Diseño de estructura de carcasa

Una vez determinado el diseño de la estructura del pozo, se debe llevar a cabo el diseño de la estructura del revestimiento. Los contenidos principales son la gradación del revestimiento, el cálculo de la fuerza de retorno del agua, la centralización interna y externa y el sellado del pozo. La carcasa, el asiento de la carcasa y los ajustes del tubo de escape esperan. El diseño estructural de la carcasa es una garantía importante para una perforación segura.

(1) Graduación de la carcasa

Para perforación de orificios profundos y extraprofundos, generalmente se diseñan de 4 a 6 capas de carcasa. En principio, las especificaciones de diámetro interior y exterior y la relación de gradación de cada capa de revestimiento deben cumplir con los requisitos de diámetro correspondientes del "Reglamento de perforación con núcleo geológico". En la actualidad, la relación entre las series de calibres de perforación de núcleos geológicos y la clasificación de la tubería de revestimiento en mi país se enumera en la Tabla 3-5.

Tabla 3-5 Tabla recomendada de diámetro de entrada de perforación y clasificación de la carcasa para perforación con núcleo geológico

En la construcción real, de acuerdo con la complejidad de la formación, el diámetro de la carcasa superior puede ser aumentado, para aumentar el número de capas reservadas de carcasa. La gradación entre las capas de revestimiento es generalmente tal que el diámetro interior mínimo de la capa superior de revestimiento es ≥5 mm mayor que el diámetro exterior máximo de la siguiente capa de sartas de revestimiento. Para reducir el número de orificios de escariado, el diámetro del orificio de perforación del nivel superior debe cumplir con los requisitos de perforación del revestimiento del siguiente nivel. Si es necesario cementar el cemento después de bajar el revestimiento, el espacio anular entre el diámetro exterior del revestimiento y la pared del orificio no debe ser inferior a 20 mm. El principio de clasificación entre el diámetro interior de la carcasa y la herramienta de perforación es que el espacio anular no debe ser superior a 10 mm (la perforación con diamante debe ser entre 3 y 5 mm) para garantizar la estabilidad durante la rotación de la herramienta de perforación.

(2) Cálculo hidráulico de la herramienta de perforación, la carcasa y el espacio anular de la pared del orificio

Al diseñar la estructura de la carcasa del orificio profundo, es necesario considerar las herramientas de perforación, la carcasa y los orificios de perforación. bajo diferentes condiciones de profundidad del pozo. La holgura anular del pozo calcula los parámetros hidráulicos para determinar el desplazamiento óptimo para una perforación segura.

1. Cálculo del flujo de fluido de lavado

Durante el proceso de perforación, el flujo de fluido de lavado debe satisfacer las necesidades de transportar polvo de roca y enfriar la broca. De acuerdo con la estructura de perforación y los parámetros de nivelación de la herramienta de perforación, el caudal requerido para la circulación positiva se puede calcular de la siguiente manera:

Tecnología y gestión de perforación con núcleo profundo

Donde: v es el lavado velocidad de retorno del fluido; D es el diámetro interior del orificio de perforación; d es el diámetro exterior de la tubería de perforación.

El caudal mínimo recomendado requerido para los diámetros de la serie de núcleos de cable se muestra en la Tabla 3-6.

Tabla 3-6 Valores de flujo mínimos recomendados para diámetros de series de núcleos de cable

Nota: Los valores de flujo recomendados en la tabla se basan en el caudal de retorno superior del Fluido de lavado: agua limpia 1,5m/s, cálculo de lodo 1m/s.

En la construcción real, debido al gran diámetro interior de la carcasa superior, el sobrediámetro local del pozo, las fugas, etc., el caudal real es ligeramente mayor que el valor calculado. Cuando se utiliza potencia de fondo de pozo, su caudal debe cumplir con los requisitos para el funcionamiento normal de la herramienta de perforación.

2. Cálculo de la pérdida de resistencia a la circulación del fluido de lavado

Durante el proceso de perforación, cuando el caudal del fluido de lavado es constante, la pérdida de resistencia a la circulación se ve afectada principalmente por la longitud total de la tubería. canal de circulación y el tamaño del espacio anular del orificio de perforación, la forma de la herramienta de perforación, la densidad del fluido de lavado y los parámetros reológicos. La pérdida de resistencia a la circulación del fluido de lavado se muestra en la fórmula (3-2):

P=k(P1 P2 P3 P4)(3-2)

En la fórmula: P1, P2, P3 y P4 son las pérdidas de resistencia al fluir a través de la tubería de perforación, el espacio anular, las tuberías de superficie y las herramientas de perforación de fondo, respectivamente. El valor k es generalmente de 1,1 a 1,4. Cuando la profundidad del agujero aumenta hasta cierta profundidad, P1 y P2 representan la mayor parte de la pérdida de resistencia total.

La pérdida por resistencia a la circulación del fluido de lavado en la tubería de perforación se puede calcular mediante la fórmula (3-3):

Tecnología y gestión de perforación con núcleo profundo

Dónde : P1 es la caída de presión de circulación; ρ es la densidad del fluido de lavado; v es la velocidad de retorno ascendente del fluido de lavado; eta es la viscosidad plástica del fluido de lavado; d es el diámetro interior de la tubería de perforación.

La caída de presión circulante en el espacio anular del pozo se puede calcular mediante la fórmula (3-4):

Tecnología y gestión de perforación con núcleo profundo

Dónde: P2 es la caída de presión circulante; l es la profundidad de perforación; v es la velocidad de retorno ascendente; eta es la viscosidad plástica del fluido de lavado; d es el diámetro exterior de la tubería de perforación.

Hay muchos factores que afectan la pérdida de presión en la construcción real, y el valor de cálculo teórico de la fórmula tiene ciertos errores. En el sitio de perforación científica en Lucong, Anhui, para pozos de diámetro de la serie N con una profundidad de pozo de 3000 m, la pérdida de resistencia a la circulación cuando se perfora con fluido de lavado en fase sólida alcanzó aproximadamente 8 MPa.

La pérdida de resistencia a la circulación del fluido de lavado se puede reducir aumentando el diámetro exterior de la broca (aumentando el espacio anular del pozo de perforación) y reduciendo la viscosidad del lodo.

(3) Configuración de carcasa interior y carcasa móvil

La carcasa está en contacto con la pared del pozo y se denomina carcasa exterior con el objetivo principal de proteger la pared. La carcasa insertada en la carcasa exterior se denomina carcasa interior y se divide en carcasas interiores fijas y móviles. Parte de la carcasa interior fija se coloca dentro de la carcasa y el resto se extiende hacia la formación con el fin de proteger la pared en capas. Generalmente no se retira del pozo antes del pozo final. La carcasa interior móvil resuelve principalmente el problema de la nivelación razonable y el diámetro reservado de la carcasa y las herramientas de perforación.

Las configuraciones de la carcasa móvil en el orificio de perforación con diamante se muestran en la Figura 3-5.

Figura 3-5 Diagrama esquemático de la instalación del revestimiento móvil en el orificio de perforación diamantina

Se debe reservar un cierto diámetro al diseñar la sarta de revestimiento para perforación profunda, de modo que el inferior La carcasa interior móvil se utiliza a menudo como método de tubo. De acuerdo con las condiciones del diámetro de perforación en el sitio, se puede utilizar una carcasa interior móvil multicapa o monocapa. La carcasa móvil multicapa tiene las ventajas de una buena estabilidad, menos golpes en la carcasa exterior y protección de la carcasa exterior. Sin embargo, el costo aumenta, es problemático levantar la carcasa interior y es difícil lidiar con el atasco. Accidente de la carcasa interior entre capas. La carcasa móvil de una sola capa puede ahorrar costos de carcasa y reducir el riesgo de levantar la carcasa interior, pero el espacio anular entre la carcasa interior y exterior es grande, la estabilidad es pobre y tiene un cierto efecto de golpe en la carcasa exterior. El número y las especificaciones de la carcasa móvil en funcionamiento dependen del diámetro de perforación. En la construcción real, generalmente se selecciona una carcasa interior móvil de una sola capa para resolver el problema de estabilidad de la carcasa interior con medidas correctivas.

Durante el proceso de perforación, si encuentra formaciones complejas donde otras medidas no pueden proteger la pared y se debe ejecutar el revestimiento, se puede proponer el revestimiento móvil y luego escariar para pasar el siguiente nivel de revestimiento.

(4) Diseño de fijación, sellado y centrado del casing

1. Fijación y sellado del casing

La perforación profunda a menudo implica múltiples capas de casing en el pozo. Si no se utiliza cemento para fijar las tuberías entre las capas de la carcasa, habrá problemas con el sellado de la carcasa. El propósito del sellado del casing es evitar que los sedimentos de la pared del pozo en formaciones complejas fluyan hacia el pozo y, al mismo tiempo, evitar que los recortes de perforación entren en el espacio entre el casing interior y exterior, causando accidentes de sujeción del casing. El sellado del casing se concentra principalmente en la superficie de la boca del casing y en el fondo del casing en el pozo.

Generalmente, la carcasa del orificio (también conocida como tubo guía) se suelda a una placa de acero y se fija con cemento como soporte para cada capa de carcasa. Las aberturas de la carcasa de otras capas están conectadas y fijadas a las placas de brida, y se instalan anillos de sellado de caucho (o almohadillas de goma) entre cada placa de brida como sello de la abertura de la tubería (Figura 3-6). Al perforar formaciones de petróleo y gas, el revestimiento del pozo debe estar equipado con un cabezal de revestimiento preventivo de explosiones.

Figura 3-6 Diagrama esquemático del dispositivo de sellado de la carcasa del orificio

1—Manguito protector; 2—Placa de brida; 3—Perno de fijación; 4—Pasador de fijación; 6—Placa de acero de soporte; 7—Base de cemento; 8—Carcasa

La parte inferior de la carcasa suele estar sellada con una zapata de carcasa especialmente diseñada (la parte superior de la zapata de carcasa está conectada). a la carcasa, y la parte inferior está conectada a la carcasa. Ubicada en la formación rocosa, la carcasa móvil generalmente se apoya en la zapata de la carcasa exterior. La carcasa interior fija también suele estar equipada con una zapata de la carcasa y está ubicada en la extensión. formación rocosa inferior. El dispositivo de fijación y sellado en la parte inferior de la carcasa se muestra en la Figura 3-7.

Figura 3-7 Diagrama esquemático del dispositivo de fijación y sellado en la parte inferior de la carcasa

(a) Zapata exterior de la carcasa; (b) Asiento de carcasa móvil

Parte inferior de la carcasa Debe asentarse sobre una capa de roca dura relativamente completa y utilizar un cono biselado como superficie de sellado. Durante la construcción, primero use un calibre más pequeño para perforar un orificio piloto de 5 a 10 m de profundidad (que también se puede usar como orificio de sedimento) y luego use una broca cónica para reparar una superficie cónica de 0,5 m de profundidad para que la carcasa exterior El zapato puede caber. Cuando la roca está blanda o rota, la funda de la carcasa exterior debe fijarse con cemento y la carcasa interior debe bajarse al interior del orificio después de la perforación.

Cuando la sarta de revestimiento se perfora en el orificio, la parte roscada debe unirse con resina epoxi o pegamento anaeróbico para mejorar el sellado y la resistencia de la conexión y evitar que el revestimiento se tropiece.

2. Diseño de centralizador de carcasa

Para centrar el casing en el pozo y aumentar su estabilidad y rigidez, es necesario instalar un centralizador en la sarta de casing. Para el centralizador de revestimiento cementado, además de las funciones anteriores, también ayuda a superar la canalización de la lechada de cemento, reducir el riesgo de que el diferencial de presión del revestimiento se atasque, mejorar la calidad de la cementación del cemento y reducir la resistencia a la fricción entre el revestimiento y la pared del orificio. .

Los principales tipos de centralizadores de carcasa son: centralizadores elásticos, centralizadores rígidos, centralizadores semirrígidos, etc., como se muestra en la Figura 3-8.

El centralizador de carcasa debe seleccionarse en función de parámetros como la profundidad del orificio, la inclinación del orificio y la holgura del anillo exterior de la carcasa. Se requiere que el centralizador tenga una gran sección transversal de agua, buena elasticidad, alta resistencia, un área de contacto pequeña con la pared del orificio y la capacidad de moverse hacia arriba, hacia abajo y girar. El centralizador de revestimiento utilizado para la fijación del pozo generalmente usa centralizadores elásticos, y los centralizadores semirrígidos se usan para pozos con grandes ángulos de inclinación del pozo. Los centralizadores en espiral se usan tanto como sea posible para secciones de pozo complejas en la formación.

Figura 3-8 Tipos de centralizadores comúnmente utilizados

Centralizador elástico: (a) arqueado; (b) en espiral; (c) centralizador rígido; : (e) recto; (f) espiral; (g), (h) círculo centralizador

El centralizador de la carcasa móvil tiene funciones diferentes a las del centralizador de la carcasa con orificio fijo. soporte de consolidación (se puede elevar fuera del pozo según las necesidades del proyecto). Por lo tanto, no solo se requiere que el centralizador tenga un buen efecto centralizador y estabilizador en la sarta de revestimiento, sino que también tenga una buena resistencia a terremotos y un buen efecto de absorción de impactos.

Durante la construcción, los centralizadores rígidos se utilizan generalmente para las secciones de carcasa que soportan presión, y los centralizadores semirrígidos se utilizan para las secciones de carcasa tensadas. Debido al pequeño espacio anular entre el pozo y el revestimiento, y entre revestimiento y revestimiento en la perforación diamantina de diámetro pequeño, no se pueden utilizar productos centralizadores estándar. La experiencia de la perforación de pequeño diámetro muestra que una vez que el centralizador de metal se rompe en el orificio o en el anillo de revestimiento móvil, provocará un accidente difícil de solucionar. Hemos utilizado centralizadores rígidos que sueldan materiales metálicos al revestimiento. Generalmente, el revestimiento se romperá después de 2 a 3 días de perforación, lo que impedirá perforar normalmente. En respuesta a este problema, el Instituto de Investigación de Tecnología de Ingeniería de Prospección del Equipo Geológico 313 de la Oficina Provincial de Geología y Recursos Minerales de Anhui diseñó un centralizador de carcasa de plástico elástico (Figura 3-9). Este tipo de centralizador está hecho de varillas de nailon (también puede formarse mediante laminación). Tiene elasticidad y rigidez y tiene buenos efectos antisísmicos y de absorción de impactos en la carcasa. Al no ser un material metálico, es fácil de manipular en caso de accidente con la carcasa. Este centralizador se ha utilizado en el pozo de prueba ZK1725 de investigación de perforación profunda en el área de mineral de hierro de Huoqiu Zhouji, en el pozo de perforación científica WFSD-3 en la zona de la falla del terremoto de Wenchuan, en el proyecto nacional de perforación profunda Ganzhou Yudu de 3000 m de perforación científica en el pozo NLSD-1 y la perforación científica Anhui Lucong 3000m Cuando se utilizó en la perforación del pozo LZSD-1, no se produjeron accidentes como roturas o atascos de la carcasa. La carcasa móvil se puede levantar y extraer libremente, y el efecto de aplicación es muy bueno.

Figura 3-9 Centralizador de carcasa de elastoplástico

El espacio de instalación del centralizador de carcasa también afecta la estabilidad de la sarta de carcasa. Consulte la industria de petróleo y gas SY/T5334. — Normas de estimación de 1996. La pared del revestimiento utilizada en la perforación geológica con diamante es delgada y la deformación es grande. Actualmente, no existe una norma establecida al respecto. La distancia entre los centralizadores del revestimiento solo se puede determinar en base a la experiencia: el revestimiento exterior (revestimiento de orificio fijo) es. 30~40m, y la carcasa móvil es de 30~40m. Tubería de 6~9m. Cuando el espacio anular entre la carcasa y la pared del orificio en la sección del lecho de roca es inferior a 30 mm cuando el orificio está fijo, generalmente no se requiere el centralizador.

(5) Zapata guía de carcasa, boquilla de turbulencia y dispositivo de flotación

1 Zapata guía

La zapata guía se instala en la parte inferior de la sarta de carcasa. La función de la boquilla cónica con orificios de circulación es guiar la tubería hacia el pozo, evitar que la parte inferior de la tubería se inserte en la pared del pozo o raspe la torta de lodo de la pared del pozo y centrar la base de la tubería. Las zapatas guía de la carcasa generalmente están hechas de aluminio, arrabio, cemento o madera dura, como se muestra en la Figura 3-10.

Figura 3-10 Diagrama esquemático de la estructura de la zapata guía

2. Niple giratorio

El niple giratorio es una sección conectada a la zapata de carcasa. de la fila de orificios en espiral izquierda (Figura 3-11) generalmente tiene de 8 a 9 orificios con la dirección de salida inclinada hacia arriba y el diámetro del orificio es de 25 a 30 mm. Su función es hacer que la lechada de cemento fluya hacia arriba, lo que resulta beneficioso para desplazar el fluido de lavado y garantizar la calidad de la inyección de cemento cerca de la zapata de revestimiento.

Figura 3-11 Diagrama estructural del pezón giratorio

3. Dispositivo de flotación de la carcasa

El dispositivo de flotabilidad de la carcasa viene en dos formas: zapatos flotantes y aros flotantes. La instalación de una válvula de contrapresión en la zapata guía se convierte en una zapata flotante, como se muestra en la Figura 3-12. La estructura interna del aro flotante es básicamente la misma que la de la zapata flotante, pero no hay una cabeza redonda convexa para guiar la carcasa hacia abajo (Figura 3-13). Las funciones principales de las zapatas flotantes y los aros flotantes son evitar que el líquido de lavado ingrese al revestimiento y generar flotabilidad para reducir la carga en el sistema de elevación, la torre de perforación y las conexiones del revestimiento para evitar el reflujo de la lechada de cemento después de que se completa la inyección de cemento. Evite que el tapón de cemento se mueva hacia arriba y asegúrese de que el cemento regrese a un nivel alto.

El deflector del asiento de la bola en la parte superior del aro flotante es el anillo de soporte (también llamado anillo de estrangulamiento) para el movimiento hacia abajo del tapón de goma durante la inyección de cemento. Al bajar la carcasa, instale el aro flotante en la posición predeterminada del. tapón de cemento.Durante el reemplazo del líquido de lavado, cuando el tapón de goma se empuja hacia el anillo de soporte, encuentra resistencia y presión. En este momento, la bomba debe detenerse inmediatamente.

Figura 3-12 Diagrama estructural de zapatas flotantes

Figura 3-13 Diagrama estructural de aros flotantes

Las zapatas flotantes generalmente están hechas de materiales de cemento y aluminio. y los aros flotantes fabricados generalmente con materiales de arrabio o aluminio. En circunstancias especiales, también se pueden usar zapatos flotantes y aros flotantes al mismo tiempo para garantizar que los aros flotantes no se dañen y sirvan como seguro doble. A veces se agregan dos aros flotantes para un seguro triple para cumplir con los requisitos de retorno del cemento. altura.

La perforación con núcleo geológico a menudo adopta la forma relativamente simple de collar flotante Valle de contrapresión (Figura 3-14). El collar flotante está hecho de arrabio y sus roscas están conectadas al acoplamiento engrosado en el. La parte inferior de la carcasa es de baquelita o nailon. Este formulario tiene una estructura simple, un procesamiento conveniente y un bajo costo.

Figura 3-14 Collar flotante tipo Verle de contrapresión simple

(6) Diseño del tubo de escape

El tubo de escape se refiere a la conexión con la carcasa principal ( o carcasa superior) La parte inferior está conectada y el diámetro es de 1 a 2 niveles menor. La instalación de un tubo de escape puede ahorrar materiales de tubería (no es necesario recorrerlo desde el fondo del orificio hasta la abertura del orificio) y reducir el peso de la carcasa.

El dispositivo de suspensión del tubo de escape es un dispositivo clave para el tubo de escape inferior. Utiliza fuerza hidráulica o fuerza mecánica para conectar firmemente el tubo de escape a la carcasa superior para lograr el propósito de proteger la pared y fijar la tubería. agujero. La tecnología de suspensión de revestimiento se usa ampliamente en la perforación de petróleo y gas. Actualmente, existen principalmente colgadores de revestimiento de empacador, rotativos, mecánicos, hidráulicos, de expansión y otros, como se muestra en la Figura 3-15.

En la perforación con núcleo geológico, debido al pequeño diámetro del orificio y al pequeño espacio anular entre las carcasas, el tamaño lateral del dispositivo de suspensión del revestimiento es limitado, lo que dificulta el diseño del dispositivo de suspensión. En los últimos años, para satisfacer las necesidades de perforación profunda, algunas unidades de exploración geológica también han probado e investigado tecnología de suspensión de revestimiento de pequeño diámetro. El dispositivo de suspensión de tubo de escape simple de pequeño diámetro diseñado por el Instituto de Investigación de Tecnología de Ingeniería de Exploración del Equipo Geológico 313 de la Oficina Provincial de Geología y Recursos Minerales de Anhui ha logrado buenos resultados en su uso. La estructura del dispositivo de suspensión del tubo de escape de pequeño diámetro se muestra en la Figura 3-16. Las principales dimensiones de diseño del dispositivo de suspensión del tubo de escape de pequeño diámetro se muestran en la Tabla 3-7.

Figura 3-15 Colgador de revestimiento típico

(a) Tipo de sellado deslizante; (b) Tipo giratorio; (d) Tipo hidráulico (e) Expansión; tipo

Figura 3-16 Dispositivo de suspensión del tubo de escape de diámetro pequeño

(a) Asiento de suspensión (b) Junta antidesprendimiento

Tabla 3 -7 Principal; dimensiones de diseño del dispositivo de suspensión del revestimiento de diámetro pequeño

El principio de funcionamiento del dispositivo de suspensión del revestimiento de diámetro pequeño se muestra en la Figura 3-17. Este dispositivo utiliza la superficie cónica interna del asiento de la carcasa superior y el. Cono exterior del asiento de suspensión del revestimiento. El mecanismo con superficie coincidente realiza el autobloqueo integrado bajo la acción de la gravedad para colgar el tubo de escape. Para aumentar la resistencia a la fricción entre los conos de suspensión, después de bajar el dispositivo de suspensión del revestimiento a su lugar, se colocan bolas de acero que dividen el agua en la tubería de perforación y aproximadamente 1 kg de grano fino (Ф0,5 ~ Ф1,0 mm) Se agrega arena de acero o arena de cuarzo. Utilice una bomba para enviar la arena de cuarzo a través del puerto de separación de agua al espacio entre el asiento de la carcasa superior y el asiento de suspensión del revestimiento. Luego gire la tubería de perforación hacia adelante para levantar la junta antidesprendimiento del pozo y se completa la instalación del tubo de revestimiento. Si es necesario cementar con cemento después de instalar el revestimiento, se deben perforar previamente de 3 a 4 orificios para lechada con un diámetro de 15 mm en el extremo inferior del revestimiento (para garantizar la resistencia del revestimiento, no taladre orificios en el mismo sección transversal). Al inyectar lechada, baje el tubo de perforación hasta el fondo del tubo de escape para inyectar lechada y solidificar el agujero.

Figura 3-17 Diagrama esquemático del principio de funcionamiento del dispositivo de suspensión del tubo de escape de pequeño diámetro