Наиболее распространенный способ крепления скважин - спуск обсадных колонн и цементирование пространства между колонной труб и стенками скважины. Число спущенных в скважину обсадных колонн, их размеры, наружный диаметр, диаметр ствола под каждую колонну, местоположение интервалов цементирования определяют понятие конструкции скважины (рис. 13). Конструкция должна обеспечивать:

прочность и долговечность скважины как технического сооружения;

проходку скважины до проектной глубины;

достижение проектных режимов эксплуатации;

максимально полное использование природной энергии для транспортировки нефти и газа;

надежную изоляцию газонефтеводонапорных горизонтов;

минимальный расход средств на разведку и разработку месторождения;

возможность проведения ремонтных работ в скважине.

Диаметр эксплуатационной колонны значительно влияет на стоимость скважины: чем он больше, тем, как правило, выше стоимость. Поэтому стремятся уменьшить этот диаметр. При бурении скважин в верхних слоях(50-400 м) обычно проходят неустойчивые, мягкие, трещиноватые и кавернозные породы, осложняющие процесс бурения, поэтому такие горизонты перекрывают и изолируют. Первая обсадная колонна, перекрывающая эти пласты, получила название кондуктор.

После спуска кондуктора не всегда удается пробурить скважину до проектной глубины вследствие прохождения новых "осложняющих" горизонтов (так называемые несовместимые условия бурения) или необходимости перекрытия продуктивных пластов, не подлежащих эксплуатации в данной скважине.

В таких случаях возникает потребность в дополнительных обсадных колоннах называемых промежуточными (рис. 13а).

Рис. 13. Конструкция скважин: а-с промежуточной колонной; б-с хвостовиком; в-с комбинированной эксплуатационной колонной

Пробурив скважину до проектной глубины, спускают и цементируют эксплуатационную колонну. Если не существует угрозы возникновения высокого избыточного внутреннего давления, в скважине с целью экономии металла и уменьшения стоимости новой обсадной колонны укрепляют лишь тот участок ствола, который не был перекрыт предыдущей колонной. Такая колонна называется хвостовиком (рис. 13, б).

Для решения проблем, связанных с прочностью обсадных труб, применяют так называемую комбинированную эксплуатационную колонну (рис. 13, в), у которой диаметр верхней части больше диаметра нижней.

От правильного проведения работ, выполняемых для успешного спуска колонн обсадных труб в скважину, зависит спуск башмака колонны до проектной глубины и качество цементирования. Работы, проводимые для успешного спуска обсадных колонн, можно подразделить на четыре этапа: подготовка обсадных труб и элементов оснастки колонны, подготовка бурового оборудования и инструмента, подготовка ствола скважины, непосредственно спуск колонны.

Подготовка обсадных труб и элементов оснастки заключается в том, что обсадные трубы и их резьбу проверяют на герметичность опрессовкой (обычно в специальном цехе), трубы заблаговременно доставляют на буровую, длину каждой трубы замеряют стальной рулеткой и проверяют на овальность шаблоном, пронумеровывают все трубы в порядке их спуска в скважину. Все сведения (диаметр, толщина стенки, марка стали, завод-изготовитель и т.д.) заносят специальный паспорт крепления скважины.

Одновременно с обсадными трубами доставляют на буровую элементы оснастки обсадной колонны (рис. 14) и производят подготовку к спуску. К ним относятся башмачная направляющая пробка (конус), башмачный патрубок, башмак колонны, обратный клапан, упорное кольцо, центрирующие фонари и скребки.

Башмачная направляющая пробка (рис. 14, а) служит для направления низа обсадной колонны по стволу скважины. Применяют чугунные пробки, соединяемые резьбой с башмаком или башмачным патрубком, бетонные или деревянные пробки.

Рис. 14. Элементы оснастки обсадной колонны:

а - оснастка низа обсадной колонны: 1 - направляющая пробка; 2 - башмак; 3 - башмачный патрубок с отверстиями; 4 - обратный клапан;

б - обратный клапан: 1 гайка; 2 - шайба; 3 - пружина; 4 - стержень; 5 - седло клапана; 6 - тарелка; 7 - корпус; в - центрирующие фонари: 1 - пружинного типа; 2 жесткого типа; г - радиальные скребки

Башмак обсадной колонны (см. рис. 14, а) делают из толстостенного патрубка с резьбой под обсадную колонну. Башмачный патрубок (см. рис. 14, а) применяют в случае спуска обсадной колонны до забоя скважины, чтобы иметь возможность прокачать тампонажный раствор в затрубное пространство. Его изготовляют из толстостенной обсадной трубы. Нижний конец патрубка имеет резьбу под башмак, а верхний - под муфту обсадной трубы.

Обратный клапан (рис. 14, б) препятствует обратному движению тампонажного раствора после окончания цементирования и не позволяет проникать вовнутрь колонны жидкости из скважины. Наиболее прост по конструкции тарельчатый клапан. Он состоит из седла, дискового клапана с направляющим штоком и пружины. Дисковой клапан притирают к седлу для обеспечения герметичности.

Упорное кольцо (стоп-кольцо) служит для остановки цементировочных пробок. Его устанавливают выше обратного клапана, обычно на ближайшем стыке труб.

Центрирующие фонари (рис. 14, а) предназначены для расположения обсадной колонны концентрично оси скважины. Применяют фонари пружинного и жесткого типов. Более широко применяют пружинные фонари. Они состоят из нескольких пружинящих планок, которые своими концами закреплены электросваркой на кольцах. Фонарь свободно надевают на обсадные трубы. Чтобы ограничить его осевое перемещение, между верхним и нижним кольцами располагают упорное кольцо, которое приваривают к обсадной колонне. Установка фонарей предохраняет колонну от прилегания к стенкам скважины, тем самым облегчает ее спуск и улучшает качество цементирования.

Скребки используют для механической очистки стенок скважины от глинистой корки с целью обеспечения более прочной связи образующегося цементного камня с породами, слагающими стенки скважины. Применяют радиальные и гребенчатые скребки. Радиальные скребки могут быть установлены на кольцах пружинных фонарей. Во время спуска обсадной колонны при возвратно-поступательном, вращательном или поступательном вниз движении скребки своими щетками снимают глинистую корку и обнажают породу на стенках скважины.

После спуска очередной обсадной колонны производят ее цементирование. Перед проведением цементирования обсадных колонн определяют необходимую высоту подъема тампонажного раствора за колонной с учетом требований ее безопасной эксплуатации, выбирают способ цементирования и тампонажные материалы, взависимости от геологических и физико-химических условий проведения работ, производят расчет цементирования скважины, на основании которого определяют количество требуемых материалов, число цементировочных агрегатов, цементно-смесительных машин и другого оборудования. Для различных геологических условий проведения работ применяют несколько способов цементирования обсадных колонн: одноступенчатое цементирование с разделительными пробками, манжетное цементирование, двухступенчатое цементирование, двухступенчатое цементирование методом встречных заливок, цементирование хвостовика, обратное цементирование и цементирование под давлением.

Одноступенчатое цементирование с разделительными пробками в практике применяют наиболее часто. Процесс цементирования производят следующим образом. После подготовки скважины к цементированию и приготовления первой порции тампонажного раствора в обсадную колонну вставляют разделительную пробку. Одновременно с этим включают цементировочные агрегаты и цементно-смесительные машины. Тампонажный раствор поступает в скважину (рис. 15, а). После закачивания требуемой порции тампонажного раствора из цементировочной головки спускают верхнюю разделительную пробку (рис. 15, б) и приступают к закачиванию продавочной жидкости, объем которой рассчитывают. Тампонажный раствор между двумя пробками движется к забою скважины. Нижняя разделительная пробка, достигнув стоп-колъца, останавливается и под действием давления тампонажного раствора в ней разрушается перемычка. Тампонажный раствор через нижнюю пробку и башмак колонны поступает в затрубное пространство (рис. 15, в).

Рис. 15. Схема одноступенчатого цементирования с двумя разделительными пробками