50. Назначение устройств и приспособлений для оснащения обсадных колон.

Обсадную трубу изготовляют из углеродистых и легированных сталей. Бывают также полипропиленовые обсадные трубы, деревянные и асбестоцементные.

Раньше наибольшим спросом пользовались металлические обсадные трубы, сейчас достаточно популярны и трубы из пластика. У них есть свои преимущества – например, способность выдерживать большие нагрузки, прочность и долговечность, срок службы до пятидесяти лет.

Где же используются обсадная труба? Эти трубы применяются для крепления нефтяных и газовых скважин. Использование обсадных труб предотвращает осыпание стенок скважины при устройстве нефтяных и газовых скважин в неустойчивых грунтах.

Особенности эксплуатации обсадной трубы

На обсадную трубу оказывается три вида нагрузок – растяжение, внутреннее и внешнее давление. Растяжение возникает под воздействием собственного веса обсадных колонн. Напряжение, как правило, соответствует разнице внутреннего и наружного давления. При воздействии только внутреннего или только наружного давления возникают напряженные условия работы обсадных труб.

В нефтяной и газовой промышленности применяются как обсадные, так и колонковые трубы.

Труба обсадная используется для крепления нефтяных и газовых скважин во время их бурения и для последующего использования, а также для бурения скважин при поиске воды, полезных ископаемых и т.д. Обсадная труба опускается в скважину, чтобы ее стенки не давали рыхлым слоям породы осыпаться. Таким образом, труба обсадная плотно прилегает к стенкам самой скважины. Когда верхние слои породы пробурены, в скважину опускают колонну обсадных труб, а между ними и стенкой скважины заливают бетон, чтобы трубы закрепились. Затем в эту колонну опускают другую колонну труб, меньших в диаметре, для дальнейших работ или непосредственно использования. В каждом отдельном случае труба обсадная должна быть четко установленного размера и диаметра.

Требования к обсадным трубам

Они не должны выходить по толщине стенок и диаметру за пределы, установленные правилами. Если изготавливается труба обсадная с обычной точностью, то непрямолинейность (на 1 м) не должна быть больше 0,7 мм (при диаметре 33,5-89 мм) и 1 мм (при диаметре 108 -146). При изготовлении обсадных труб с повышенной точностью их непрямолинейность не должна превышать 0,3 мм или 0,5 мм при диаметре 33,5-89 мм и 108 -146 мм соответственно.

Применяется обсадная труба следующим образом: она опускается в скважину таким образом, чтобы ее стенки не давали рыхлым слоям породы осыпаться.

Таким образом, труба обсадная плотно прилегает к стенкам самой скважины. Когда верхние слои породы пробурены, в скважину опускают колонну обсадных труб, а между ними и стенкой скважины заливают бетон, чтобы трубы закрепились. Затем в эту колонну опускают другую колонну труб, меньших в диаметре, для дальнейших работ или непосредственно использования. Обязательно нужно соблюдать четко установленные размеры и диаметр обсадной трубы.

В конструкцию низа обсадных колонн входят башмачная направляющая пробка, башмак или короткий патрубок с боковыми отверстиями, обратные клапаны, упорное кольцо, кольца жест­кости и турбул и заторы. Для эксплуатационных и промежуточных колонн в комплект оборудования их низа включаются также центрирующие фонари и скребки.

Башмачная направляющая пробка крепится к башмаку обсадной колонны и служит направлением при ее спуске. При отсутствии направляющей пробки башмак колонны срезает со стенок сква­жины глинистую корку и породу. В результате сильно загрязняется ствол скважины, закупоривается нижняя часть колонны, которую нередко приходится поднимать из скважины из-за образования патронных сальников или невозможности продавить промывочную жидкость.

Применяют несколько типов направляющих пробок: деревянные, бетонные и чугунные.

Деревянные пробки бывают двух видов: крестообразные, изготавливаемые из 8— IО-сантиметровых сосновых досок на гвоздях; точеные, изготавливаемые из дерева крепких пород (дуба, ясеня и др.). Деревянные пробки плотно загоняют в башмак колонны и замачивают для более прочного соединения с башмаком.

Крестообразные пробки из-за недостаточной прочности и ряда конструктивных недостатков можно применять только при спуске кондукторов диаметром 377 мм и более на небольшую глубину.

Бетонные пробки отливают в специальной форме, смесь прочно прихватывается к башмаку. Такие пробки легко разбуриваются.

Широкое применение нашли чугунные пробки. Они имеют одно центральное и два боковых отверстия. В башмаке они крепятся на резьбе. Чугунные пробки обладают высокой механической прочностью и в то же время сравнительно легко разбуриваются.

В некоторых случаях при спуске эксплуатационных колонн или хвостовиков вместо башмака с направляющей пробкой обсадная колонна заканчивается «пауком».

Башмак колонны устанавливается на первой трубе для предупреждения смятия торца нижней трубы обсадной колонны при спуске в скважину и представляет собой толстую короткую (длиной 0,5 м) трубу. Наружный диаметр башмака равен диаметру муфты; внутренний — внутреннему диаметру обсадной трубы.

При спуске обсадных колонн секциями на первой трубе вто­рой и последующих секций вместо башмака устанавливается пат­рубок с боковыми отверстиями для пропуска бурового и цементного растворов.

Обратные клапаны выполняют следующие функции:

• предотвращают самозаполнение обсадной колонны буровым раствором при спуске ее в скважину, что, в конечном счете, уменьшает нагрузку на вышку;

• Устройства и приспособления для оснащения обсадных колонн препятствуют обратному перетоку цементного раствора, вытесненного в кольцевое пространство в обсадную колонну.

Наиболее распространен и прост тарельчатый клапан который состоит из седла клапана 3, ввинчиваемого в муфту; тарелки 4; стержня / и пружины 2. Пружина затягивается при помощи гайки и контргайки.

Рис. 11.3. Тарельчатый клапан: {

1 — стержень; 2 — пружина; 3 — седло клапана; , 4 — тарелк

Обратные клапаны устанавливаются на : расстоянии от 2 до 12 м от башмака. При спуске обсадных колонн значительной длины или хвостовиков (первых секций при секционном спуске) устанавливаются два обратных клапана на расстоянии 8… 12 м друг от яруга. В скважинах с возможными газопроявлениями обратные клапаны устанавливают независимо от глубины спуска колонны во избежание газового выброса через колонну в процессе ее спуска и цементирования. Обратный клапан перед спуском в скважину опрессовывают на давление, в 1,5 раза превышающее его рабочее давление.

Так как обсадную колонну с обратным клапаном спускают порожней, то периодически (через 100…200 м) следует доли­вать колонну буровым раствором. Если этого не делать, то на­ружное давление может достигнуть критического значения, уг­рожающего или смятию колонны, или прорыву обратного кла­пана.

Упорное кольцо (кольцо «стоп») устанавливается для четкого фиксирования окончания процесса цементирования над обратным клапаном (на расстоянии 6… 12 м). При спуске колонн на муфтовых соединениях упорное кольцо устанавливается в специальной удлиненной муфте, а при применении сварных колонн — ввинчивается в резьбу, нарезанную внутри обсадной трубы на расстоянии 30…40 мм от ее торца.

Упорное кольцо изготавливается из чугуна в виде шайбы толщиной 12… 15 мм; диаметр отверстия делается на 60… 75 мм меньше наружного диаметра. В некоторых случаях упорное кольцо име­ет не одно отверстие, а два или четыре.

Кольца жесткости рекомендуется устанавливать на кондукторы и промежуточные колонны. Для усиления нижней части обсадной колонны и повышения прочности соединения на нижние 4.,,5 труб надеваются короткие (длиной 100…200 мм) патрубки и закрепляются под и над соединительными муфтами электросвар­кой. Изготавливаются они обычно из обсадных труб последующего за данной обсадной колонной размера или из предохранитель­ных колец для ниппелей обсадных труб.

Турбулизаторы способствуют лучшему замещению бурового ра­створа цементным. Турбулизатор состоит из корпуса, неподвижно закрепляемого на обсадной трубе, с упругими (обычно резино­выми) лопастями, наклоненными под углом 30…50° к образу­ющей. Лопасти изменяют направление восходящего потока промывочной жидкости и цементного раствора, способствуют обра­зованию местных вихрей и разрушению структуры в застойных зонах. Турбулизаторы целесообразно устанавливать в интервалах недостаточно хорошего центрирования колонны, со сложной кон­фигурацией сечения ствола скважины, а также на участках с не очень большими кавернами.

Центрирующие фонари (центраторы) значительно улучшают выяснение бурового раствора. Если обсадная колонна не отцентрирована в скважине, то цементный раствор не вытесняет буровой

по всей площади кольца, а оставляет застойные зоны бурового раствора. Центрирующий фонарь (центратор) представляет собой устройство, центрирующее обсадную колонну в скважине, способствуя образованию более равномерного цементного кольца вокруг колонны.

Применяют центрирующие фонари (центраторы) двух видов: пружинные разборные и жесткие неразборные. Наибольшее применение в России нашли пружинные центраторы.

Центрирующий фонарь (центратор) этой конструкции (рис. 11.4) состоит из двух колец 2, к которым электросваркой прива­рены пять или шесть специально изогнутых планок 4, изготов­ленных из рессорной стали. Фонарь свободно надевается на обсадную трубу / и удерживается на ней упорным кольцом 5, которое устанавливают между кольцами 2 фонаря, и через имеющиеся в теле три-четыре отверстия 3 приваривают электросваркой к обсадной трубе.

Наружный диаметр фонаря должен быть на ^0 мм больше диаметра долота, которым бурили скважину. Если скважина имеет кривизну до 3° и не имеет каверн, то допускается применение фонарей меньше диаметра долота, но не более чем на 30 мм. Число фонарей на спускаемой обсадной колонне в каждом конкретном случае определяют мощностью интервала, в котором необхо­димо надежно разобщить пласты. Следует иметь в виду, что должно быть не менее двух направляющих фонаря над продуктивным горизонтом и столько же — под ним. Размещать фонари следует равномерно в местах, где кавернограмма показывает отсутствие увеличения ствола скважины.

Пакер типа ППГ конструкции ВНИИБТ:

Устройства и приспособления для оснащения обсадных колонн/ — корпус; 2 — резинотканевый уплотнитель; 3 — обжимной стакан; 4 — патрубок; 5 — дифференциальная втулка; 6 — перепускная манжета; 7 — защитная втулка; 8 — штифт; 9 — переводник; А — кольцевая полость; Б — каналы; В — отверстия

Скребки применяют для удаления со стенок скважины фильтрационной, глинистой корки при спуске обсадной колонны. Их устанавливают на тех же участках обсадной колонны,

что и центрирующие фонари (центраторы).

Наибольший эффект получается при совме­стном применении скребков и центраторов.

В ряде случаев устройств и приспособлений для оснащения низа обсадной колонны оказывается недостаточно для качественной изоляции нефтегазоносных пластов от водо­носных. Если они разделены небольшими (не более 6…8 м) пропластками, то оставшиеся в зоне этих пропластков непрочные глинистые включения (корка, пленка, пристенный увлажненный слой глинистой породы) могут быть прорваны под действием перепа­да давления. Кроме того, при наличии в смежных зонах значительной по толщине фильтрационной корки на стенке скважины уменьшается жесткость связи колонны с горными породами и может нарушаться целостность малой цементной перемычки под действием даже небольших ударных нагрузок, вызываемых перфорацией эксплуатационной колонны (условия ряда месторождений Тюменской области).

Для обеспечения надежного крепления скважины в указанных выше интервалах используется избирательный метод изоляции пластов. Суть этого метода заключается в том, что обсадная колонна в этих интервалах дополнительно к перечисленным выше устройствам и приспособлениям оснащается пакерами или спец — инструментом, обеспечивающим ее надежное крепление в этом интервале. Наиболее радикальным средством улучшения изоляции пластов в строго заданных интервалах заколонного пространства скважины является применение заколонных пакеров. ВНИИБТ последовательно разработаны заколонные проходные пакеры типа ППГ (рис. 11.6), ПК и ГГП.

На обсадной колонне может быть установлено любое необходимое число этих пакеров. Пакеры после срабатывания не перекрывают проходного канала обсадной колонны и не сужают его. Пакер типа ППГ состоит из двух основных узлов: рукавного уплотнителя и клапанного узла.

Рукавный уплотнитель включает в себя корпус / и резинотканевый уплотнительный элемент рукавного типа 2 с обжимными стаканами 3. В теле корпуса выполнены каналы Б для подачи жид­кости в кольцевую (рабочую) полость А между корпусом и уплот­нительным элементом.

Клапанный узел включает в себя корпус /, патрубок 4, в котором установлены дифференциальная втулка 5 и дополнительные элементы: сменный срезной винт, пружинный фиксатор, рези­новая перепускная манжета 6 одностороннего действия, защит­ная втулка 7 со срезными полыми штифтами 8. Пакер присоединяют к обсадной колонне с помощью переводника 9.

Пакер срабатывает следующим образом. При прохождении цементировочной пробки через пакер срезаются штифты 8, уста­новленные в защитной втулке 7, образуя канал для передачи дав­ления из полости обсадной колонны на дифференциальную втул­ку 5. Таким образом, клапанный узел подготавливается к срабатыванию. При создании в обсадной колонне заданного давления после окончания продавки тампонажной смеси врезается винт из алюминиевого сплава, соединяющий дифференциальную втулку 5 с корпусом клапанного узла, и дифференциальная втулка 5 перемещается вверх (прямой ход).

Перемещением дифференциальной втулки 5 обеспечивается соединение кольцевой полости А рукавного уплотнителя через каналы Б и радиальные отверстия В с полостью обсадной колон­ны. Жидкость из обсадной колонны отгибает резиновую перепускную манжету 6 клапанного узла и поступает в полость уплотни­тельного рукава; происходит запакеровка затрубного простран­ства. Затем избыточное давление в цементировочной головке снижают. При этом на перепускную манжету 6 клапанного узла начинает действовать избыточное давление со стороны рукавного уплотнителя. В результате дифференциальная втулка 5 возвращается в исходное положение (обратный ход). Пружинным фиксатором дифференциальная втулка 5 жестко закрепляется в конечном положении.

В зависимости от способа спуска обсадных колонн в скважину верхняя часть колонны оканчивается различными устройствами или приспособлениями:

• для спуска колонн секциями или хвостовиков;

• подвески секций или хвостовиков.

При секционном спуске промежуточных и эксплуатационных колонн можно применять различные устройства, обеспечивающие требуемую герметичность сочленения секций Во избежание деформации от собственного веса секций обсадных колонн или хвостовиков после их разфузки на забой, напряжений кручения при отвороте колонны бурильных труб и создания необходимой устойчивости колонны ее следует подвешивать. либо на цементный камень, либо на нижнюю часть предыдущей колонны или воронку предыдущего хвостовика. Для выполнения этих задач используются различные устройства, устанавливаемые в верхней части опускаемой колонны.

Подвеска может осуществляться перед цементированием секции, и после ее цементирования. Наличие трех каналов между воронкой хвостовика и нижней частью специальной муфты эксплуатационной колонны позволяет вести промывку скважины в процессе цементирования в подвешенном состоянии нижней секции эксплуатационной колонны.

а — соединение первой секции с бурильными трубами; б — соединение двух секций; 1 — бурильная труба; 2 — предохранительная втулка; 3 — пере­водник на бурильные трубы; 4 — верхняя часть специальной муфты; 5 — переводник с левой резьбой; 6 — специальная муфта; 7— обсадная труба; 8 — уплотнительная муфта; 9 — башмачный патрубок; 10 — направляющая пробка

1 — эксплуатационная колонна: 2 — верхняя часть специальной муфты хвостовика; 3 — клинья; 4 — нижняя часть специальной муфты эксплуатационной колонны; 5 — верхняя часть специальной муфты; 6 — направляющая пробка;

7 — промежуточная колонна; 8 — соединительный патрубок верхней секции