книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

Если k” недостаточно, верхнюю часть колонны составля­ ют из двух^секций. Длину предпоследней секции определяют из следующего равенства:

Запасы прочности на растяжение вычисляют по формулам:

Значения к"~' и к”р должны быть равны или отличаться друг от друга незначительно.

Если запас прочности недостаточен, верхнюю часть колон­ ны проектируют из трёх секций и т.д.

Расчёт эксплуатационных колонн заканчивают вычислени­ ем её общего веса в воздухе, равного знаменателю одного из выражений (5.33), (5.37) и т.д.

При проектировании верхних частей колонн из равно­ прочных труб схема расчёта не изменяется. Только при опре­ делении длины отдельных секций и запасов прочности необ­ ходимо значение страгивающей нагрузки заменить значением нагрузки Рт, соответствующей пределу текучести материала по телу трубы при данной толщине стенки и марке стали.

Пр им ер 1. Рассчитать эксплуатационную колонну для сква­ жины глубиной 3500 м, составленную из труб диаметром 168 мм, изготовленных из стали марки Д с овальностью 0,02. Возможно снижение уровня жидкости в колонне Н = 2000 м. Плотность бурового раствора 1,4 т/м3, плотность нефти 0,85 т/м3. Высота подъема цемента h = 1300 м. Возможное распространение интервала перфорации находится в пределах зацементиро­ ванного участка. Допустимое натяжение талевой системы 1,47 МН.

1.По формуле (5.19) определяем внешнее давление у забоя:

р=у^[3500-1,4-(3500-2000).0,85] = 355 бар.

281

2. Приняв ксм = 1,3, по формуле (5.20) находим сминающее давление для труб, устанавливаемых у забоя:

р1М= 1,3 -355 = 462,5 бар.

3. По справочнику находим, что сминающему давлению, близкому к полученному, отвечают трубы из стали марки Д с

толщиной стенки 8, = 14 мм [Pcv=490 бар). Принимаем, что первая секция составлена из этих труб, и уточняем ксмдля ниж­ ней трубы по формуле (5.21):

4. Рассматривая возможное местоположение труб вто­ рой секции из стали марки Д с толщиной стенки 82 = 13 мм

[Рсм =446 бар), определяем длину первой секции по форму­

Длину первой секции принимаем равной /, = 230 м.

Так как L - /, > Н (3500 — 230 > 2000 м), то считаем, что формула (5.23) применена правильно.

5. Проверяем ксл, у нижней трубы второй секции, определив предварительно внешнее давление, испытываемое этой трубой, по формуле (5.22):

р =-[(3500-230) 1,4-(3500-2000-230) -0,85] =343 бар;

10,2

* ,> ± ^ = 1.30. 343

6. Длину второй секции установим из возможного место­ положения труб третьей секции из стали марки Д с толщиной

стенки 83 = 12 мм (Р(.” =402 бар), приняв кг„ — 1,30, по фор­ муле (5.29):

/2=(3500-230)-10,2 40-2 =1020 м.

Так как L - /,- /2 > Н (3500—230—1020 > 2000), то зависи­ мость (5.29) использована неправильно, необходимо /2 пересчи­ тать по формуле (5.31):

282

8. Длину третьей секции определим из возможного место­ положения труб четвёртой секции, составленной из труб ста­

ли марки Д с толщиной стенки 64 = 11 мм (Р™ =353 бар), по формуле (5.29):

/, = (3500- 230-630)_ 1 °'2 •353 = б65 л/. 1,4-1,3

Так как Я > I - (/, +/2 + /2), т.е 2000 > 3500 - (230 + 630 + 665), очевидно, что формула (5.29) применена правильно.

Поскольку за пределами зоны перфорации (Л + 50 м) запас прочности на смятие уменьшается, фактическую длину треть­ ей секции принимаем равной:

/, =(й + 50)-</, +/2) = (13004-50)-(230+ 630) = 490 и.

9. По формуле (5.30) находим внешнее давление, действую­ щее на первую трубу четвёртой секции:

р п' = j^ - ([3 5 0 0 - (230+630+490)) ■1,4 -

—[3500—(230 + 630 + 490 +- 2000)] ■0,85) = 282 бар.

Проверяем к,,,, для этой трубы:

что выше рекомендуемого, равного 1,15.

10. Остальную часть колонны длиной 2150 м рассчитываем на растяжение. Допустим, что колонна будет завершена тру­ бами четвёртой секции. Находим силу тяжести трех первых секций:

X&.2J =(54.1• 230+50,6-630+ 47,1 • 490) • 9,81= 660 кН.,

что недопустимо.

283

Поэтому, не определяя крв предположении завершения ко­ лонны трубами 8 = 1 2 мм, переходим к определению крдля труб с 8 = 13 мм (Рсгр = 1715 кН). Тогда крдля трубы у устья равен:

лонну только из труб стали марки Д нельзя. Поэтому выбира­ ем более прочные трубы из стали марки Е с 8 = 13 мм и про­ веряем кр.

растяжении, состоит иэ пяти секций (трубы Д х 11, Д х 12, Д х 13,

Дх 14 и Е х 13 мм), а вся колонна состоит из восьми секций.

11.Длину четвёртой секции определяем по формуле (5.34):

284

Принимаем длину четвёртой секции равной /4 = 1015 м. Длину остальных секций также можно подсчитать по фор­

муле (5.34). Однако для этого проще воспользоваться уравне­ нием (5.33).

12. Длину пятой секции (трубы Д х 12 мм, qs = 47,1 -9,81 = = 462 Н, Рстр(6) = 1570 кН) определяем по формуле (5.33), подсчи­ тав предварительно общую силу тяжести предыдущих секций:

££?,,2,з,4 = 660000+ 43,5 • 9,81 1015= 1095 кН.

Тогда

15--°-1095 __У ______ = 243 м.

= 530 Н, Рстр(7) = 1913 кН) определяем аналогично. Общая си­ ла тяжести первых шести секций равна:

£<2 = 1203000 + 497-230 =1320 кН.

Тогда 19J.3-1320

Принимаем длину седьмой секции равной /7 = 285 м.

15.Подсчитываем длину последней, восьмой секции (тру­

бы Е х 13 мм, = 50,6-9,81 = 497 Н, Рстт = 2303 кН): h = L - ( l { +/2+/3+/4 +/5+/6+/7 ) =

=3500-(230+630+ 490+1015+ 240+230+285) =380 м.

По формуле (5.33) проверяем кру самой верхней трубы вось­ мой секции у устья скважины:

285

р<8> 1320000+530-285+497-380 '

Полученные запасы прочности вполне достаточны для каж­ дой секции.

16. Подсчитываем общую силу тяжести Рфколонны: Рф=1320+0,53-285+0,497-380 =1658 кН.

Так как по условию задачи сила натяжения талевой сис­ темы не превышает 1,47 МН, то рассчитанная колонна может быть спущена в скважину либо после проведения необходи­ мых технических мероприятий по увеличению грузоподъём­ ности вышки и талевой системы (замена вышки, подъёмного крюка, талевого каната и т.п.), либо по частям. Мероприятия по увеличению грузоподъемности вышки проводят в тех случаях, когда рассчитанная колонна не может быть облегчена или ког­ да разница в стоимости более лёгкой колонны, изготовлен­ ной из легированной стали, окажется значительно выше затрат (в денежном выражении) по увеличению грузоподъёмности бу­ рового оборудования.

Сущность методики расчёта обсадных колонн при спуске их двумя частями с последующим соединением в скважине со­ стоит в том, что каждую из частей колонны рассчитывают на смятие, а не на страгивающую нагрузку. Это позволяет умень­ шить общий вес колонны на 10—15%.

П р и м е р 2. Для сравнения рассчитаем эту же колонну, спроектировав её из труб, изготовленных из стали марки Е с овальностью 0,01.

1.Из справочника находим, что внешнему давлению у за­

боя скважины (р1 = 355 бар) отвечают трубы из стали марки

Длину первой секции принимаем равной Д = 1020 м.

Так как Z,-/, > Н (3500 — 1020 > 2000 м), убеждаемся, что зависимость (5.23) была применена правильно.

286

3.Определив по формуле (5.22) внешнее давление, дейст­

4. Длину второй секции установим из возможного местопо­

ложения труб третьей секции из стали марки Е х 8 мм (Рсм = = 304 бар), по формуле (5.30):

+ 50 = 1350 м), то очевидно, что длина второй секции может быть несколько уменьшена. Определяем возможное положение труб третьей секции при ксм = 1,15:

Длину второй секции принимаем равной /, = 555 м.

6. Остальную часть колонны (1925 ,и) рассчитываем на рас­ тяжение, допустив, что колонна завершена трубами третьей секции: находим силу тяжести двух первых секций:

£ 0 1 .2 =(39,9 1020+ 36,2-555)-9,81 = 596 к Н ,

а затем по формуле (5.33) определяем kp для самой верх­ ней трубы:

,140000 9,81

к„ = ---------------------------------- = 1,13,

р32,5 -9.81 1925+596000

что недостаточно. Полагаем, что колонна завершена более прочными трубами Е х 9 мм, и расчёт повторяем:

к160000-9,81

р 32,6 ■9,81 • 1925+ 596000 ‘ *

287

Таким образом, нижняя часть колонны состоит из двух сек­

вёртой секции, определив предварительно общую силу тяже­ сти первых трёх секций:

= 596000 + 32,5 ■9,81 • 1440 = 1056 кН .

Тогда

16000°-93I_IO56OOO

1,3

= 420 м.

36,2-9,81

Принимаем длину четвёртой секции равной /4 = 420 м. 9. Подсчитываем длину последней, пятой секции:

/5 = L ~ Y J = 3 5 0 0 -1 0 2 0 - 5 5 5 -1 4 4 0 -4 2 0 = 65 м.

По формуле (5.33) проверяем кр(5).

t _______________ 185000-9,81_________ _ _ _ 147 р<5’ ~ 36,2-9,81-420 + 39,9-9,81-65 + 1056000^ ’

10. Подсчитываем общую силу тяжести колонны:

Рф = 1056000 + 36,2 • 9,81 ■420 + 39,9 • 9,81 ■65 = 1235 кН.

Из сравнения видно, что целесообразной с технико-эконо­ мической точки зрения является колонна, рассчитанная по вто­ рому варианту, поскольку она:

288

а) на 423 кН легче по сравнению с первой и может быть спу­ щена без дополнительного увеличения грузоподъемности име­ ющегося бурового оборудования;

б) состоит из пяти (вместо восьми) секций, а поэтому ор­ ганизация работ по спуску ее в скважину значительно упро­ щается;

в) намного дешевле первой.

5.1.5. УТОЧНЕННЫЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОБСАДНЫХ КОЛОНН

Б.Б. Лапук, Ю.Л. Песляк, Н.И. Мусхелишвили, М.Я. Леонов, С.А. Станишевский, В.В. Панасюк, К.В. Гуппенейт

идругие ученые провели исследования с целью модернизации расчета обсадных труб. Отличительная особенность этого мето­ да состоит в том, что в нем одновременно учитывается горное давление и уменьшение давления в трубах при их опорожне­ нии или повышении давления в нагнетательных скважинах.

Они пришли к выводу, что обсадные трубы в зацементиро­ ванной зоне необходимо рассчитывать по формулам М.Г. Ламе,

ане по формулам, учитывающим критическое гидростатиче­ ское давление, как это рекомендовалось до последнего времени. Иначе говоря, при расчете обсадных труб необходимо учиты­ вать поддерживающее действие цементной оболочки и мас­ сива горных пород. Благодаря этому поддерживающему дей­ ствию обсадные трубы практически не теряют устойчивости

ив них не возникает концентрации напряжения, связанной с овальностью. Это положение учитывают уточненные мето­ дики расчета обсадных колонн Г.М. Саркисова, Т.Е. Еремен­ ко и ВНИИБТ.

А. Расчет обсадных колонн по методу Г.М. Саркисова

В последнее время для расчета обсадных ко­ лонн Г.М. Саркисов предложил новую (уточненную) методику определения расчетных давлений, которая позволяет сокра­ тить расход металла.

По этой методике величина давлений устанавливается по­ следовательным рассмотрением всех этапов строительства и эксплуатации скважины. В новой методике принято, что си­ стема состоит из колонны, цементной оболочки и окружающих пород, что дает возможность учесть их давление.

Величины расчетных (избыточных) наружных давлений для случая, когда они определяются давлением столба бурово­ го раствора, подсчитывают по формулам:

^ = — ( Р р г - ( г - Я ) р „ ) п р и « < z < I ,

и10,2 р

где I — глубина скважины в м;

z — глубина, на которой определяется давление, в м; И — уровень жидкости (нефти) в колонне в м;

рр и рн — плотности соответственно бурового раствора и нефти в т/м3;

р — расчетное давление, бар.

Давление у забоя скважины (при z = L) и на уровне Н (при z = H), соответствующее формулам (5.38), определяют по фор­ мулам:

р1 = ~ (Р р 1 - (1 ~н )РЛ

[(1 + М|)-<а(1 + м 2)] + ((1 —/И|) —со(1 + /м2)] Яг

где w, и 1я2 —коэффициенты Пуассона материалов трубы и цементной оболочки, равные: т, = 0,33 и т2 = 0,4;

ю = £■,/ Ег;

Е, и Е2 — модули упругости материалов трубы и цемент­ ной оболочки;

X — отношение наружного диаметра колонны к внутрен­ нему.

Для пользования формулой (5.41) необходимо определить р„ р2 и Рс (в бар) следующим образом:

290