Расчет эксплуатационной колонны и расчет ее цементирования Исходные данные

1. Назначение скважины - эксплуатационная, для добычи нефти.

2. Профиль скважины - вертикальная.

3. Глубина скважины, длина эксплуатационной колонны Н = 3400 м.

4. Диаметр долота при бурении под эксплуатационную колонну D_Д = 165,1 мм.

5. Коэффициент уширения ствола скважины  = 1,05.

6. Наружный диаметр эксплуатационной колонны D _Н = 127 мм.

7. Глубина спуска предыдущей обсадной колонны Н_О = 1100 м.

8. Внутренний диаметр предыдущей колонны D_в = 219 мм.

9. Цементирование эксплуатационной колонны производится до глубины, h = 900м.

10. Высота цементного стакана в эксплуатационной колонне h_cт = 10 м.

11. Верхняя часть колонны цементируется облегченным цементным раствором, нижняя - цементным раствором нормальной плотности. Глубина смены цементных растворов Н_Ц = 2900 м.

12. Время загустевания цементных растворов Т_НЗ = 180 мин.

13. Глубина залегания продуктивных пластов

1. 3130-3150м., Рпл1 = 35,8 МПа, Ргрп=57,3 МПа

2. 3340-3370м, Рпл2=37,7 МПа, Ргрп=73,8 МПа

14. Плотности растворов:

- бурового ρ_р – 1240 кг/м³;

- облегченного цементного ρ_оцр = 1590 кг/м³;

- цементного раствора нормальной плотности ρ_цр = 1850 кг/м³;

- продавочной жидкости ρ_пр = 1240 кг/м³;

- буферной жидкости ρ_бж = 1020 кг/м³;

- нефти в начале эксплуатации ρ_нн = 850 кг/м³;

- нефти (отбираемой жидкости) в конце эксплуатации ρ_н = 950 кг/м³;

- жидкости, заполняющей поры цементного камня ρ_гс = 1100 кг/м³;

- опрессовочной жидкости ρ_ож = 1020 кг/м³;

- жидкости в колонне при испытании ее на герметичность снижением уровня ρ_ж = 1030 кг/м³;

19.Глубина снижения уровня жидкости при испытании колонны на герметичность Н_УГ = 1300 м.

20. Глубина снижения уровня жидкости в колонне в конце эксплуатации Н_УК = 1800 м.

Расчет эксплуатационной колонны

Расчет колонны на избыточное наружное давление

Расчет эксплуатационной колонны на избыточные наружные (сминающие) давления проводят для следующих моментов времени:

- при окончании процесса цементирования;

- при снижении уровня жидкости в колонне, во время испытания её на герметичность в один прием без пакера;

- при окончании эксплуатации скважины.

Рассчитаем избыточное наружное давление в момент окончания цементирования обсадной колонны для характерных глубин.

- у устья скважины (Z = 0):

Р_НИо = Р_Но  Р_Во = 0

- у башмака предыдущей колонны (Z = Н_О):

Р_НИ = 10^-6g ρ_р h + ρ_оцр (Н_О – h)  ρ_пр Н_О = 10^-6 10 1240900 + 1590(1100 – 900) – 12401100= 0,7 МПа

- на глубине смены цементных растворов (Z = Н_Ц):

Р_НИ = 10^-6gρ_р h + ρ_оцр(Н_Ц – h)  ρ_пр Н_Ц = 10^-6 10 (1240900 + 1590(2900 – 900) – 12402900 = 7,0 МПа

- у башмака эксплуатационной колонны (Z = Н):

Р_{НИ z} = 10^-6gρ_р h + ρ_оцр (Н_Ц – h) + ρ_цр ( Н  Н_Ц) - ρ_пр Н  =

= 10^-610 1240900 + 1590(2900 – 900) +1850(3400  2900) - 12403400 = 10,05 МПа

По данным расчета строим эпюру избыточных наружных давлений (рис. 1, линия I).

Рассчитаем избыточное наружное давление в момент испытания эксплуатационной колонны на герметичность снижением уровня:

- у устья скважины (Z = 0):

Р_НИо = Р_Но  Р_Во = 0

- на глубине уровня цемента (Z = h):

Р_НИ=10^-6g ρ_р h= 10^-610 1240900= 11,16 МПа

- у башмака предыдущей колонны (Z = Н_О):

Р_НИ=10^-6g ρ_рh + ρ_гс (Н_О –h)= 10^-610 1240900+1100 (1100-900) = 13,36 МПа

- на уровне продуктивного пласта. Для этого сначала рассчитаем эквивалент градиента пластового давления (_ПЛ):

_ПЛ1 = Р_ПЛ1/0,01 Н_ПЛ1 = 35,8/0,013140 = 1,14 > 1,1

_ПЛ2 = Р_ПЛ2/0,01 Н_ПЛ2 = 37,7/0,013355 = 1,12 > 1,1

- на глубине уровня жидкости в колонне (Z = Н_УГ):

Р_НИ=10^-6gρ_рh+ρ_гс(Н_УГ - h)= 10^-610 1160900+1110(1200-900) = 13,77 МПа

- у башмака эксплуатационной колонны (Z = Н):

Р_НИ=10^-6gρ_рh+ρ_гс(Н- h)-ρ_ж(H- Н_УГ)=

= 10^-610 1160900+1110(4000-900)-1040(4000-1200) = 15,73 МПа

По данным расчета строим эпюру избыточных наружных давлений на момент испытания колонны на герметичность снижением давления (рис. 1, линия II).

Рассчитаем избыточное наружное давление для конца эксплуатации скважины:

- у устья скважины (Z = 0):

Р_НИо = Р_Но  Р_Во = 0

- у башмака предыдущей колонны (Z = Н_О):

Р_НИ=10^-6g ρ_рh + ρ_гс (Н_О –h)= 10^-610 1160900+1110 (1300-900) = 14,88 МПа

- на глубине уровня жидкости в колонне (Z = Н_УК):

Р_НИ=10^-6g ρ_рh + ρ_гс (Н_УК –h)= 10^-610 1160900+1110 (1800-900) = 20,43 МПа

- на забое скважины (Z = Н):

Р_НИ=10^-6gρ_рh+ρ_гс(Нh)-ρ_ж(Н-Н_УК )=10^-6 101160900+1110(4000900)-1040(4000-1800) =21,97 МПа

По данным расчета строим эпюру избыточных наружных давлений на конец эксплуатации скважины (рис. 1, линия III).

Из построенных эпюр видно, что максимальное избыточное наружное давление имеет место для конца эксплуатации скважины.

Для зоны эксплуатационного объекта (интервал пласта ±50 м) примем коэффициент запаса прочности на смятие равным 1,15, для остальной части колонны – 1,0. На границах зоны эксплуатационного объекта с эпюры (рис. 1, линия III) снимаем значения избыточного наружного давления:

• на глубине 3350 м – 21,5 МПа;

• на глубине 4000 м – 21,97 МПа.

Величина наружных избыточных давлений, которые должна выдерживать обсадная колонна будут следующими:

- на глубине 3350 м – 21,5 • 1,15 = 24,73 МПа;

- на глубине 3400 м – 21,97 • 1,15 = 25,26 МПа.

На эпюре избыточных наружных давлений на конец эксплуатации скважины (рис. 1, линия III) на границе зоны эксплуатационного объекта откладываем полученные значения давлений и соединяем их прямыми линиями. Таким образом, мы получили эпюру давлений, которые должна выдерживать колонна с учетом нормированных коэффициентов запаса прочности на смятие. По этой эпюре графическим способом можно подбирать длины секций обсадных труб. Начинаем подбор снизу вверх. Для компоновки колонны примем муфтовые трубы с треугольной резьбой нормальной длины, исполнения «Б» – НОРМКБ. Сминающее давление в 26,3 МПа выдерживают трубы НОРМКБ 139,7Дх7,7 Выше могут быть установлены менее прочные трубы, например трубы НОРМКБ 139,7Дх7,0 для которых сминающее давление равно 22,1 МПа. Максимальную глубину, на которой могут быть установлены эти трубы (низ второй секции) можно найти по точке пересечения линии, соответствующей сминающему давлению этих труб (22,1 МПа) и эпюры давлений, которые должна выдерживать колонна с учетом нормированных коэффициентов запаса прочности на смятие (рис. 1, линия III c учетом выступа). Точка пересечения получена на глубине 3350 м (верхняя граница зоны эксплуатационного объекта). Тогда длина первой секции из труб НОРМКБ 139,7Дх7,7 составит 650 м.

Поскольку к низу второй секции приложена растягивающая нагрузка, равная весу первой секции, то следует уточнить величину сминающего давления для труб второй секции:

Р_СМ = Р_СМ(1 – 0,3Q_Р/ Q_Т) = 22,1(1 – 0,3  168,35 /1216) = 21,2 МПа,

где: Q_P =  q_i  l_i = 0,259 650 = 168,35 кН

Q_T = 1216

Величина сминающего давления для труб второй секции уменьшилась незначительно, точка пересечения линии этого давления с эпюрой находится глубине 2850 м. Тогда уточненная длина первой секции составит 1150 м (4000 – 2850м).

Компоновка эксплуатационной колонны

из расчета на избыточное наружное давление.

№ сек- ции	Типоразмер обсадных труб	Толщина стенки, мм	Группа прочности стали	Интервал установки, м	Длина секции, м	Вес секции, кН
1 2	НОРМКБ 139,7 НОРМКБ 139,7	7,7 7,0	Д Д	2850-4000 0-2850	1150 2850	297,85 675,45

Расчет колонны на растяжение (страгивание)

Выбранную из расчета на избыточное наружное давление компоновку эксплуатационной колонны необходимо проверить на осевые растягивающие нагрузки. Для этого последовательно (снизу вверх) для верха каждой секции рассчитывают коэффициент запаса прочности на растяжение (страгивание).

Для первой секции:

n_СТР = Q_СТР/ q_i  l_i = 780/ 297,85 = 2,61 > n_СТР = 1,3

Для второй секции:

n_СТР = Q_СТР/ q_i  l_i = 690/ 675,45+297,85= 0,71 < n_СТР = 1,3

Следовательно, длина второй секции должна быть перерассчитана из условия на страгивание:

L₂ = (Q_СТР/n_СТР) -  Q_i  / q_i = (690/1,3) – 297,85 /0,237 = 982 м

Вес второй секции составит:

Q₂= q₂  l₂ = 0,237  982 = 232,734 кН

Для компоновки третьей секции необходимо взять более прочные трубы, с большей толщиной стенки – НОРМКБ 139,7Кх7,7. Расчетная длина этой секции:

L₃ = (Q_СТР/n_СТР) -  Q_i  / q_i = (970/1,3) – (297,85+ 232,734) /0,259 = 832 м

Вес третьей секции составит:

Q₃= q₃ l₃ = 0,259  832 = 215,488 кН

Для компоновки четвертой секции необходимо взять более прочные трубы, с большей толщиной стенки – НОРМКБ 139,7Кх9,2. Расчетная длина этой секции:

L₄ = (Q_СТР/n_СТР) -  Q_i  / q_i = (1206/1,3) – (297,85+ 232,734+215,488) /0,303 = 599 м

Вес четвертой секции составит:

Q₄= q₄ l₄ = 0,303  600 = 181,497 кН

Для компоновки пятой секции необходимо взять более прочные трубы, с большей толщиной стенки – НОРМКБ 139,7Кх10,5. Расчетная длина этой секции:

L₅ = (Q_СТР/n_СТР) -  Q_i  / q_i = (1402/1,3) – (297,85+ 232,734+215,488+181,497) /0,344 = 438 м

Исходя из необходимой длины колонны 4000 м, фактическая длина шестой секции составит:

L₅ = Н – L₁ – L₂ – L₃ – L₄ = 4000 – 1150 – 982 – 832- 599 = 437 м

Вес пятой секции составит:

Q₅= q₅ l₅ = 0,344  437 = 150,328 кН

Результаты компоновки эксплуатационной колонны на смятие и страгивание сводим в таблицу

Компоновка эксплуатационной колонны

из расчета на избыточное наружное давление и страгивание.

№ сек-ции	Типоразмер обсадных труб	Толщина стенки, мм	Группа прочности стали	Интервал установки, м	Длина секции, м	Вес секции, кН
1 2 3 4 5	НОРМКБ 139,7 НОРМКБ 139,7 НОРМКБ 139,7 НОРМКБ 139,7 НОРМКБ 139,7	7,7 7,0 7,7 9,2 10,5	Д Д К К К	2850-4000 1868-2850 1036-1868 437-1036 0-437	1150 982 832 599 437	297,85 232,734 215,488 181,497 150,328