книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

Для полного опорожнения расчет ведут по формуле;

~4n-lZn

Р„

где Я„ —допустимая глубина спуска обсадных труб опре­ деляемой секции в м;

Q{, Q2, £?„J — вес нижележащих секций обсадных труб в

кН;

- допустимая глубина спуска обсадных труб преды­ дущей секции в м;

qn_x — вес 1 м обсадных труб предыдущей секции в кН; Нх — глубина опорожнения скважины в м; рр; рн —плотность соответственно бурового раствора и не­

фти в т/м3; а — запас прочности на смятие;

р„ —сминающее давление для обсадных труб, допустимую глубину спуска которых определяем в бар;

zn— коэффициент, учитывающий снижение сминающего дав­ ления от растягивающей нагрузки в 10 кН для труб n-й секции.

Для определения коэффициента zn Т.Е. Еременко рекомен­ дует пользоваться следующими формулами:

После составления конструкции обсадной колонны из рас­ чета на смятие и осевое нагружение переходит к расчету об­ садной колонны на страгивающие усилия.

Расчет резьбовых соединений обсадных труб на страгива­ ющие нагрузки Т.Е. Еременко рекомендует производить по уп­

где Рстр — страгивающая нагрузка в Н;

D4> — средний расчетный диаметр резьбового соединения

301

по первому полному витку, находящемуся в зацеплении (5-й виток от сбега резьбы), в см;

8„ —рабочая толщина стенки обсадной трубы с толщиной стенки h в см;

а т—предел текучести металла обсадной трубы в МЯ/м2;

где DH — номинальный диаметр обсадной трубы в см; hp — высота витка резьбы в см;

z — уменьшение толщины стенки в расчетном сечении вследствие конусности резьбы в см;

где Ьн — номинальная толщина стенки трубы в см. Расчетные данные, полученные по формуле (5.68), ниже эк­

спериментальных только на 7—8%, тогда как данные, получен­ ные по формуле Ф.И. Яковлева, ниже экспериментальных на 26-31%.

Формулу (5.68) Т.Е. Еременко рекомендует применять и для расчета на страгивание промежуточных колонн, хвостовиков

икондукторов.

Пр и м е р 4. Рассчитать по методике Т.Е. Еременко экс­ плуатационную колонну из труб диаметром 146 мм, опускае­ мую на глубину 3500 м.

Исходные данные для расчета следующие: глубина спуска колонны I = 3500 м; диаметр трубы d = 146 мм; диаметр сква­

жины D = 190 мм; сталь Д (ог = 37,28 бар); плотность бурово­ го раствора и нефти: = 1,35 т/ м3 и рн = 0,8 т/м3; глубина опорожнения Ну = 2333 м; высота подъема цемента Л = 560 м; длина зоны перфорации 100 м; запас прочности при расчете на смятие 1,15; запас прочности при расчете на смятие в зоне перфорации 1,0; запас прочности при расчете на страгивание 1,3; СНС: V, = 0,98 мН/см2, vn = 4,9 мН/см2.

Расчет эксплуатационной колонны на смятие

Расчет ведем сверху вниз, начиная с минималь­ ной толщины стенки обсадных труб. По формуле (5.59) опре­ деляем сминающее давление для обсадных труб Д диаметром 140 мм для всех толщин стенок.

302

Допустимая глубина спуска обсадных труб с 6Н = 8 мм ни­ же допустимого уровня опорожнения скважины (Ну = 2333 м), поэтому допустимую глубину спуска для этих труб необходи­

Допустимая глубина спуска обсадных труб с 8Н = 8 мм ниже уровня подъема цемента (2940 м), поэтому допустимую глубину спуска этих труб необходимо пересчитать по формуле (5.63):

Таким образом, обсадные трубы с 8Н = 8 мм могут быть уста­ новлены только до цементного кольца, т.е. до глубины 2940 м.

Определим допустимую глубину спуска обсадных труб с

Проверим, могут ли обсадные трубы с 8Н = 10 мм быть ус­ тановлены в зоне перфорации:

303

Расчет показывает, что обсадные трубы с 8Н = 10 мм в зоне перфорации на глубине 3265 м не могут быть установлены.

Определим допустимую глубину спуска обсадных труб с 8Н = 11 мм:

11,22 • 482

После расчета на смятие конструкция колонны следующая:

Расчет эксплуатационной колонны на двухосное (смятие и растяжение) нагружение

Наиболее опасными секциями колонны с точ­ ки зрения двухосного нагружения являются секции, состоя­ щие из труб с 8Н = 7 и 8 мм (секцию с 8Н = 6 мм не принима­ ем во внимание, так как ее следует заменять более прочными трубами по условиям расчета на страгивание).

Напряжения в теле обсадной трубы от действия осевой нагруз­ ки создаются весом нижележащих секций с толщиной стенок 9, 10 и 11 мм. В дальнейшем эти напряжения назовем осевыми.

Напряжения в теле обсадной трубы от действия внешних сминающих усилий назовем радиальными напряжениями, Т.Е. Еременко принимает, что после ОЗЦ осевые напряжения в теле обсадных труб можно уменьшить на вес зацементирован­ ных секций. Радиальных напряжений в теле обсадных труб в это время нет, они возникают после замены промывочной жид­ кости в эксплуатационной колонне на воду или после снижения уровня жидкости. Поэтому расчет эксплуатационной колонны на двухосное нагружение ведут за вычетом веса секций, нахо­ дящихся в цементном кольце.

304

П р и м в р З . Расчет производим с глубины 2940 м, т.е. с сек­ ции труб с 6 = 7 мм, осевые напряжения в теле которых вы­ зываются весом секции с 5 = 8 мм.

По формуле (5.64) определяем допустимую глубину спуска обсадных труб с 8 = 7 мм:

Таким образом, длина секции обсадных труб с 8 = 8 мм равна:

/. = 2940-1190= 1750л#; сила тяжести их:

08 =1750- 0,0281 - 9,81 =482гсН.

На этом расчет эксплуатационной колонны на двухосное на­ гружение заканчиваем, имея в виду, что выше секции с 8 = 8 мм колонну будем рассчитывать на страгивание.

Конструкция колонны после расчета на двухосное нагру­ жение следующая:

Расчет эксплуатационной колонны на страгивание

Расчет на страгивание от собственного веса экс­ плуатационной колонны ведем с учетом дополнительных уси­ лий, возникающих при цементировании, которые находим по формуле:

Q < k m - 7,85-rfg ■р д ,

где dB —внутренний диаметр обсадных труб, равный 12,8 см; рд —добавочное давление при цементировании в бар:

Р д ~ Р г и д р + Р с т о п ,

Р ги д р ~ условно принимаем равным ^ з з . в бар;

Рсюп ~ давление в момент «стоп» принимаем равным 15— 20 бар;

3500 _ Рд =102_ +20=54 бар'

0*,„=7,85 12,82 -54 =68,5кН.

По формуле (5.68) определяем страгивающие нагрузки для всех толщин стенок обсадных труб Д диаметром 146 мм.

Необходимые данные для расчета: DH — 146 мм; hp = 2,033 мм; z = 0,3 мм; Dcp = 146 — 2,033 — 0,3 = 143,667 мм; 86 = 6 —

-2,033 - 0,3 = 3,667 мм; ^ = 4,667; 58 = 5,667 и т.д. Величины Qe даны в таблице.

Определим длину секции обсадных труб с 5 = 8 мм из ус­ ловия страгивания:

08 =1720-0,0281-9,81 = 475кН.

Аналогично определяем допустимую длину других секций. Итак, данные по окончательной конструкции эксплуатаци­

онной колонны по данным расчета сводим в табл. 5.3.

306

Общий вес колонны 1077 кН.

В. Расчет эксплуатационных обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин по методу, разработанному Всесоюзным научноисследовательским институтом буровой техники (ВНИИБТ)

Исходные данные для расчета: L —глубина сква­ жины в м; р, - пластовое давление в водо-, нефтеили газо­ носных горизонтах, бар; рс — минимальное давление в экс­ плуатационной колонне от частичного заполнения ее нефтью, водой и т.п. в бар; рвг — максимальное внутреннее давление, ожидаемое в процессе эксплуатации, в бар; Ррсм — расчетное давление смятия для трубы в бар; рр; рн — плотность бурово­ го раствора и нефти в т/м3; h — высота подъема цементно­ го раствора в м.

Расчетную величину опорожнения для нефтяных >кважин следует принимать дифференцированно:

а) для месторождений, разрабатываемых с эффективным поддержанием пластового давления, исходя из установленных норм снижения уровня при освоении скважин;

б) для остальных месторождений — с учетом минимально допускаемых проектом разработки динамических уровней.

Для газовых и газоконденсатных месторождений эксплуата­ ционные колонны рассчитывают на полное опорожнение.

Для нагнетательных и эксплуатационных скважин, находя­ щихся в крайних рядах, которые после сравнительно коротко­ го периода эксплуатации будут переведены в нагнетательные, расчетные величины снижения уровня в скважине рекомен­ дуются не более 1000 м.

Для разведочных скважин расчетную величину снижения уровня принимают с учетом депрессий, создаваемых на пла­ сты в процессе опробования.

М ет одика расчет а на сминаю щ ие нагрузки

(Calculation of casing collapse load)

При расчетах обсадных колонн используются прочностные показатели обсадных труб на сминающие давле­ ния, рассчитанные по формуле АзНИИ (Г.М. Саркисова).

1. В зоне цементного кольца

Для всех интервалов большинства месторождений за вне­ шнюю сминающую нагрузку принимают начальные пластовые давления в водо-, нефтеили газоносных горизонтах.

За расчетную сминающую нагрузку Ррг>, для каждого ин­ тервала ствола скважины принимают разность давлений:

Для скважины, где наблюдаются проявления горного дав­ ления, величина Ррч.мопределяется также по формуле (5.71), но рекомендуется принимать более высокие значения коэффици­ ента запаса прочности по опытным данным.

Институтом ВНИИБТ подсчитана необходимая прочность це­ ментного камня на изгиб через двое суток в зависимости от диа­ метра скважины, для обсадной колонны размером 146 и 168 мм при овальности, равной 0,01, и нагружении труб внешней гид­ равлической нагрузкой до Рр с>,/1,15, при коэффициенте запа­

308

Для промежуточной толщины обсадных труб и цементно­ го кольца необходимые прочностные показатели цемента оп­ ределяются интерполяцией.

При использовании прочных цементов (кц > 4) необходимо учитывать положительное действие цементного кольца на не­ сущую способность обсадных труб путем снижения коэффи­ циента запаса прочности до 1,05.

Если же тампонажный цемент не отвечает прочностным показателям, приведенным в таблице 5.4, то для предотвраще­ ния трещинообразований в цементном кольце необходимо для участка длиной 20—50 м над и под продуктивными горизонта­ ми устанавливать трубы с нулевой овальностью.

2. Выше зоны цементного кольца

Для интервала обсадной колонны в затрубном простран­ стве, в которой находится глинистый или другой промывочный раствор, за внешнюю сминающую нагрузку (Ррсм) рекоменду­ ется принимать разность между гидростатическим давлением раствора с учетом эффекта «разгрузки» (р1р) и давления в экс­ плуатационной колонне в результате заполнения ее нефтью, во­ дой или другой жидкостью (рс).

Гидростатическое давление промывочного раствора с уче­ том разгрузки определяется зависимостью

где Н — расстояние от устья до соответствующего интер­ вала в м;

рр; рв —плотность глинистого раствора и воды в т/м3; D, d—диаметры скважины и обсадной колонны в см;

v,, vH —начальное и конечное статическое напряжение сдви­ га промывочного раствора в мН/см2,

Величина ргр, определенная по формуле (5.72), является также внешней расчетной сминающей нагрузкой для верх­ него участка обсадной колонны в интервале цементирова­ ния вплоть до ближайшего водо-, нефтеили газоносного горизонта.

3.Учет влияния осевых нагрузок от веса колонны

При расчете обсадных труб на смятие как в зоне цементи­ рования, так и вне ее следует учитывать отрицательное влия­ ние растягивающих нагрузок на сопротивляемость труб смя­ тию по формуле:

309

А = - N

200FoT

где Р‘см — расчетное сминающее давление с учетом дей­ ствия растягивающей нагрузки в бар;

Рсм — минимальное сопротивление труб смятию без воз­ действия растягивающей нагрузки в бар;

N — растягивающее усилие в Н;

F — площадь поперечного сечения трубы в см2; ат— предел текучести материала трубы в МН/м2.

В зоне цементирования осевые растягивающие нагрузки, действующие к моменту окончания спуска обсадной колонны, после затвердения цемента в результате сцепления его со стен­ ками скважины и обсадной колонной, а также осевых дефор­

где Np — растягивающее усилие в кН;

а —линейная деформация 1 м обсадной трубы (в мм) при давлении смятия;

б — линейная деформация 1 м обсадной трубы (в мм) при растягивающей нагрузке.

Значения величины линейной деформации а обсадных труб различных диаметров при давлении смятия 100 бар и линейной деформации б при растягивающей нагрузке, равной 100 кН, при­ ведены в табл. 5.5.

310