способ извлечения колонн обсадных труб из скважины

Формула изобретения

1. Способ извлечения колонн обсадных труб из скважины, заключающийся в установке в извлекаемой колонне поршневого отражателя, заглушке ее верхнего конца и нагнетании жидкости в пространство между поршневым отражателем и заглушенным концом колонны, отличающийся тем, что первой из концентрически установленных колонн извлекают наружную (наибольшего диаметра), а последней - центральную (наименьшего диаметра).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поршневой отражатель в извлекаемой колонне устанавливают на верхний конец колонны меньшего диаметра, следующей за извлекаемой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горного дела, а именно к способам извлечения из буровых скважин концентрически установленных в них колонн обсадных труб.

Известен способ извлечения колонны обсадных труб, включающий: установку в колонне поршневого отражателя и подвеску его на канате грузоподъемного устройства; установку в колонне заглушки для герметизации ее верхнего конца; нагнетание жидкости в полость между отражателем и заглушкой [2].

Недостатком известного способа является невозможность снижения больших нагрузок на буровые основания, подъемные механизмы и вышку, которым они подвергаются при извлечении обсадных труб из скважин.

Известен также способ извлечения обсадных труб, включающий: установку в колонне поршневого отражателя с упором его в забой скважины; установку заглушки на верхнем конце колонны для герметизации ее верхнего конца; нагнетание жидкости в полость между отражателем и заглушкой [1]. Способ [1] принят за прототип и по сравнению со способом [2] существенно уменьшает нагрузки на буровые основания, подъемные механизмы и вышку.

Для извлечения колонны обсадных труб из скважины по способу [1] изготовляют специальный трубчатый стояк, на него устанавливают поршневой отражатель и принудительно их вместе доставляют внутри колонны обсадных труб до упора стояка в забой скважины. Проходя узлы соединений труб колонны, поршневой отражатель прототипа изнашивается. Восстановить его герметизирующие показатели на забое скважины невозможно. Из-за этого в извлекаемой колонне часто не удается создать необходимое давление нагнетаемой жидкости и, соответственно, необходимое значение усилия для подъема колонны из скважины. Поэтому требуемая результативность способа по прототипу [1] не всегда достижима.

Причем буровые скважины часто обсаживают колоннами труб в количестве двух и более. Извлечение их из скважины известным способом [1] возможно начинать только с извлечения центральной колонны. После извлечения из скважины центральной колонны обсадных труб верхняя часть скважины остается обсаженной второй колонной большего диаметра, а ствол нижней части скважины оказывается открытым и отдельные его интервалы перекрыты вывалившимися из стенок скважины породами. Извлечение второй и последующих колонн труб по способу [1] крайне затруднительно, так как этот способ требует больших дополнительных затрат времени, труда и материалов на: а) изготовление стояка в десятки раз более длинного, чем для извлечения центральной колонны; б) спуск стояка с поршневым отражателем до упора в забой скважины и последующее его извлечение из скважины, причем через интервалы, перекрытые обвалившимися породами.

Таким образом, по способу прототипа [1] рационально извлекать из скважины только одну центральную колонну обсадных труб.

Задача предлагаемого изобретения заключается в создании способа извлечения колонн обсадных труб, который бы исключал утечки нагнетаемой в их полости жидкости и гарантировал эффективное извлечение из скважины всех концентрически установленных в ней колонн труб

Основной технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности демонтажа скважины за счет исключения утечек нагнетаемой в извлекаемую колонну обсадных труб жидкости, уменьшения материальных, временных и стоимостных затрат на извлечение всех колонн обсадных труб из скважины без увеличения нагрузок на буровые основания, подъемные механизмы и вышки.

Технический результат изобретения достигается следующим образом.

Предлагаемый способ извлечения колонн обсадных труб включает установку в каждой очередной извлекаемой колонне поршневого отражателя, заглушку ее верхнего конца и нагнетание жидкости в пространство между поршневым отражателем и заглушенным концом колонны.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что первой из концентрически установленных колонн труб извлекают наружную (наибольшего диаметра), последней - центральную (наименьшего диаметра).

Отличием предлагаемого способа извлечения колонн труб является также то, что поршневой отражатель в извлекаемой колонне устанавливают на верхний конец колонны меньшего диаметра, следующей за извлекаемой. Это исключает необходимость изготовления громоздкого стояка под поршневой отражатель, позволяет легко регулировать плотность посадки отражателя в извлекаемой колонне и всегда достигать требуемого результата.

Сущность изобретения поясняется чертежами для часто встречаемых случаев, когда скважина обсажена тремя колоннами обсадных труб разных диаметров: на фиг.1 приведена схема извлечения из скважины колонны труб наибольшего диаметра; на фиг.2 - схема извлечения колонны труб среднего диаметра. На фиг.1 и фиг.2 некоторые элементы одинаковых назначения и конструкции, но разных размеров, обозначены одинаковыми цифрами.

Стенки скважины закреплены тремя концентрически установленными колоннами обсадных труб: колонна 1 наименьшего диаметра (центральная), колонна 2 большего диаметра (средняя), колонна 3 наибольшего диаметра (наружная). Оснастка для извлечения колонн обсадных труб из скважины включает поршневой отражатель 4, соединенный при помощи резьбы с верхним концом колонн 2 или 1 при извлечении колонн 3 или 2 соответственно, патрубок 5, соединенный жестко (например, при помощи резьбы или фланца) с верхним концом извлекаемой колонны 3, а затем колонны 2. Поршневой отражатель 4 для регулирования и фиксации необходимой плотности его распора в патрубке 5 соответствующего диаметра содержит гайку 6. Для удобства регулирования верхний конец патрубка 5 в соединенном с колонной положении возвышается над поршневым отражателем 4 на высоту до 0,1 м. Диаметры патрубков 5 равны диаметрам извлекаемых колонн. В период извлечения из скважины колонн 3 и 2 с верхними концами их патрубков 5 соединена при помощи резьбы или фланца заглушка 7 соответствующего диаметра и с ней при помощи резьбы соединен промывочный сальник 8, подвешенный на канате 9 буровой лебедки (на фиг. не показана). С промывочным сальником 8 герметично соединен нагнетательный рукав 10 от насоса (на фиг. не показан).

Извлекают колонны обсадных труб из скважины следующим образом.

Первой извлекают из скважины колонну обсадных труб 3 (фиг.1). Для этого на верхний конец колонны 2 устанавливают поршневой отражатель 4, на поршневой отражатель 4 надевают патрубок 5, соединяют его с верхним концом колонны 3 и при помощи гайки 6 регулируют и фиксируют необходимую плотность распора поршневого отражателя 4 в патрубке 5. Затем на верхний конец патрубка 5 устанавливают заглушку 7, с ней соединяют промывочный сальник 8, подвешенный на канате 9 буровой лебедки, с промывочным сальником 8 соединяют нагнетательный рукав 10 и по нему от насоса в обсадную колонну 3 под напором подают жидкость (например, воду или буровой раствор).

В полости обсадной колонны 3, между поршневым отражателем 4 и заглушкой 7, повышается давление жидкости, под действием которого поршневой отражатель 4 и заглушка 7 стремятся переместиться друг относительно друга в противоположные направления (на фигурах показано стрелками). Величина усилия, действующего на поршневой отражатель 4 и заглушку 7, при этом одинакова и равна произведению давления жидкости между ними на площадь сечения патрубка 5 по его внутреннему диаметру. Держащая сила колонн 3 и 2 равна произведению удельного сопротивления пород по боковой поверхности соответствующей колонны на площадь ее боковой поверхности, контактирующей с этими породами. Поскольку держащая сила колонн 3 и 2 пропорциональна их диаметру в первой степени, а сила, создаваемая напором жидкости, - внутреннему диаметру извлекаемой колонны в квадрате, то последняя сила по мере увеличения диаметра колонн труб может достигать больших значений и превышать держащую силу даже при относительно небольшом давлении, развиваемом насосом.

Тем не менее, начинают извлекать предлагаемым способом любую колонну обсадных труб из скважины совместными усилиями буровой лебедки и давления нагнетаемой жидкости, фиксируемого на манометре насоса. И в этом есть смысл. После подъема колонны труб из скважины обычно на 3-4 м давление жидкости на манометре падает до нуля, а колонна продолжает двигаться вверх, причем быстрее, чем при наличии давления в ней. Это свидетельствует об уменьшении сопротивления извлечению колонны настолько, что она извлекается силой только лебедки, причем со скоростью, большей скорости заполнения жидкостью увеличивающегося пространства между поршневым отражателем 4 и заглушкой 7.

Подняв колонну 3 совместными усилиями напора жидкости и буровой лебедки до положения в скважине, с которого колонна 3 извлекается только при помощи лебедки, с колонны 3 снимают заглушку 7 с промывочным сальником 8, патрубок 5 и извлеченные трубы. Далее с колонны 2 снимают поршневой отражатель 4, чтобы он не изнашивался трением об него стенок труб извлекаемой колонны, и подъем колонны 3 продолжают до полного ее извлечения из скважины только при помощи буровой лебедки.

Второй извлекают из скважины колонну обсадных труб 2 (фиг.2). Способ и схема ее извлечения аналогичны уже описанным способу и схеме извлечения колонны 3. На верхний конец колонны 1 устанавливают поршневой отражатель 4, на него надевают патрубок 5, соединяют его с верхним концом колонны 2 и при помощи гайки 6 регулируют и фиксируют необходимую плотность распора поршневого отражателя 4 в патрубке 5. Затем на верхний конец патрубка 5 устанавливают заглушку 7, с ней соединяют промывочный сальник 8, подвешенный на канате 9 буровой лебедки, с промывочным сальником 8 соединяют нагнетательный рукав 10 и по нему от насоса в колонну 2 под напором подают жидкость.

Третью колонну обсадных труб 1 (центральную) извлекают из скважины известными способами [1] или [2] совместно с буровой лебедкой.

Сила напора жидкости, извлекающая колонну 3, одновременно стремится вдавить в породы колонну 2, а сила напора жидкости, извлекающая колонну 2, одновременно стремиться вдавить в породы колонну 1. Однако, несмотря на то что диаметр колонны 2 меньше диаметра колонны 3 и диаметр колонны 1 меньше диаметра колонны 2, силы давления жидкости при извлечении колонн 3 и 2 не вдавливают колонны 2 и 1 в породы по следующим причинам. Во-первых, с увеличением на каждый 1 м глубины залегания слоев пород и, соответственно, погружения в них колонн, сопротивления пород по их боковым поверхностям возрастают на 0,4-7 кПа [3, табл.15]. Во-вторых, погружению колонн 2 и 1 препятствуют породы забоя, удельные сопротивления которых по лобовой поверхности более чем в 80 раз превышают удельные сопротивления пород по боковой поверхности внедряемых в них элементов [3, табл.16]. В-третьих, извлекают колонны 3 и 2 совместным усилием буровой лебедки и напора жидкости. При этом сила на вдавливание колонн 2 и 1 в породы меньше, чем на извлечение колонн 3 и 2 соответственно, на величину грузоподъемной силы лебедки.

Подтверждением тому, что сила давления воды, извлекающая колонну наружную, не вдавливает в породы колонну внутреннюю, является следующий пример оценки необходимой величины давления жидкости и выбора экономичного бурового грузоподъемного оборудования для извлечения колонн обсадных труб из скважины предлагаемым способом.

Стенки скважины закреплены тремя колоннами обсадных труб со следующими диаметрами (наружный/внутренний): колонна 3 - 0,273/0,25 м; колонна 2 - 0,219/0,200 м; колонна 1 - 0,168/0,150 м. Скважина пробурена на акваториях Японского моря с плавоснования, оснащенного буровой вышкой с допустимой грузоподъемностью 300 кН, лебедками для извлечения колонн обсадных труб из скважин с усилием на канате не более 150 кН (15 тс) и электростанцией мощностью 80 кВт. Выход каждой колонны обсадных труб в породы (контакт колонны с породами по длине) составляет 30 м.

Удельное сопротивление пород по боковой поверхности колонны 3, посаженной до глубины 30 м на акваториях Японского моря, составляет в среднем 22 кПа [1]. Значения удельного сопротивления пород по боковой поверхности колонн 2 и 1 устанавливают ориентировочно с учетом прироста его по мере увеличения глубины залегания перекрываемых колоннами пород. В примере прирост удельного сопротивления пород по боковой поверхности колонн по мере погружения их на каждый 1 м принят равным всего 0,4 кПа (минимальное значение). В результате среднее значение удельного сопротивления пород по боковой поверхности колонны 2 в интервале глубин залегания пород 30-60 м составляет 28 кПа, а по боковой поверхности колонны 1 в интервале глубин залегания пород 60-90 м - 34 кПа.

Силы удержания обсадных колонн труб, вычисленные для описанных условий, составляют: колонна 3 - 565,8 кН; колонна 2 - 577,6 кН; колонна 1 - 538,1 кН. Для их извлечения из скважины предлагаемым способом только напором жидкости (т.е. без лебедки) необходимо ее давление: колонна 3 - 11531,6 кПа (117,6 ат); колонна 2 - 18394,9 кПа (187,6 ат); колонна 1 - 30465,7 кПа (310,7 ат). Из приведенных результатов вычислений следует следующее.

1. При извлечении колонны 3 даже только напором жидкости, т.е. без буровой лебедки, опасности погружения в породы колонны 2 нет, так как сила удержания ее больше, чем колонны 3.

2. Сила удержания колонны 2 больше силы удержания колонны 1 на 39,5 кН. Поэтому, не учитывая силу лобового сопротивления погружению колонны 1 в породы, колонну 2 извлекают обязательно силами напора жидкости и лебедок одновременно (грузоподъемность лебедок - 150 кН (15 тс)).

2. Параметры требуемого насоса выбирают в данном случае по усилию для извлечения из скважины колонны 1. С учетом использования максимально допустимой грузоподъемности буровой лебедки с талевой системой (150 кН) насос должен создавать в колонне 1 подъемную силу 388,1 кН. Такая сила в колонне 1 возникает при давлении в ней жидкости 21973,1 кПа (224,1 ат).

Таким образом, для извлечения из скважины трех колонн обсадных труб указанных параметров при помощи предлагаемого способа необходим насос, развивающий давление не менее 22 МПа. Причем мощность привода насоса и лебедки в сумме не должна превышать 80 кВт. Из насосов буровых наиболее близкими по давлению являются насосы НБТ-600, УНБ-600 и У8-6МА2, развивающие максимальное давление до 25 МПа. Однако они неприемлемы, так как приводная мощность каждого составляет 600 кВт [4].

Более приемлемым является насос ГБ-351, развивающий давление до 30 МПа при производительности 30 л/мин. С электромотором мощностью 17 кВт его масса 540 кг. Однако использование этого насоса при извлечении обсадных труб из скважин по способу прототипа во многих случаях не было эффективным. Обусловлено это тем, что после принудительного спуска трубчатого стояка с манжетами (поршневым отражателем) к забою через все узлы резьбовых соединений труб обсадной колонны манжеты частично истирались, и требуемая герметизация забоя скважины не обеспечивалась [1]. Восстановить герметизирующий показатели отражателя на забое скважины крайне сложно. В результате, из-за малой производительности насоса ГБ-351, создать необходимое давление жидкости в колонне обсадных труб над манжетами удавалось не всегда.

Ограничений по производительности насоса при использовании предлагаемого способа нет. В предлагаемом способе поршневой отражатель устанавливают на верхний конец колонны, в поле видимости и доступности бурового персонала. Это позволяет регулировать плотность посадки поршневого отражателя в извлекаемой колонне и всегда достигать требуемого результата. Следовательно, предлагаемый способ по сравнению с прототипом повышает качество герметизации пространства внутри извлекаемой колонны и надежность ее извлечения при одновременном уменьшении на выполнение этих процессов затрат времени, материалов и труда. Размещение в предлагаемом способе поршневого отражателя на верхний конец последующей для извлечения колонны труб исключает, в отличие от прототипа, необходимость изготовления специального трубчатого стояка, принудительного спуска его вместе с поршневым отражателем внутри колонны труб до упора в забой скважины, последующего принудительного извлечения отражателя со стояком из колонны.

Предлагаемый способ эффективен для извлечения колонн осадных труб из скважин, пробуренных как на суше, так и особенно на море. Главное преимущество предлагаемого способа по сравнению с прототипом в возможности экономичного извлечения из скважины всех колонн, а не одной центральной. Его применение позволит конструировать экономичные, компактные, легкие и удобные буровые агрегаты: использовать более легкие и потребляющие меньшее количество энергии нагнетательные насосы и буровые лебедки, отказаться от применения громоздких многострунных оснасток и домкратов, упростить и облегчить конструкции кронблока и вышки. Все это при работе на море позволит использовать более легкие буровые плавоснования, снизить их центр тяжести и повысить остойчивость.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Техника и технология геологоразведочных работ; организация производства. - М.: ОНТИ ВИЭМС, ЭИ, №23, 1972, с.24-30 (прототип).

2. Авторское свидетельство СССР №599042, кл. Е21В 19/00, БИ №11, опубл. 25.03.78 (аналог).

3. Ребрик Б.М. Ударное бурение грунтов. - М.: Недра, 1976, табл.15 и 16.

4. Бурение скважин различного назначения (Учебное пособие для студентов ВУЗов). Коллектив авторов под редакцией Сердюка Н.И. - М.: РГГРУ, концерн «Союзгеопром», 2006, табл.6.36-6 .39 (с.266-273).