10.5 Умови роботи обсадних колон у свердловині

Умови роботи обсадних колон залежать від виду колони, періоду її експлуатації і призначення свердловини. Навантаження, що діють на обсадну колону в процесі будівництва і експлуатації, змінюються.

При спуску обсадної колони в свердловину на неї діють такі навантаження:

- розтягуюча сила від власної ваги колони (максимальна в місці її підвішування);

- виштовхувальна (архімедова) сила тиску рідини;

- зовнішній і внутрішній статичні тиски;

- сили взаємодії труб із стінкою свердловини;

- інерційні сили;

- гідродинамічні сили, виникаючі в результаті руху витсненої колоною рідини;

- згинаючий момент у місцях викривлення свердловини та інші.

При цементуванні свердловини на колону діють ті ж сили, що і при спуску, але величина деяких з них суттєво змінюється.

У процесі буріння проміжні колони і кондуктор зношуються в результаті спуско-підіймальних операцій і обертання бурильної колони.

У період експлуатації змінюються температура і тиск, зовнішня і внутрішня поверхні обсадних колон піддаються корозії. Внутрішня поверхня експлуатаційної колони зношується при підземних і капітальних ремонтах свердловини.

При проектуванні обсадних колон враховуються такі основні навантаження:

а) зовнішній надлишковий тиск, який досягає максимальних значень, як правило, на кінцевій стадії експлуатації;

б) внутрішній надлишковий тиск, який досягає найбільших значень у початковій стадії роботи свердловини (освоєння, опресовка колони, цементування);

в) розтягувальна сила від власної ваги.

10.6 Принципи розрахунку обсадних колон на міцність

Максимальних значень основні навантаження досягають у різний період роботи колони труб, причому найбільші зовнішні надлишкові тиски, як правило, діють на нижню ділянку колони, а найбільші внутрішні - на верхню. Розтягувальна сила найбільша у верхніх перерізах колони. У зв’язку з таким характером дії сил, розрахунок на міцність ведеться таким чином, що колона складається із секцій труб, які відрізняються одна від одної або товщиною стінки, або групою міцності сталі, або тим та іншим одночасно і задовільняє умови міцності в будь-якому перерізі. Тому нижні секції підбирають за зовнішнім надлишковим тиском, а верхні - за внутрішнім надлишковим тиском або розтягувальною силою. Таким чином, розрахунок ведуть додержуючись принципу рівноміцності у всіх перехідних перерізах.

Розглянемо принципи розрахунку експлуатаційної колони, яка працює в складніших умовах, ніж проміжна. Розрахунок складається з таких основних етапів:

а) визначення зовнішніх і внутрішніх надлишкових тисків (побудова епюр);

б) встановлення коефіцієнтів запасу міцності;

в) визначення міцнісних характеристик обсадних труб;

г) підбір труб із встановленими коефіцієнтами запасу міцності.

Інструкцією передбачається графоаналітичний метод розрахунку, тобто побудова епюр зміни надлишкових тисків за даними розрахунків і вибір довжини секцій труб з цих епюр, а також аналітичне визначення довжин секцій з умови міцності від дії розтягувальної сили.

10.6.1 Визначення зовнішніх і внутрішніх надлишкових тисків

Зовнішній надлишковий тиск p_зн , що діє на нижню частину експлуатаційної колони, буде найбільшим на кінцевій стадії роботи свердловини, тобто коли внутрішній тиск у колоні буде мінімальним.

У загальному випадку зовнішній надлишковий тиск визначається як різниця між зовнішнім p_з і внутрішнім p_в тисками, що діють на колону для одного і того ж періоду (закінчення цементування, опресовка колони на герметичність, освоєння свердловини, кінець експлуатації).

p_зн = p_з - p_в . (10.5)

На рисунку 10.6 а наведена схема положення рівнів рідин в експлуатаційній колоні і затрубному просторі на кінцевій (пізній) стадії експлуатації нафтової свердловини. Згідно з цією схемою знаходять значення зовнішніх надлишкових тисків у перехідних перерізах (тобто на глибинах H_тр, H_р, H_пк, H).

Для положення рівнів, показаних на рисунку 10.6 а, зовнішні надлишкові тиски згідно із вказаною інструкцією визначають за такими формулами:

при Z = 0; _зн = 0;

при Z=H_тр; р_зн = _з g H_тр; (10.6)

при Z = H_р; р_зн = _з g H_тр + _гс g (H_P - H_TP); (10.7)

при Z=H_ПК; р_зн=_з g H_TP+_гс g (H_пк - H_TP) - _в g (H_ПК - H_P); (10.8)

при Z =H; р_зн=р_пл - _в g (H - H_P), (10.9)

Рисунок 10.6 – Схеми для визначення зовнішнього (а) та