые в качестве направления, на прочность не рассчитываются и не опрессовываются.
— колонна обсадных труб, предназначенных для разобщения верхнего интервала разреза горных пород, изоляции пресноводных горизонтов от загрязнения, монтажа противовыбросового оборудования и подвески последующих обсадных колонн.
Кондуктор в зависимости от геологических условий устанавливается на глубину в среднем до 100 м, а максимальная глубина до 600 м. Диаметр кондуктора, как правило, колеблется в диапазоне 177-508 мм. Он опрессовывается, как и цементное кольцо.
Шахтное направление и кондуктор являются обязательными элементами конструкции скважины.
Промежуточная обсадная колонна (их может быть несколько) служит для разобщения несовместимых по условиям бурения зон при углублении скважины до намеченных глубин.
Промежуточные обсадные колонны могут быть следующих видов:
Секционный спуск обсадных колонн и крепление скважин хвостовиками являются, во-первых, практическим решением проблемы спуска тяжелых обсадных колонн и, во-вторых, решением задачи по упрощению конструкции скважин, уменьшению диаметра обсадных труб, зазоров между колоннами и стенками скважины, сокращению расхода металла и тампонирующих материалов, увеличению скорости бурения и снижению стоимости буровых работ.
— последняя колонна обсадных труб, которой крепят скважину для разобщения продуктивных горизонтов от остальных пород и извлечения из скважины нефти или газа или для нагнетания в пласты жидкости или газа. Иногда в качестве эксплуатационной колонны может быть использована (частично или полностью) последняя промежуточная колонна.
Диаметр обсадной колонны
Проектирование диаметров обсадных колонн и долот начинают с эксплуатационной колонны и далее методом снизу-вверх. Расчет диаметров обсадных труб ведется «изнутри» с диаметра эксплуатационной колонны. Исходя из предполагаемого дебита скважины и экономического обоснования, выбирается диаметр эксплуатационной колонны. Диаметр эксплуатационной колонны определяет диаметры бурения под обсадные колонны для всей скважины, а количество промежуточных колонн определяет конструкцию колонной головки. Увеличение диаметра эксплуатационной колонны позволяет использовать более производительное скважинное оборудование, позволяет эксплуатировать в скважине одновременно несколько пластов и облегчает проведение подземного ремонта. С другой стороны увеличение диаметра эксплуатационной колонны ведет к увеличению металлоемкости обсадных колонн, объему бурения и цементирования. Возрастают нагрузки на колонную головку и ее металлоемкость. Все это ведет к увеличению затрат на строительство скважины. Уменьшение диаметра эксплуатационной колонны снижает стоимость ее строительства, но увеличивает затраты, связанные с эксплуатацией скважины. Так применение малогабаритного оборудования ведет к увеличению затрат на приобретение до 2-3х раз. Усложняется поведение подземного ремонта, что ведет, как правило, к увеличению затрат времени, и, следовательно, и материалов, а в некоторых случаях не позволяет произвести необходимый ремонт.
Сооружение скважины
Только сооруженная скважина может ответить на вопрос: имеется ли в данном районе нефтяное или газовое месторождение и какова промышленная ценность залежи углеводородов.
Сооружение скважины, независимо от ее назначения (разведочная, параметрическая, эксплуатационная и т.д.), включает в себя следующие основные этапы:
При бурении в скважину последовательно спускается определенная конструкция, состоящая из обсадных труб. Каждая последующая колонна вставляется в предыдущую, и поэтому имеет все меньший диаметр.
Дно скважины называется забоем. После проведения цементирования скважины образуется новый забой, который называется «искусственный забой». В процессе эксплуатации на забой осаждаются примеси, части изношенного оборудования или упущенный при проведении подземного ремонта инструмент и т.п., что при замерах изменяет глубину скважины и новая точка называется «текущий забой».
После создания герметичной конструкции скважины в эксплуатационную колонну, напротив продуктивного пласта, спускается на забой устройство (перфоратор), которое проделывает отверстия в обсадных трубах и цементном кольце и соединяет продуктивный пласт и скважину. Эти отверстия заполняются газом и пластовой жидкостью (нефтью), поступающей из пласта под избыточным давлением и заполняют скважину.
Требования к конструкции скважин
В зависимости от назначения скважин конструкция может существенно изменяться, но всегда должна удовлетворять некоторым общим требованиям, которые сводятся к следующему:
Кроме перечисленных, конструкция скважины должна удовлетворять определенным технологическим требованиям, основными из которых являются:
Разработка конструкции скважины
Основные параметры конструкций скважины: число и диаметр обсадных колонн, глубина их спуска, диаметр долот, которые необходимы для бурения под каждую обсадную колонну, а также высота подъема и качество тампонажного раствора за ними, обеспечение полноты вытеснения бурового раствора.
Разработка конструкции скважины базируется на следующих основных геологических и технико-экономических факторах:
К объективным геологическим факторам относят предполагаемую и фактическую литологию, стратиграфию и тектонику разреза, мощность пород с различными проницаемостью, прочностью, пористостью, наличие флюидосодержащих пород и пластовые давления.
Геологическое строение разреза горных пород при проектировании конструкции скважин учитывают как неизменный фактор.
В процессе разработки залежи ее начальные пластовые характеристики будут изменяться, так как на пластовые давления и температуру влияют продолжительность эксплуатации, темпы отбора флюидов, способы интенсификации добычи и поддержания пластовых давлений, использование новых видов воздействия на продуктивные горизонты в целях более полного извлечения нефти и газа из недр, поэтому эти факторы необходимо учитывать при проектировании конструкции скважин.
Конструкция скважин должна отвечать условиям охраны окружающей среды и исключать возможное загрязнение пластовых вод и межпластовые перетоки флюидов не только при бурении и эксплуатации, но и после окончания работ и ликвидации скважины. В связи с этим необходимо обеспечивать условия для качественного и эффективного разобщения пластов. Это один из главнейших факторов.
Таким образом, принципы проектирования конструкций скважин прежде всего должны определяться геологическими факторами.
Простая конструкция (кондуктор и эксплуатационная колонна) не во всех случаях рациональна. В первую очередь это относится к глубоким скважинам (4000 м и более), вскрывающим комплекс разнообразных отложений, в которых возникают различные, иногда диаметрально противоположные по характеру и природе осложнения.
Следовательно, рациональной можно назвать такую конструкцию, которая соответствует геологическим условиям бурения, учитывает назначение скважины и другие, отмеченные выше, факторы и создает условия для бурения интервалов между креплениями в наиболее сжатые сроки. Последнее условие является принципиальным, так как практика буровых работ четко подтверждает, что чем меньше времени затрачивается на бурение интервала ствола между креплениями, тем меньше число и тяжесть возникающих осложнений и ниже стоимость проводки скважины.
Обсадная колонна нефтяной скважины – формулы расчета
Важную роль в бурении скважин по добыче нефти и газа играет создание обсадной колонны – элемента, необходимого для фиксации горизонтов по разработке и удержанию в правильном положении всей скважины. При создании данного элемента крайне важны все параметры для установления правильной длины, диаметра, толщины стенок, поэтому предварительно проводится расчет обсадной колонны, который включает вычисление давления, проверку прочности и герметичности, а также ряд других действий. Правильно выполненная работа позволит создать колонну, максимально защищенную от внешних воздействий и способную обеспечить продуктивный забор нефти и газа.
Назначение обсадных колонн в бурении
Основная задача данного элемента заключается в надежной фиксации скважин бурового типа и герметизации продуктивных слоев от попадания шлака и внешних элементов в момент разработки. Обсадная колонна имеет составную структуру: ее делают из труб, скрепляя друг с другом последовательно при помощи винтов либо сварки (последний метод применяется реже, когда скважину планируется разрабатывать в течение долгого времени, не внося в конструкцию изменений). Резьба труб для обсадных колонн может иметь форму конуса, треугольника или идти по трапеции, при необходимости создать максимально герметичное соединение используют элементы уплотнения. Толщина стенки трубы для обсадочной колонны варьируется в пределах 0,5-1,6 см. сами трубы классифицируются в зависимости от пределов прочности и текучести.
Чаще всего обсадная колонна делается из стальных ниппельных либо безниппельных труб: они отличаются толщиной стенок и внутренним диаметром. Резьбовое соединение имеет защиту от механических повреждений, поэтому готовая конструкция отличается высокой степенью прочности. Безниппельные трубы имеют диаметр от 3,3 до 8,9 см, а ниппельные – от 2,5 до 14,5 см (изделия подбираются, исходя из глубины залегания плодородных пластов, продуктивности и назначения, для чего необходимо выполнять расчет обсадной колонны.
Особенности устройства колонны
Диаметр обсадной колонны высчитывается, начиная с габаритов последнего сегмента (эксплуатационная труба), расчет которых, в свою очередь, производится, исходя из предполагаемой продуктивности скважины. Увеличение внутреннего диаметра делает возможным работать с более мощным оборудованием, в том числе разрабатывать несколько горизонтов и осуществить ремонт ствола. Тем не менее, большой диаметр колонны предпочтителен не всегда, поскольку при большом объеме возрастают и затраты на буровой раствор, цементирование и другие работы и материалы.
Формулы расчета обсадных труб
Расчет обсадной колонны – это комплекс процедур, направленных на установление габаритов, особенностей конструкции и других факторов, которые могут влиять на качество скважины, продуктивность и эффективность эксплуатации. Готовая конструкция должна полностью соответствовать нормам ГОСТ и правилам техники безопасности.
Одной из главной задач в расчете обсадной колонны является определение сминающего давления, для чего специалисты используют формулу Саркисова:
В данной формуле Рси – это показатель давления, D – внешний диаметр труб, amin – толщина стенок обсадной колонны, Е – показатель степени упругости материала, из которого сделана труба.
Основные данные для проведения расчета обсадных труб:
При проведении расчета обсадной колонны необходимо принимать во внимание усилия на растяжение, сминающее давление (формула рассмотрена выше)¸ а также общую нагрузку на сжатие. После того, как работы будут завершены, потребуется провести испытания готовой колонны на прочность, для чего могут применяться различные типы механического и химического воздействия.
Выводы
Обсадная колонна является неотъемлемым элементом любой скважины для добычи полезных ископаемых. Грамотно проведенные расчеты позволят соорудить оптимальную по функциональности и стоимости конструкцию, которая будет требовать минимального обслуживания.
Строение обсадной колоны
Основные критерии выбора обсадной трубы
Бурение скважины – это отличный вариант, позволяющий обеспечить участок автономной системой водоснабжения. Бурить можно как при помощи специалистов, так и своими руками. Главное – правильно подобрать оборудование. Кроме того, чтобы скважина прослужила долго, придется ее обустроить. Для этого используют обсадные трубы.
Для чего нужна обсадка
Чтобы понять, зачем нужна обсадка, следует выяснить, что собой представляет буровая скважина под воду. Это вертикальная выработка цилиндрической формы, сделанная в земле с помощью бурового инструмента и предназначенная для подъема воды из нижних водоносных слоев почвы.
Обсадная чаще изготавливается в синем цвете
Глубина скважины для обеспечения автономного водоснабжения участка может составлять от 4 до 45 метров.
Диаметр скважины при этом всегда намного меньше ее глубины. Чем больше будет глубина, тем чище будет вода. Так, например, с глубины в 4-6 метров будет подниматься лишь техническая жидкость, пригодная для полива. Вода, поднятая с глубины в 10-17 м, будет питьевой, но с высоким содержанием примесей. Чистая (артезианская) питьевая вода располагается на глубине 25-50 м. Для того чтобы вода могла легко проходить такие расстояния, скважины оборудуются обсадными трубами.
Обсадка вертикальной выработки также позволяет:
На сегодняшний день существует несколько способов обсадки. Так, ее можно устраивать и на этапе бурения, и после завершения основного строительного этапа. Конструкция скважины и диаметр труб подбираются в зависимости от особенностей местности: климатических условий, глубины залегания почвенных вод, типа грунта на участке.
Выбор обсадных труб
Они делятся на виды в зависимости от материала изготовления и размеров. Так, для обсадки применяются пластиковые, металлические и асбоцементные изделия. Какие лучше выбрать, зависит от глубины и типа бурения, особенностей грунта. Немаловажными факторами являются стоимость и безопасность изделий.
Наиболее доступными и безопасными для человека считаются пластиковые элементы.
При этом обсадить пластиковым вариантом можно скважину глубиной до 50 метров. Идеальными считаются оцинкованные стальные элементы. Они отлично справляются с большими нагрузками и подходят для обсадки действительно глубоких скважин, но стоят немало. Дешевле будет использовать изделия из асбоцемента. Но тут следует помнить, что их можно заглублять в землю лишь на 15 метров.
Если вы покупаете много обсадных труб, их следует выборочно проверить на наличие повреждений
При выборе обсадки необходимо также обращать внимание на:
Если полученный размер не совпал ни с одной моделью трубы, то берется самый близкий по значениям диаметр исходя из ГОСТа 632-80. Кроме того, на диаметр обсадки влияют и размеры бурового инструмента. Так, труба должна быть меньше бура на 10-30 мм, в зависимости от типа почвы на участке. В плотных, несыпучих породах разрешается бурить вплотную с обсадкой.
Процесс бурения
Обсаживание выполняется в несколько этапов. На начальном этапе на участке выбирается место под выработку, рассчитывается глубина, подбираются насос, обсадные и водопроводные трубы, составляется смета. Главным оборудованием при разработке скважины является бур. Он подбирается в зависимости от типа грунта на участке.
Процесс бурения имеет такие особенности:
После этого проводят пробный прогон, сливают грязную воду. Если все сделано правильно, то последующая вода должна быть чистой. Специалисты советуют взять ее образец и отнести его в СЭС для проверки.
Бурение на обсадной колонне
Оно применяется в случае устройства скважины в сыпучих или влажных грунтах. Такая технология позволяет одновременно выполнять бурение, спуск и установку трубы. Сама колонна представляет собой систему из последовательно соединенных элементов. Они при этом могут соединяться путем сваривания или свинчивания (муфтами или на резьбу).
Обсадные трубы хорошо подходят для использования в условиях дачи
Оборудование обсадной колонны обуславливается особенностями ее назначения и монтажа:
Бурение в неустойчивых грунтах может выполняться как на одиночной, так и на двойной обсадной колонне. В первом случае колонна создается из труб одного размера и прокладывается на поверхность от самого дна вертикальной выработки. Трубы при этом могут быть как пластиковые, так и стальные.
Двойная колонна позволяет эффективно защитить скважину от попадания внутрь нее воды из верхних и средних слоев почвы.
В этом случае для обсадки используются металлические трубы, которые опускаются от поверхности земли до перекрытия верхнего водоносного горизонта. Внутрь металлической обсадки, от поверхности земли до дна скважины, устанавливаются пластиковые элементы. Они позволяют защитить металлическую насадку от коррозийных разрушений, а питьевую воду — от ржавчины.
Обсадка скважины под питьевую воду – это важное мероприятие, которое позволяет защитить вертикальный желоб от обвалов, предотвращает поломку насосного оборудования и попадания в автономный водопровод загрязненной воды. Обсадку выполняют с помощью пластиковых, асбестоцементных и металлических труб. Выбор по материалу изготовления и размерам зависит от особенностей местности, глубины скважины. Используйте представленные выше рекомендации по выбору трубопровода и создавайте надежную и долговечную обсадку своими руками.