книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

При расчетах эксплуатационных обсадных колонн рекомен­ дуется принимать следующую величину коэффициента запа­ са прочности на смятие:

а) для месторождений с прочными продуктивными коллек­ торами для всего интервала, рассчитываемого на смятие, 1,15; б) для месторождений, у которых продуктивные месторас­ положения представлены слабосцементированными песчани­ ками, для интервала перфорации и выше на 50 м — 1,3—1,8;

для остальных интервалов — 1,15.

4. Методика расчета на растягивающие усилия

При расчете обсадных колонн на растягивающие усилия от собственного веса среда промывочного раствора не учитыва­ ется. Прочностные характеристики резьбовых соединений об­ садных труб (страгивающие нагрузки) подсчитывают по фор­ муле Ф.И. Яковлева.

Страгивающие нагрузки для резьбовых соединений типа ОТТ и ТБО конструкции ВНИИБТ, подсчитанные лабораторией резьбовых соединений ВНИИБТ, приведены в табл. 5.6 и 5.7.

311

312

Величины коэффициентов запаса прочности на растяже­ ние рекомендуются: для скважин глубиной до 4000 м 1,15; бо­ лее 4000 м 1,3; для наклонных скважин 1,3.

5.Расчет обсадных колонн на внутреннее давление

Проверочный расчет обсадных колонн на внутреннее дав­ ление для газовых скважин ведем с учетом эксплуатационных давлений, а также давлений при проведении гидравлических разрывов пластов, цементирований под давлением и опрессов­ ки колонн. При расчетах эксплуатационных обсадных колонн на внутреннее давление ВНИИБТ рекомендует принимать сле­ дующие величины коэффициентов запаса прочности: для неф­ тяных скважин — 1,2; для газовых скважин — 1,3—1,4.

5.1.6. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ КОЛОНН

(Calculation of intermediate casing string)

Исходными данными для расчета являются: диа­ метр D труб, глубина L спуска колонны, плотности промывоч­ ной жидкости рр и цементного раствора рц р , высота h подъема цемента.

Расчет промежуточной колонны начинают с первой ниж­ ней секции. Толщину стенки трубы выбирают каждый раз в за­ висимости от условий, в которых находится колонна в данной скважине: выхода инструмента из башмака колонны, количес­ тва спуско-подъемных операций и разности в плотностях про­ мывочной жидкости за колонной рр и в колонне р'р.

Выбрав трубы с определенной толщиной стенки, предпо­ лагают, что ими будет закончено составление колонны, и вы­ числяют собственный вес последней. Находят по справочнику страгивающую нагрузку Р'с,гр и вычисляют к'р для самой верх­ ней трубы, установленной у устья скважины:

где условные обозначения те же, что и в формуле (5.33).

Если к'р находится в допустимых пределах, колонну ком­ понуют из труб с проверенной толщиной стенки. В противном случае предполагают, что колонна завершена трубами со сле­ дующей по сортаменту толщиной стенки.

Подставляя в числитель формулы (5.75) значения Р'стр для проверяемой толщины стенки, а в знаменатель вес 1 м длины колонны, принимаемый условно равным среднеарифмети­ ческому весов 1 м длины колонны, составленной из труб с тол­

щиной стенок, проверяемой и смежной ей меньшей, находят кр.

313

Если к"р оказывается достаточным, колонну проектируют двух­ секционной. В противном случае проводят расчёт, аналогичный приведенному выше, для наибольшей толщины стенки выбран­

ного размера. Если к"р оказывается достаточным, колонну про­ ектируют трёхсекционной.

После установления толщины стенки трубы, которой закан­ чивается колонна, определяют длину отдельных секций, исхо­ дя из принципа получения равных напряжений от растяжения в самых верхних трубах отдельных секций.

Для двухсекционной колонны:

Установив длину отдельных секций, определяют запасы про­ чности на растяжение для первой секции по формуле (5.47), а для второй секции из выражения

„Р

Значения кр и кр должны быть равны или отличаться друг от друга незначительно. Аналогичным образом рассчитывают

итрёхсекционные колонны.

Взависимости от предполагаемых условий последующей про­ ходки скважины проверяют трубы на сопротивляемость внутрен­ нему давлению на случай возможного перехода на работу с буро­ вым раствором, плотность которого в колонне выше, чем за колонной, или на повышение давления при продавке цементного раствора.

Проверяют также трубы на смятие на случай вскрытия про­ дуктивных пластов с использованием бурового раствора в ко­ лонне меньшей плотности, чем за колонной, или на возможное понижение уровня вследствие поглощения или выброса, а так­ же незаполнения колонны жидкостью при спуске.

Избыточное внутреннее давление ри определяют по следу­ ющей формуле:

где Lx — расстояние от устья скважины до трубы, подвер­ гающейся проверке, в метрах.

Внутреннее давление рв, выдерживаемое трубами, для ко­ торых ведём расчёт, определяем по формуле (5.14) или нахо­ дим в справочнике. Проверяем нижнюю трубу с наименьшей толщиной стенки.

314

Максимальное значение давления рпр при продавке цемент­ ного раствора определяем соотношением

где h0 — высота цементного стакана в колонне, в метрах. Проверке подвергается труба, установленная у устья сква­

жины.

Возможную длину LH не заполняемой жидкостью части ко­ лонны устанавливают из следующего уравнения:

р А *

Проверяем только нижнюю трубу секции с наименьшей толщиной стенки.

Максимальное сминающее давление р„ при вскрытии про­ дуктивных горизонтов с использованием промывочной жидкос­ ти, плотность р'р которой меньше плотности раствора р„, находя­ щегося за промежуточной колонной, определяем по формуле:

Проверяем нижнюю трубу секции с наименьшей толщи­ ной стенки.

Если после необходимых проверок запасы прочности ока­ зываются достаточными, длину секций считают окончательно установленной.

Вычислением общего веса промежуточной колонны в воз­ духе заканчиваем её расчёт.

П р и м е р б . Рассчитать 273-мм промежуточную колонну, проектируемую на глубину 2250 м. Бурение в колонне будет производиться 114-мм бурильными трубами, выход которых из-под башмака колонны достигает 900 м. Плотность бурового и цементного растворов соответственно 1,20 и 1,83 т/м . Высо­ та подъема цемента за колонной 600 м. После спуска колонны при последующей проходке скважины будет использован утя­ желенный раствор плотностью 1,60 т/м3.

1. Учитывая длину колонны и предполагаемый выход бу­ рильных труб из-под башмака, выбираем трубы из стали мар­ ки Д с овальностью 0,02. Предполагаем, что колонна односек­ ционная из труб Д с 6 = 10,5 мм.

2. По справочнику находим значение страгивающей на­ грузки и вес 1 м длины колонны, а затем по формуле (5.75)

315

вычисляем ожидаемый кр для трубы, установленной у устья скважины:

к'р =190000• 9,81/(70,2 • 2250 • 9,81) = 1,2.

Так как кр < кр = 1,3, приходим к заключению, что колонна должна быть завершена более прочными трубами. Принимая

длины колонны, составленной из труб с толщиной стенок 10,5 и 12 мм, тогда ее вес равен 74,8 • 9,81 = 734 Н. Находим:

225000-9,81 , , ,

к„ = -------------- -— = 1.33.

г734 • 2250

Очевидно, что колонну можно завершить трубами Д с 6 = = 12 мм. Поэтому проектируем её двухсекционной: первую — нижнюю секцию — составляем из труб Д с 5 = 10,5 мм, вто­ рую из труб Д с 8 = 1 2 мм.

3.Определяем длину отдельных секций по формулам (5.76)

и(5.77):

,190-2250-79,4-9,81

/2 = 2 2 5 0 -1 9 4 0 = 3 1 0 л .

4. Зная длину отдельных секций, по формулам (5.75) и (5.78) определяем фактические запасы прочности на растяжение:

крл, = -----------------------= 1,4; Рф 70,2 ■1940 9,81

кРф- _______ 225000 9,81_______

(70,4 -310+ 70,2-1940)-9,81

Запасы прочности на растяжение вполне достаточны.

5. Проверяем трубы на сопротивление внутреннему давле­ нию при повышении последнего в момент «стоп». Приняв вы­ соту цементного стакана равной А0 = 20 м, по формуле (5.80) находим максимальное давление в колонне:

7. Проверяем трубы на избыточное внутреннее давление в

316

связи с переходом на работу с буровым раствором, плотность которого больше за колонной, по формуле (5.79):

А,,л =———-1650=64,8 бар

10,2

8. Проверяем запас прочности ки,л при избыточном внут­ реннем давлении

стью колонны по формуле (5.81) при кСК= 1,15:

10,2-137 1013л/.

1,20-1,15

Определять возможную длину не заполненной жидкостью части колонны при работе на утяжеленном растворе плотнос­ тью 1,6 т/м3 нет необходимости, так как по условиям бурения очевидно, что снижение уровня жидкости в колонне после вы­ хода долота из-под башмака её недопустимо.

При нормальных условиях работы снижения уровня жид­ кости в колонне не будет и фактический запас прочности на смятие окажется выше принятого.

10. Подсчитываем фактическую силу тяжести промежуточ­ ной колонны в воздухе:

=70,2-9,81-1940+79,4-9,81 310= 1574к//.

Тяжелые промежуточные колонны, так же как и эксплуата­ ционные, часто спускаются в скважину двумя частями.

Упрощенный метод Г.П. Протасова

Сущность этого метода, состоит в том, что, исхо­ дя из практических соображений, длину труб нижней секции промежуточной колонны с максимальной толщиной стенки 6, принимают равной /,; вес этой секции Qv Обозначая дополни­ тельную нагрузку на муфтовое соединение труб в момент по­ садки заливочной пробки на упорное кольцо «стоп» через рдо„, длину второй секции 1 из труб с толщиной стенки ^ опреде­ ляют по формуле

317

где

Здесь de — внутренний диаметр труб в месте установки упорного кольца «стоп»;

Рстоп —разница в давлениях перед моментом «стоп» и в момент «стоп»; при расчётах обычно принимают рстоп = 20 —30 бар.

Аналогично можно определить длину секций по следую­ щим формулам:

Коэффициент запаса прочности на страгивание у устья скважины находим из уравнения

рп

1СТр

(5.89)

Рф4" Рдоп

П р и м е р 7. Рассчитать 273-мм промежуточную колонну, спускаемую на глубину 2200 м, если бурение в ней производит­ ся 114-мм бурильными трубами, выход которых из-под башмака колонны достигает 800 м. Дополнительную нагрузку на муфто­ вое соединение труб в момент посадки заливочной пробки на упорное кольцо «стоп» принять равной рд0„ = 196,2 кН.

1. Исходя из задания, проектируем колонну из стали Д. По­ лагаем, что нижняя секция /, = 200 м составлена из труб с тол­ щиной стенок 12 мм. Тогда сила тяжести её:

Q, =?,/!£ = 79,4-200-9,81 = 156,5кН.

2. Вторую секцию колонны составим из труб со стенками толщиной 9 мм. Длина её согласно формуле (5.85) равна

3. Для третьей секции колонны принимаем трубы с толщи­ ной стенки 10,5 мм. Длину её найдём по формуле (5.86):

318

(190000-1,3• 15880 -U • 60,8• 138520000) 9,81 =443м.

1,3-70,2-9,81

4.Длина верхней секции колонны, составленной из труб Д

столщиной стенок 12 мм, по формуле (5.88) равна

/4 =2200- 200-1385-443 = 172м.

5. Определяем фактическую силу тяжести колонны в воз­ духе:

Рф =(79,4- 200+60,8•1385+70,2■443+79,4•172)•9,81=1,42 МН.

6. Запас прочности на страгивание для трубы, расположен­ ной у устья скважины, по формуле (5.89) равен

Изложенная методика Г.Н. Протасова допускает, что потери в весе колонны от погружения её в буровой раствор компенси­ руются трением обсадной колонны о стенки скважины.

5.1.7. РАСЧЁТ СВАРНЫХ ОБСАДНЫХ КОЛОНН

(Calculation of welded casing string)

Расчёт сварной обсадной колонны в принципе не отличается от расчёта труб с резьбовыми соединениями.

Расчёт обсадных сварных колонн на смятие в первом при­ ближении ведут по формуле АзНИИ (Г.М. Саркисова) без учёта местного уменьшения толщины стенок обсадной трубы в свар­ ном соединении и в проточке под хомут.

Расчёт сварной колонны на растяжение сводится к провер­ ке прочности сварного шва и прочности обсадных труб в зо­ нах проточек для каждой толщины стенки.

Расчет прочности сварного стыка

Конструктивная особенность сварного соеди­ нения обсадных труб заключается в том, что при расчете про­ чности сварного стыка учитывают полную толщину стенки тру­ бы, так как в процессе сварки металл трубы проваривается не только по торцам стыка, но и по дну шва.

Максимально допустимую нагрузку на сварное соеди­ нение подсчитываем по формуле:

где <тг — предел текучести материала шва;

F — площадь поперечного сечения сварного шва, равная:

319

D — наружный диаметр обсадной трубы; d — внутренний диаметр обсадной трубы.

Расчет прочности обсадных труб по растягивающим усилиям в проточках

Максимальную растягивающую нагрузку для проточек обсадной трубы подсчитывают по формуле

где F' —площадь поперечного сечения тела обсадной тру­ бы в проточке;

о'т — предел текучести металла трубы.

Конструкция сварной безмуфтовой колонны предусматри­ вает два вида проточек: в зоне соединения концов обсадных труб и в зоне установки хомута.

Прочность обсадной трубы рассчитывают по минимальной площади поперечного сечения, которая расположена в облас­ ти проточки под хомут:

где q —вес 1 м длины обсадной трубы с данной толщиной стенки;

п —коэффициент запаса прочности (1,15—1,3); рд — дополнительное давление в момент «стоп».

5.1.8. ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ НЕЦЕМЕНТИРУЕМОЙ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

(Calculation of non-cemented upper part of casing string)

При проектировании конструкции скважины прочностной расчет предусматривает определение допусти­ мой длины нецементируемой части обсадной колонны L, м, из условия предотвращения нарушения труб при полной разгруз­ ке колонны на цементное кольцо в процессе оборудования ус­ тья колонной головкой.

В общем случае проверочный расчет осуществляется по сле­ дующей зависимости

320