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

Как видно из полученных результатов, коэффициенты запаса прочности удовлетворительны. Таким образом, для рассматриваемой колонны сила на­ тяжения при обвязке колонны должна быть принята равной 112 тс.

Определение допускаемого внутреннего давления

вобсадной колонне

Вслучае, когда натяжение колонны производили силой, большей или равной весу незацементированной части ее, вели­ чину допускаемого внутреннего давления для одноразмерной

110

конструкции обсадной колонны можно определить, исходя из прочности труб и резьбовых соединений. Тогда из выражений (182) и (183) будем иметь

колонне в случае закачки воды в скважину при условии: глубина скважины L= 4500 м; высота подъема цемента за колонной h= 700 м; удельный вес глинистого раствора за колонной Yh= 1,3 гс/см3; сила натяжения QH=190 тс;

Обсадная колонна составлена из пяти секций (табл. 12). Группа прочности труб Е (5500 кгс/см2). Счет секций ведется снизу вверх.

Т а б л и ц а 12

Вес незацементированной части колонны составляет 177,8 тс. Следова­ тельно, Qn>Q , что дает возможность определить величину допускаемого

внутреннего давления по формуле (185). Определим значение F (в см2)

Так как происходит охлаждение, то величина Pt будет отрицательная. Допускаемое давление определим при коэффициентах запаса прочности

на внутреннее давление, равных 2, а для резьбовых соединений на страгивание— 1,3. Тогда для V секции (в кгс/см2)

280000

—3 — 190000 — 17275 + 0,0235-3800 (16,82- 1,3 — 14,42- 1)

= 249;

0,47.14,42

111

5500

Следовательно, для 111 секции допускаемая величина р равна 396 кгс/см2. Дальнейший расчет по определению допускаемого внутреннего давления для II секции не ведется, поскольку, как видно в табл. И, в этой секции величины Qctp-доп, Q и /0 большем, чем в III секции, что дает большее зна­

чение р по сравнению с полученными выше.

Таким образом, сравнивая полученные величины давлений, замечаем, что наименьшая величина равна 171 кгс/см2, она следовательно, и является до­ пустимым давлением для рассматриваемой обсадной колонны.

В руководстве [68] даны расчетные формулы для двухраз­ мерной конструкции обсадной колонны. Однако эти формулы настолько громоздки и требуют большого объема вычислитель­ ных работ, что вряд ли есть смысл производить такие расчеты. Для двухразмерной конструкции колонны нужно производить, такие же расчеты, как и для одноразмерной конструкции колон­ ны. Только в этом случае в расчетах надо принять усреднен­ ное значение наружного диаметра. Так, например, если обсад­ ная колонна составлена из труб диаметром 168 и 146 мм и спу­ щена на глубину 4000 м соответственно длиной 1700 и 2300 м„ то расчетный наружный диаметр в мм

112

рвется, и повторно использовать пакер-испытатель невозможно. Предлагаемое авторами устройство для испытания обсадных колонн на герметичность устраняет указанные выше недостатки

пакера-испытателя.

Устройство (рис. 29) состоит из следующих основных дета­ лей: корпуса, резиновой манжеты, распора, опорной гайки, пру­ жины, направляющей втулки и клапана.

Корпус 1 на нижнем конце имеет метрическую резьбу, кото­ рая соединяется с такой же резьбой на опорной гайке 11. Опор­

направляющей втулке 2 через окно корпуса при помощи рас­ порного болта 6 и имеет возможность перемещаться по на­ ружной поверхности корпуса совместно с втулкой.

Клапан 3 установлен внутри втулки при помощи винта 4. Когда над клапаном создается давление, втулка совместно с распором перемещается вниз, манжета распирается и прижима­ ется к стенке испытуемой колонны. В этот момент пружина 9 сжимается буртом втулки. При снятии давления пружина при­ нимает первоначальное положение и одновременно поднимает втулку вместе с распором вверх. После этого резиновая ман­ жета с помощью плоских пружин принимает свою первона­ чальную форму.

Для создания необходимого уплотнения на выточку втулки и клапана вложены резиновые кольца.

Проверка обсадных колонн на герметичность этим устрой­ ством протекает следующим образом (рис. 30). Устройство 1 при помощи насосно-компрессорной колонны 2 спускается в ис­ пытуемую обсадную колонну Зу его можно спускать и на бу­ рильной колонне. Затем внутри насосно-компрессорной колон­ ны при помощи насоса 6 создается давление; открывают вен­ тиль 4, при этом в результате закрытия клапана направляю­

114

СМЯТИЕ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН

После спуска обсадной колонны в скважину и цементиров­ ки, одной из основных нагрузок, действующих на колонну в период эксплуатации, является наружное боковое давление, оказываемое окружающей средой. В зависимости от величины этого давления и исходя из сопротивляемости обсадных труб смятию, рассчитывается нижняя часть эксплуатационной ко­ лонны.

Обеспечение прочности нижней части обсадной колонны с минимальной затратой металла в большой степени зависит от правильного определения величины как наружного бокового, так и сминающего давления для выбранных труб данной ко­ лонны.

Однако существующие методы расчета обсадных колонн на смятие не всегда обеспечивают безаварийную работу колонны при эксплуатации от наружного бокового давления окружаю­ щей среды. В промысловой практике часты случаи, когда об­ садная колонна, рассчитанная на смятие с большим запасом прочности, после длительного времени эксплуатации деформи­ руется в виде смятия. Причем, смятие эксплуатационных ко­ лонн наблюдается как в зацементированной части ее (выше фильтра), так и выше цементного столба, где за колонной окружающей средой является глинистый раствор.

В работе [58] приводятся результаты анализа большого промыслового материала по смятиям эксплуатационных ко­ лонн в НГДУ Карадагнефть Аз. ССР, происшедшим в 1960— 1963 гг. Авторами установлено, что из 83 случаев смятия колонн 38 приходятся на участок выше цементного столба, а 45 — на зацементированную часть колонны. Причем, 80 случаев

Смятие обсадных колонн в этих скважинах происходило после длительного времени эксплуатации скважин (10—20 лет).

По мнению авторов, главной причиной смятия колонны яв­ ляется наличие в разрезах скважин пластов глин, напряжен­ ное состояние которых со временем значительно изменяется, что приводит к увеличению горного давления на колонну в этой

116

зоне. Не менее важное значение имеет влияние коррозийного фактора на прочность колонны.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАРУЖНОГО ДАВЛЕНИЯ

Вопрос определения величины наружного давления оконча­ тельно не решен несмотря на то, что ему посвящено много ис­ следований [41, 60, 70].

Обсадная колонна по стволу скважины подвергается различ­ ному воздействию наружного давления. Если участок колонны выше уровня цементного камня находится под давлением гли­ нистого раствора, то зацементированный участок колонны на­ ходится под давлением горных пород, воздействующих через цементную оболочку. Считается, что для участка колонны с глинистым раствором давление на колонну действует по гидро­ статическому закону столба жидкости, я поэтому расчетное на­ ружное давление для него должно определяться по формуле

и нефти в гс/см3; г — глубина, на которой определяется давле­ ние, в м; Н — уровень жидкости (нефти) в колонне в м; L — глубина скважины в м.

Определение величины наружного давления для зацементи­ рованной части колонны очень сложно. Предложенные разными авторами расчетные формулы по определению величины наруж­ ного давления для зацементированной части колонны вследст­ вие ряда допущений имеют приближенный характер.

Одной из попыток определения величины наружного давле­ ния для зацементированной части колонны является исполь­ зование метода по определению давления пород на крепь вертикальной выработки, где порода принимается за сыпучее

Другой прием определения наружного давления для заце­ ментированной части колонны основывается на методе опреде­ ления давления на крепь вертикальной выработки для случая

117

упругих пород. Расчетная формула при этом методе имеет сле­ дующий вид [28]:

коэффициентом Пуассона.

Развитие этого метода получило в работах ряда авторов, в которых давление на крепь вертикальной выработки определя­ лось с допущением, что выработка заполнена тяжелой жид­ костью и с учетом податливости крепи.

Г. С. Саркисов указывает, что как первый, так и второй методы не приемлемы для определения наружного давления за­ цементированной части колонны.

В первом случае обсадную колонну и окружающие ее поро­ ды нельзя отождествлять <с подпорной стенкой и засыпкой, так как подпорная стена действительно поддерживает засыпку, в то время как породы вокруг колонны находятся в равновесии

щая подпорным стенкам небольшой высоты, может быть реко­ мендована для нефтяных скважин, имеющих большую глубину.

Во втором случае ох соответствует боковому давлению по­ род в ненарушенном массиве. Но при проходке скважины вок­ руг ствола ее образуется зона перераспределения напряжений и это обстоятельство приводит к невосстановлению первона­ чального значения бокового давления, определяемого по фор­ муле (188), даже после крепления стенки скважины обсадными трубами.

Принимая во внимание эти обстоятельства и исходя из ус­ ловия строительства и эксплуатации скважин, Г. М. Саркисов предлагает новую методику определения наружного давления для зацементированного участка колонны.

Метод расчета обсадных колонн на наружное давление, предлагаемый Г. М. Саркисовым [70], исходит из анализа взаи­ мосвязи между наружным и внутренним давлениями, действую­ щими на колонну в различные периоды строительства и эксплуатации скважин. Рассматривая систему как составной

118

Причем в общем случае, когда в обсадной колонне остается некоторый столб жидкости с плотностью ун» величины р\, р2, и рс определяются следующими формулами:

Pi = yph + ya (z— hy,

некоторые упрощения, Г. М. Саркисов находит величину рас­ четного наружного давления в окончательном виде

Ррас = 1Та — «(То — Тн)12— (1— к)(Тц— Тр)/1 —

Как видно из формулы (189), при определении расчетного давления устанавливается взаимосвязь между величинами на­ ружного и внутреннего давлений, причем со снижением внут­ реннего давления величина наружного уменьшается. Автор от­ мечает, что уменьшение наружного давления продолжается до тех пор, пока его величина не дойдет до гидростатического. Дальнейшее снижение внутреннего давления в колонне не влияет на величину давления, действующего на наружную поверхность цементной оболочки, так как это давление является гидроста­ тическим, имеющим источник-резервуар, практически неогра­ ниченной емкости.

Значение го, при котором наружное давление равно гидро­

где Yb— удельный вес воды в гс/см3.

Таким образом, для сечений, расположенных ниже уровня

119