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

Таким образом, как видно из полученного результата, пер­ форированные отверстия, сделанные на обсадной колонне в зоне фильтра, почти не влияют на величину критической силы. Так, например, при наличии 400 отверстий критическая нагрузка уменьшится всего лишь на 2%. Следовательно, участок колонны, заключенный между сечениями В-В и С-С, можно рассмотреть как стержень без отверстий, работающий на продольный изгиб.

Анализ причин нарушений обсадных колонн в зоне фильтра на основании полученных зависимостей по данным промысловых наблюдений

При исследовании работы фильтра пробкообразующих сква­ жин установили, что обсадная колонна выше фильтра испыты­ вает растяжение, а фильтровая часть колонны-—сжатие.

Так как в процессе воздействия одной и той же осевой на­ грузки напряжение в теле трубы под резьбой в случае сжатия меньше, чем при растяжении, можно сделать вывод, что при коротких фильтрах опасным будет муфтовое соединение, находя­ щееся выше сечения В-В (см. рис. 15). В длинных фильтрах ввиду того, что имеются условия для продольного изгиба фильт­ ровой части колонны и устойчивость колонны с длинными фильтрами на осевые нагрузки по сравнению с короткими филь­ трами невелика, опасной зоной будет середина участка, заклю­ ченного между сечениями В-В и С-С (см. рис. 15).

Таким образом, нарушения обсадной колонны пробкообра­ зующих скважин при коротких фильтрах в основном будут выше фильтра, а при длинных фильтрах — в самой фильтровой части колонны.

Это положение подтверждается промысловыми данными, указанными в работе [57]. В этой работе на основе анализа ра­ боты [53] пробкообразующих скважин с горизонтом КС место­ рождения Бузовны-Маштаги Азербайджанской ССР установ­ лено, что если при длине фильтра 10 м деформация колонны выше фильтра составляет 59% (от общего числа скважин с длиной фильтра 10 м), то при длине фильтра 50 м она состав­ ляет лишь 22,2%.

В случае отсутствия в фильтровой части колонны муфтовых соединений можно приблизительно определить переходную дли­ ну фильтра, от которой при большем ее значении нарушение будет в самой фильтровой части колонны, а при меньшем зна­ чении — выше фильтра.

Для этого нужно приравнять величину страгивающей на­ грузки по формуле Ф. И. Яковлева к величине критической силы. Тогда будем иметь

70

откуда

Таким образом, для обсадных колонн диаметром 168 мм с толщиной стенки 10 мм, группы прочности Д, при длине фильтра больше 10 м, де­ формация в основном будет в самом фильтре, а при длине меньше Юм — выше фильтра.

Ввиду того, что в скважинах месторождения Бузовны-Маш- таги обсадных колонн с длиной фильтра выше 10 м больше, чем с длиной фильтра меньше 10 м, то в большинстве случаев нарушения происходят в самом фильтре (табл. 6).

Промысловые данные показывают, что характер деформаций зависит от местонахождения нарушений. Нарушения в самом фильтре наблюдаются в виде смятия (результат продольного изгиба) и слома, а выше фильтра— в виде отвода (результат разрушения муфтовых соединений) и слома колонн.

Деформация обсадных колонн в зоне фильтра во многом зависит от устойчивости пород призабойной зоны. Основными

71

объектами месторождения Бузовны-Маштаги являются горизон­ ты ПК и КС. Устойчивость пород КС значительно ниже, чем устойчивость пород ПК, поэтому при одних и тех же условиях КС будут разрушаться более интенсивно. Следовательно, чис­ ло выходов из строя скважин с горизонта КС должно быть больше, чем скважин с горизонта ПК (табл. 7).

Проверим результаты теоретических формул на примерах четырех скважин месторождения Бузовны-Маштаги, выходящих из строя вследствие нарушения обсадных колонн в зоне фильтра. Основные данные скважин приведены в табл. 8.

П р и м ер . Скв. 147. В зоне фильтра наружное боковое давление по при­ нятой методике при удельном весе глинистого раствора 1,2 составит (при

полном осушении колонны) (в кгс/см2)

р= 0, l#Yp = 0,1-1878-1,2 = 224,36.

Вэтой зоне обсадная колонна имеет толщину стенки 12 мм. Для труб

Р224,36

Определим осевую нагрузку по формуле (94), пренебрегая влиянием угла падения пласта ввиду малого значения его для данной площади (2—3°). Для породы призабойной зоны в месторождениях Бузовны-Маштаги (состоя­ щей в основном из слабо сцементированных песков), имеем приблизительно

1 — sin 37°

72

Таким образом,получаем, что £См>£стр>£пр.изг, причем, как видно из полученного результата, коэффициент запаса прочности при продольном из­ гибе в два раза меньше единицы. Поэтому нарушение обсадных колонн в скв. 147 происходило в фильтровой части в виде смятия от продольного изгиба.

Для этой скважины интересно определить по теоретической формуле ве­ личину радиуса выработки и сопоставить ее значение с действительными дан­ ными. Из формулы (93) находим

е = а — h tg ^45° — ,

или, подставляя значение а из уравнения (92), получаем

г _ 4 ( т - 1)(0,022 + к»)те

При вышепринятых значениях

4 (5 — 1) (0,022 + 0.422) 11

15-0,4986 = 2,6 м.

(5 — 2)-0,42-2,1 -1,327

Как видно из полученного результата, величина радиуса выработки, под­ считанная по теоретической формуле, очень близка к действительным дан­ ным. Это еще раз доказывает правильность принятой схемы при образова­ нии свода и возникновении осевой нагрузки в зоне фильтра пробкообразую­ щих скважин.

Скв. 1037. Наружное боковое давление по принятой методике (в кгс,см2)

р = 0,1 Ну р = 0,1-1509 -1,2 = 181.

Сминающее давление по формуле АзНИИ для труб диаметром 168 мм толщиной стенки 14 мм, марки Д составляет рсм=500 кгс/см2. При этом коэффициент запаса прочности

73

Критическая сила (в тс)

4 -3 ,142«2-1•10е«2100

= 351.

(700)2

Страгивающая нагрузка в резьбовом соединении по формуле Ф. И. Яков­ лева составляет рстр=195 тс. Следовательно, коэффициенты запаса прочно­ сти составляют

запаса прочности при растяжении в резьбовом соединении меньше единицы. Поэтому нарушение обсадных колонн в скв. 1037 произошло выше фильтра (в муфтовом соединении) в виде отвода колонн.

Аналогичным образом произведен расчет и для скв. 994 и 193, а все расчетные данные сведены в табл. 9.

Из табл. 9 видно, что причиной нарушения обсадных колонн в зоне фильтра пробкообразующих скважин во всех случаях является воздействие осевой нагрузки.

Сминающее давление у 114-мм труб, подготовленных из стали группы прочности Д с толщиной стенки 9 мм, по формуле АзНИИ равно 515 кгс/см2 (при овальности 0,01). Для труб диаметром 168 мм с такой же толщиной стенки и из той же стали это давление составляет 305 кгс/см2.

Если считать, что фильтровая часть колонн деформируется от воздействия бокового сминающего давления, то, несомненно, число деформаций 168-мм колонн должно быть больше, чем у колонн диаметром 114 мм, так как у труб диаметром 168 мм сминающее давление в 1,69 раза меньше, чем у 114-мм труб.

Промысловые данные по деформациям обсадных колонн в зоне фильтра в зависимости от диаметра фильтра по месторож­ дению Бузовны-Маштаги, приведенные в табл. 10, не подтверж­ дают этого. Наоборот, число деформаций у колонн диаметром 114 мм больше, чем у 168-мм колонн. Такое положение подтвер­

74

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ НА РАБОТУ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ПРИ ОСВОЕНИИ

И ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН

При анализе аварий с обсадными колоннами привлекают внимание аварии с нарушением герметичности эксплуатацион­ ных колонн в процессе освоения и эксплуатации скважин. Изу­ чение показывает, что герметичность колонн нарушается в ре­ зультате разрыва трубы в теле по образующей, слома колонны и неплотности резьбовых соединений.

Работа эксплуатационной колонны в период освоения и экс­ плуатации скважины связана с созданием в колонне значитель­ ных внутренних давлений (при освоении), а также с возникно­ вением дополнительных температурных сил. Анализ показывает, что эти силы, действуя на эксплуатационную колонну, в неко­ торых случаях могут привести к нарушению герметичности колонн.

Вусловиях работы эксплуатационной колонны при освоении

иэксплуатации скважины внутреннее давление приводит не только к нормальным тангенциальным и радиальным напряже­ ниям, возникающим в теле трубы и определяемым по формуле Ляме, но и к напряжениям в осевом направлении.

Осевое напряжение возникает в теле трубы эксплуатацион­

ной колонны и от изменения теплового режима в скважине. С увеличением глубины скважин повышается температура пород в соответствии с геотермическим градиентом. В некоторых про­ буренных скважинах температура забоя достигает 130—150° С

ивыше.

Сповышением температуры пород изменяется и тепловой

режим в колоннах обсадных труб при освоении и эксплуатации скважин. Так, в процессе фонтанной эксплуатации жидкость и газ, имеющие высокую температуру, нагревают обсадную ко­ лонну и ввиду того, что последняя закреплена на устье и у цементного камня и возможность перемещения концов колонны исключена, возникает осевая сжимающая сила, которая в от­ дельных случаях может привести к потере устойчивости колонны на некотором участке выше цементного кольца.

Обратное явление, происходит в нагнетательных скважинах. Здесь в результате закачки воды в пласт обсадная колонна охлаждается и в трубах ее возникает дополнительная осевая

76

растягивающая сила, которая в отдельных моментах может вызвать слом колонны или срыв муфтовых соединений.

Нарушение герметичности эксплуатационных колонн вслед­ ствие неплотности резьбовых соединений, как показывает ана­ лиз промысловых материалов, происходит в основном в газовых и газоконденсатных скважинах. Причем, на практике установ­ лено, что после нарушения герметичности колонн в этих сква­ жинах в большинстве случаев начинается газопроявление за колонной с последующим образованием грифона вокруг устья. Поэтому обеспечение плотности резьбовых соединений эксплуа­ тационной колонны в газовых и газоконденсатных скважинах имеет первостепенное значение.

Опыты показывают, что неплотность резьбовых соединений вызывается отсутствием качественной смазки соединительных концов и неправильным выбором величины крутящего момента свинчивания.

Нарушения плотности резьбовых соединений еще быстрее могут происходить в условиях искривления колонны в результате продольного ее изгиба.

ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННЕГО И НАРУЖНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

В процессе освоения и эксплуатации скважины, независимо от ее назначения, незацементированная часть эксплуатацион­ ной колонны испытывает воздействие гидростатического давле­ ния жидкости внутри и снаружи колонны, а также внутреннего рабочего давления.

На практике удельный вес жидкости, находящейся внутри колонны, всегда меньше удельного веса жидкости, находящейся за колонной.

Таким образом, при освоении и эксплуатации скважины на незацементированную часть колонны от внутреннего и наруж­

меняется в зависимости от глубины скважины, причем на забое ее величина будет максимальной. Кроме того, при прочих рав­ ных условиях сопротивляемость обсадных труб наружному дав­ лению ниже, чем внутреннему, поэтому на практике основную нагрузку для нижних секций колонн принимают наружной, а секции рассчитывают на смятие. Для верхних секций основной нагрузкой является осевая растягивающая сила от собственного

77

веса колонны,, и поэтому рассчитывают на страгивапие резьбо­ вые соединения.

Когда внутреннее давление имеет значительные величины, то в этом случае для верхних секций колонны избыточным дав­ лением является внутреннее и, как правило, эти секции прове­ ряются еще на внутреннее давление.

На практике в нагнетательных и фонтанирующих нефтяных и газовых скважинах, а также в процессе производства работ по капитальному ремонту колонн, при гидроразрыве для незацементированной части колонны избыточным давлением яв­ ляется внутреннее. Величину внутреннего давления можно опре­ делить следующим образом:

а также от характера работ, производимых в колонне в случае капитального ремонта, гидроразрыва, величины избыточных давлений, определяемых по формуле (НО), будут различны. Так, в газовых скважинах обычно величину рабочего давления принимают равной пластовому и пренебрегают влиянием ув ввиду незначительной величины плотности газа. Тогда будем иметь

В нагнетательных скважинах, а также при капитальном ре­ монте, гидроразрыве величина рабочего давления будет равна давлению, создаваемому на устье скважины для проведения в колонне этих работ.

Исследование показывает, что под действием внутреннего' рабочего и наружного избыточного гидростатического давлений в теле трубы эксплуатационной колонны возникают тангенци­ альные, радиальные и осевые нормальные напряжения.

Определим величины этих напряжений. Введем обозначения: ot, оу, Oz — тангенциальное, радиальное, осевое нормальные на­ пряжения в кгс/см2; Е, ц — упругие константы материала трубы; Ь, а — наружный и внутренний радиусы трубы в см; D, d — наружный и внутренний диаметры трубы в см; / —длина незацементированной части участка эксплуатационной колонны в м; б — толщина стенки трубы в см; рн— наружное избыточноегидростатическое давление в кгс/см2.

Формула Ляме дает возможность определить величину тан­ генциальных и радиальных напряжений в теле трубы от равно­ мерного внутреннего и наружного давлений.

Практически считают, что для инженерных расчетов в длин­ ных трубах величину гидростатического давления, изменяюще­ гося по прямолинейному закону по длине трубы в виде тре­ угольника, можно принять постоянной, равной половине макси­ мального значения этого давления. Исходя из этого, для экс­

78

плуатационной колонны величина равномерного наружного избыточного гидростатического давления жидкости будет

На поверхности трубы радиусом р величины тангенциальных и радиальных напряжений определяются по формуле Ляме

Так как наибольшие напряжения будут на внутренней по­ верхности трубы при р= а, то

Приведенное напряжение по третьей теории прочности будет

2Ь2

Ь2 — а2 (Р — Р«\

или, учитывая (112), получим

Формула (115) позволяет определить величину внутреннего давления, которую могут выдержать трубы в условиях воздей­ ствия на них внутреннего рабочего и наружного избыточного гидростатического давления. Для этого нужно аПр заменить пределом текучести материала os. Тогда будем иметь

Практика показывает, что внутреннее рабочее давление в колонне при различных периодах освоения и эксплуатации скважины, а также в процессе различных работ, проводимых в колонне, всегда ниже внутреннего давления, которое могут вы­ держать трубы обсадной колонны, подсчитанные по формуле (116). Поэтому тангенциальные и радиальные напряжения, воз­ никающие в теле трубы от внутреннего рабочего и наружного избыточного гидростатического давлений, не могут привести к разрушению труб в виде разрыва по образующей, который ха­ рактерен для разрушений от внутреннего давления.

Имеющиеся на практике случаи разрыва труб в скважине по образующей объясняются попаданием в скважину дефектных труб заводского происхождения, которые обычно дают трещину при намного меньших внутренних давлениях, чем должны вы­ держивать годные трубы данной марки стали. Причиной по­ падания в скважину дефектных труб является применение на трубопрокатных заводах и трубных базах низких опрессовочных внутренних давлений, которые в некоторых случаях недостаточ­

79