книги из ГПНТБ / Мамедов, А. А. Нарушения обсадных колонн при освоении и эксплуатации скважин и способы их предотвращения

П о д ст а в л я я р езул ь таты в в ы р а ж ен и е (1 6 7 ) и учи ты вая , что

nS — l, п о л у ч а ем

Разложим нормальное давление на два направления: парал­ лельно оси и радиально. Обозначив через qn радиальную со­ ставляющую, будем иметь

<?„ = />„ СОS(“ + P)

Под действием давления qn труба радиально сжимается. Чтобы иметь возможность применить формулу Мариотта, опре­ деляющую напряжение в меридиональном сечении, определим среднее радиальное давление по всей длине нарезанной части трубы и приложим его к такой же длине гладкой поверхности трубы, как это сделано в работе [4], получим

Формула (172) позволяет определить напряжение в мери­ диональном сечении резьбовых соединений обсадных труб на

100

основе схемы, полученной при эксперименте. Для сравнения ре­ зультатов формулы (172) с формулой, выведенной в работе [4], построена графическая зависимость между изгибающим мо­ ментом и напряжением в меридиональном сечении (рис. 26).

ные по формуле (172), в среднем на 19% меньше, чем напря­

новится равным нулю, остаются два напряжения. Растягиваю­ щие нормальные и сжимающие тангенциальные напряжения в опасном сечении трубы под действием осевой растягивающей нагрузки определяются по следующим формулам:

ствий осевой силы и изгибающего момента возникают два на­ пряжения:

101

б) сжимающие тангенциальные

Исходя из третьей теории прочности и полагая, что опасное состояние по первой нитке резьбы дойдет до предела пропор­ циональности материала трубы, получаем

D

изгибающим моментом и разрушающей силой для резьбовых соединений обсадных труб диаметром 168 мм с толщиной стен­ ки 10 мм из группы прочности Д, подсчитанных по фор­ муле (173).

Как видно из графика, при действии изгибающего момента заметно уменьшается сопротивляемость резьбы страгиванию от действия растягивающей осевой силы.

При значении М = 0 формула (173) превращается в форму­ лу Ф. И. Яковлева, применяемую в настоящее время для расче­ та резьбовых соединений обсадных труб на прочность при дей­ ствии осевой растягивающей силы.

НЕКОТОРЫЕ ПРОМЫСЛОВЫЕ ДАННЫЕ И ПРОВЕРКА РАСЧЕТНЫХ ФОРМУЛ

При изучении аварийности обсадных эксплуатационных ко­ лонн в газовых и газоконденсатных скважинах Азербайджана нами были обнаружены 24 случая нарушения герметичности

102

колонн в процессе освоения и эксплуатации, происшедшие в последние годы [48]. Установлено, что нарушения герметично­

лонн: кондуктора диаметром 375—426 мм, промежуточной ко­ лонны диаметром 219—299 мм и эксплуатационной колонны диаметром 146—168 мм. Длина колонн колебалась в интерва­

скважинах цементный раствор поднимали до башмака проме­ жуточной колонны.

Во всех скважинах эксплуатационные колонны после це­ ментировки проверяли на герметичность методом создания внутреннего давления. Величина опрессовочных давлений со­ ставляла 80—150 кгс/см2.

лено, что нарушения эксплуатационных колонн произошли в ре­ зультате разрыва тела трубы по образующей (пять случаев), неплотности резьбового соединения (17 случаев) и слома ко­ лонны (два случая).

При анализе причин нарушения герметичности колонн в этих скважинах на себя обращают внимание следующие моменты:

1)нарушения, связанные с разрывом тела трубы, произошли при внутренних давлениях намного ниже по сравнению с кри­ тическими давлениями для материала и размера этих труб;

2)нарушения, связанные с неплотностью резьбовых соедине­ ний колонны, были обнаружены после того, как начались га­

зопроявления между эксплуатационной и промежуточной ко­ лоннами с последующим образованием грифона вокруг устья скважины;

3) слом колонны произошел в тех скважинах, где при дли­ тельной эксплуатации и при неоднократном процессе освоения были проведены ремонтные работы в колонне и закачка воды в пласт.

Первое обстоятельство нарушения эксплуатационных колонн позволяет сделать вывод о том, что причиной разрыва тела трубы по образующей в случае незначительных внутренних давлений является попадание в скважину дефектных труб, где применяемая низкая величина опрессовочных давлений на днев­ ной поверхности (200 кгс/см2) не позволяла выявить дефекты заводского происхождения до спуска их в скважину.

103

Второе и третье обстоятельства нарушений герметичности колонн показывают, что наиболее вероятной причиной наруше­ ния плотности резьбового соединения и слома колонны явля­ ется воздействие на колонну дополнительных осевых сил, воз­ никающих в результате изменения теплового режима в скважи­ не и от внутреннего рабочего и наружного избыточного гидро­ статического давлений, а также применения некачественных смазок для резьбовых соединений.

Как отмечено выше, нарушения герметичности эксплуатаци­ онных колонн, связанные с неплотностью резьбовых соединений, произошли вследствие возникновения грифона вокруг устья скважин. Характерно, что в этих скважинах выброс глинистого раствора за эксплуатационной колонной и породы в результа­ те грифона в отдельных случаях доходил до 3—12 метров.

Аналогичные явления нарушения герметичности эксплуа­ тационной колонны после выброса глинистого раствора из затрубного пространства (между эксплуатационной и промежу­ точной колоннами) произошли и в скважинах объединений Грознефть и Ставропольнефтегаз [39].

Величины осевых сил, действующих на эксплуатационную колонну в случае выброса глинистого раствора из затрубного пространства, в зависимости от положения оси колонны будут различны. Если полагать, что в результате выброса глинистого

Кроме этих осевых сил, незацементированная часть эксплуа­ тационной колонны испытывает еще дополнительно осевую си­ лу от изменения теплового режима в скважине, определяемую по формуле (138).

Из формул (174) и (175) видно, что наиболее опасным в случае отсутствия искривленных участков колонны является охлаждение ее, т. е. когда Pt имеет положительный знак, а

104

Во втором случае колонна будет подвергаться продольному изгибу со сжимающей силой

Изгибающий момент искривленных участков колонны

M = (Pt + P,)f,

где / — прогиб колонны.

Отметим, что при выбросе глинистого раствора для безава­ рийной работы эксплуатационной колонны второй случай, т. е. когда имеются искривленные участки в колонне и она подвер­ гается продольному изгибу, является более опасным, так как муфтовое соединение, подвергнутое изгибу, быстро становится негерметичным.

Анализ работы нарушенных колонн в результате неплотности резьбового соединения с последующим выбросом глинистого раствора из затрубного пространства показывает, что в этих скважинах происходил нагрев труб при эксплуатации и на колонну действовала сжимающая осевая сила, определяе­ мая по формуле (177).

П р им ер . Рассчитаем величину Р сж для скв. 97 Седьмого промысла НГДУ Карадагнефть, где произошло нарушение герметичности колонны в

105

температуре газа у устья соседних эксплуатационных скважин по данной

Определим величину P t (в кгс), по формуле (138)

Определим прогиб колонны f. В этой скважине промежуточная колонна со­ ставлена из труб диаметром 299 мм. При толщине стенки 10 мм внутренний диаметр колонны составит 279 мм. Тогда

он был достаточен для нарушения плотности резьбовых соединений в скв. 97.

Как видно из расчета, наличие искривленных участков в ко­ лонне действительно способствует нарушению плотности резь­ бовых соединений с последующим образованием грифона во­ круг устья в газовых скважинах и в некоторых случаях приво­ дит к выходу ее из строя.

Причину слома колонны, происшедшего в двух скважинах, видимо, следует объяснить воздействием на колонну дополни­ тельных осевых растягивающих нагрузок, а также возможным попаданием в скважину дефектных труб, повреждением трубы во время капитальных ремонтов и других работ в колонне с инструментами, влиянием коррозии и т. п.

РАСЧЕТ НАТЯЖЕНИЯ И ДОПУСКАЕМОГО ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ В ОБСАДНЫХ КОЛОННАХ

Изменение условий работы эксплуатационной колонны, свя­ занное с влиянием температуры и давления, приводит к изме­ нению напряженного состояния колонны. Устранение влияния нагрева и давления можно достичь натяжением колонны. На­ тяжение должно исключить возможность искривления колонны в результате потери устойчивости от осевых сил, возникающих под влиянием температуры и давления. Величина сил натяже­ ния должна учитываться при расчете обсадной колонны на прочность.

106

Другим вопросом, связанным с работой эксплуатационных колонн, является определение допускаемого внутреннего давле­ ния. Для проведения ряда ремонтных (изоляционных) работ, гидроразрыва и других требуется создание значительного избы­ точного давления в колонне. Так как внутреннее давление в ко­

С целью предупреждения нарушений эксплуатационных ко­ лонн, связанных с воздействием на колонну температуры и дав­ ления, а также для обеспечения нормальной работы разработа­ но руководство по расчету натяжения и допускаемого внутрен­ него давления в обсадных колоннах [68].

Расчет натяжения колонны

1. Обсадная колонна в процессе эксплуатации не подверга­ ется нагреву (или охлаждению) и воздействию внутреннего из­ быточного давления или условия работы ее (давление, темпера­ тура) неизвестны.

Величина силы натяжения колонны в этих случаях должна

где QH— сила натяжения; Q — вес незацементированной части колонны.

При натяжении колонны должно сохраняться условие проч­ ности, которое выразится в следующем виде:

ходя из веса незацементированной части колонны и осевых сил,

(138). Расчеты показывают, что величина критической длины искривленной части колонны /кр, входящая в формулу (126), незначительно влияет на общее напряженное состояние колон­ ны и для инженерных расчетов ее влиянием можно пренебречь. Тогда условие для определения величины силы натяжения, после некоторого преобразования формулы (126), представится в следующем виде

107

{lu h — длины секций обсадной колонны; Fu F2— площади се­

внутренний и наружный диаметры колонны в см; / — длина не-

Определив QH, необходимо проверить прочность колонны из условий работы скважины в процессе освоения и эксплуатации.

где Р — осевая сила, возникающая в колонне в результате воз­ действия внутреннего избыточного, внешнего и внутреннего гидростатического давлений жидкости, определяемых по форму­ ле (122), которая после некоторых преобразований примет вид

ния в м; du — внутренний диаметр трубы, рассматриваемой сек­ ции в см; [а] — допускаемое напряжение для трубы в кгс/см2.

Условия прочности (182) действительны для соединений, расположенных в любой секции колонны. Так, например, для соединения, расположенного у устья скважины, условия проч­ ности

108

2pD2 < И-

D%~ dl

Проверка прочности должна производиться для наиболее на­ груженных секций колонны. Если проверка прочности колонны для условий эксплуатации окажется удовлетворительной, сле­ дует проверить также напряженное состояние колонны в про­ цессе освоения скважины.

В этом случае возможно повышение напряжения в трубах колонны вследствие охлаждения и создаваемого внутреннего давления. Условия прочности колонны в процессе освоения бу­ дут такие же, как и при эксплуатации, определяемые по фор­ муле (182). Здесь Pt и Р определяются из выражений (181) и (183) применительно к процессу освоения скважины. В частно­ сти, величина осевой силы Ри возникающей в колонне при охлаждении, будет отрицательна. Если, исходя из работы сква­ жины при эксплуатации и освоении, условия прочности (182) не соблюдаются, то следует при проектировании колонны или увеличить прочность труб, или уменьшить вес незацементированной части колонны, т. е. увеличить высоту цементного стол­ ба за колонной.

109