1. Виды нагружения от.

Расчет обсадной эксплуатационной колонны сводится к определению расчетных нагрузок и их распределения по длине колонны, выявлению наиболее опасной из расчетных нагрузок в рассматриваемом сечении колонны и к подбору труб, соответствующих «данным значениям коэффициента запаса прочности, для комплектования секций обсадной колонны.

Условия нагружения обсадной колонны зависят от глубины ее спуска, сложности строения геологического разреза, назначения скважины и назначения колонны.

Поскольку условия нагружения обсадной колонны в скважине весьма разнообразны, инструкцией регламентированы правила определения расчетных нагрузок.

При расчетах обсадных колонн, спущенных в нефтяную добывающую скважину, наиболее часто применяется схема I (рис.10.2), для разведочных нефтяных скважин обсадные колонны рассчитывают с использованием схемы II, а для газовых скважин - схема III.

Значение внутренних давлений максимально в период ввода скважины в эксплуатацию или при опрессовке колонны (позиции А расчетных схем). Наружные избыточные давления, главным образом, проявляются на стадии окончания эксплуатации скважины (позиции Б расчетных схем). За счет этих давлений может произойти разрыв колонны или ее смятие.

Кроме того, на рис. 10.2 точка а, б, в, г - это характерные точки, в которых определяют избыточные наружные давления на стадии окончания эксплуатации, а точки a', б', в' - характерные точки, в которых находят внутренние избыточные давления при испытании колонны на герметичность или при вводе в эксплуатацию.

Рис. 10.2. Расчетные схемы при проектировании обсадной колонны для скважин добывающей нефтяной (I). разведочной (II) и добывающей газовой (III): А, Б - в исходном состоянии и на завершающем этапе соответственно, I - буровой раствор за колонной; 2 - цементный раствор-камень; 3 жидкость в колонне; 4 - газ в колонне

Выделяются три расчетные нагрузки:

1. Наружное избыточное давление смятия.

Наружное избыточное давление на обсадную колонну определяется как разность между наружным и внутренним давлениями

при их наиболее неблагоприятном сочетании, т.е. в тех условиях, когда одновременно наружное давление достигает максимальной величины, а внутреннее - минимальной.

Прежде чем приступить к расчету наружного давления и построению эпюры его распределения по колонне, необходимо проанализировать положение колонны и особенности геологического разреза в открытом стволе, перекрываемом данной колонной и выделить характерные интервалы и отметки глубины. Таковыми являются отметки высоты подъема цемента за колонной и глубины спуска предыдущей обсадной колонны, интервалы пластов с АВПД, интервалы залегания высокопластичных пород (например, соленосная толща). Затем приступают к расчету наружного давления.

В соответствии с требованиями инструкции, оно рассчитывается по следующим правилам: в зацементированном интервале (в интервале, перекрытом предыдущей обсадной колонной, или в открытом стволе при отсутствии зон АВПД и высокопластичных пород) по плотности жидкости за колонной

,

(z - координата глубины по вертикали, м; g - ускорение силы тяжести, м/ );

при цементировании на момент окончания продавливания цементного раствора наружное давление рассчитывают по высоте столба жидкостей за колонной с учетом их плотностей)

(h - глубина до цемента за колонной; - плотность цементного раствора), но при этом значение наружного давления в любом случае не может быть ниже давления столба минерализованной воды с плотностью 1100 кг/ ;

в зацементированной части колонны после ОЗЦ по плотности минерализованной воды =1100 кг/м3;

в интервале, перекрытом предыдущей колонной, в зацементированной зоне наружное давление после ОЗЦ определяется по гидростатическому давлению составного столба жидкости (до цемента по плотности жидкости за колонной и ниже по плотности минерализованной моды или по фактической плотности жидкости затворения цементного раствора)

при наличии за колонной интервалов с АВПД наружное давление принимается равным пластовому ,причем пластовое давление в пластах толщиной до 200 м принимают постоянным:

( и - пластовое давление соответственно в кровле и подошве пласта), а в пластах толщиной свыше 200 м распределение давления между кровлей и подошвой принимают по линейному закону. Интервал действия пластового давления распространяют за пределы подошвы и кровли пласта на 50 м;

в интервале залегания склонных к пластическим деформациям горных пород наружное давление рассчитывают по средней плотности горных пород в массиве :

и это давление распространяют на 50 м по обе стороны за пределы интервала.

По давлению в характерных точках и интервалах строится эпюра наружного давления. В промежутках между пластами с АВПД и зонами высокопластичных пород изменение наружного давления принимается по линейному закону.

При определении наружного избыточного давления внутреннее давление в колонне рассчитывают по давлению столба жидкости в скважине при самом низком положении ее уровня:

где - уровень жидкости в скважине.

В газовой скважине за внутреннее давление принимают наименьшее устьевое и забойное давления в момент завершения эксплуатации, причем его распределение по колонне между забоем и устьем считают линейным.

В благоприятных геологических условиях (коэффициент аномальности пластового давления ≤1,1, отсутствие в разрезе высокопластичных пород) при расчете эксплуатационных колонн в зацементированной зоне должно учитываться разгружающее действие цементного кольца. Наружное избыточное давление в таком случае определяется по формуле

где h - глубина до уровня цемента в скважине за колонной; ρж, ρб.р - плотность соответственно в колонне и бурового раствора за колонной; k - коэффициент разгрузки.

Значения коэффициента разгрузки k приведены ниже.

Диаметр обсадной колонны, мм	114,3-177,8	193,7-244,5	273,0-323,7	≥340
Значения коэффициента k	0,25	0,30	0,35	0,40

Коэффициент запаса прочности при расчете на наружное избыточное давление:

для интервала продуктивного пласта =1÷1,3;

для остальной части =1

При выборе труб критическое давление смятия должно быть скорректировано для всех секций, начиная со второй снизу, по формуле

где Р - растягивающая нагрузка от веса расположенных ниже труб (без учета архимедовых сил); - осевая нагрузка растяжения, при которой напряжения в теле трубы достигают предела текучести.