книги из ГПНТБ / Элияшевский, И. В. Типовые задачи и расчеты в бурении учеб. пособие

где D H— наружный диаметр обсадной колонны в м.

Vx= 0,785 • 0,2192 •2000 = 75,3 м3.

Определяем вес вытесняемого объема глинистого раствора

где Угл.р — плотность глинистого раствора в т/м3.

Qt = 75,3-1,25 = 94 т.

Определяем разгрузку обсадной колонны

Qx—(?2 = 101,2 — 94 = 7,2 т.

Задача 198. Определить разгрузку обсадной колонны диамет­ ром 146 мм с толщиной стенки 10 мм, спускаемой в скважину глу­ биной 3000 м без обратного клапана. Плотность глинистого раствора в скважине 1,4 т/м3.

Решение. Определяем вес обсадной колонны (в воздухе)

Q1 = £Jq = 3000• 34,4 = 103 200 кг = 103,2 т.

Определяем вес обсадной колонны в глинистом растворе

где ум — плотность материала труб в т/м3.

^ = 103'2 ( , - w ) = 84'5 т-

Определяем, на сколько разгрузилась обсадная колонна,

= 103,2-84,5 = 18,7 т.

Задача 199. Определить допустимое снижение веса обсадной ко­ лонны диаметром 219 мм, предупреждающее продольный изгиб нижней части колонны, если толщина стенки труб 9,5 мм, а башмак колонны установлен в твердых породах.

Решение. Определяем предельную длину части колонны, кото­ рая может вызвать продольный изгиб,

4itfEI

д

где Е — модуль упругости в кгс/см2; I — момент инерции сечения трубы в см4.

/ = - ^ ( Д 4„ -с2 £ н).

330

DH— наружный диаметр трубы в см; dB„ — внутренний диаметр

то предельная длина части колонны определяется по формуле

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ГЛИНИСТОГО РАСТВОРА, ДОЛИВАЕМОГО В КОЛОННУ ПРИ СПУСКЕ ЕЕ С ОБРАТНЫМ КЛАПАНОМ

Задача 200. Определить, какое количество глинистого раствора надо долить в обсадную колонну диаметром 219 мм с толщиной сте­ нок труб 9,5 мм, спускаемую с обратным клапаном на глубину 2700 м в скважину, заполненную глинистым раствором плотностью 1,2 т/м3, чтобы облегчить ее вес до 40 т.

Решение. Определяем вес обсадной колонны

Qi = Lq —2700 • 50,6 = 136 800 кг = 136,8 т.

Определяем вытесняемый объем глинистого раствора

L = 0,785 •0,2192 • 2700 = 101,8 м3.

Определяем вес вытесняемого объема глинистого раствора

& = ^ гл. р = 101,8 -1,2 = 122,3 т.

Определяем облегчение веса колонны

(?i — (?2 = 136,8 — 122,3 = 14,5 т.

Для того чтобы облегчить вес колонны до 40 т, необходимо до­ лить в колонну определенное количество глинистого раствора. Это количество можно определить из следующего равенства: i

(<?1-< ? дол)-< ? 2= 40 т .

Откуда

(?дол = 40 + (?2 Qv

где (?дол — вес доливаемого в колонну глинистого раствора в т.

<5*дол = 40-1-122,3 — 136,8 = 25,5 т.

331

Определяем, какому объему соответствует этот вес (25,5 т),

Определяем высоту столба этого глинистого раствора в колонне

k:4F2

где Z>BH— внутренний диаметр обсадной колонны в м.

РАСЧЕТ КОЛОНН-ХВОСТОВИКОВ И ОБСАДНЫХ КОЛОНН, СПУСКАЕМЫХ СЕКЦИЯМИ, НА ПРОЧНОСТЬ

Спуск колонн-хвостовиков

Крепление скважин хвостовиками имеет ряд преимуществ перед спуском сплошных колонн: ускоряется процесс крепления ствола скйажины; значительно снижается расход металла; для спуска об­ садных колонн на большую глубину можно использовать облегчен­ ные буровые установки.

Хвостовик может выполнять роль промежуточной или эксплуата­ ционной колонны. Как эксплуатационная колонна он может состоять из сплошных или перфорированных обсадных труб. Хвостовик может быть составлен из муфтовых обсадных труб с резьбовыми соединениями, из обсадных труб со сварными соединениями или быть комбинированным. Хвостовик спускается на бурильных тру­ бах.

Расчет колонны хвостовика на прочность производится аналогич­ но расчету промежуточной или эксплуатационной колонны (в зави­ симости от его функции). Кроме того, рекомендуется проверить коэффициент запаса прочности на растяжение для бурильных труб, установленных на устье скважины.

Если хвостовик выполняет роль промежуточной колонны, жела­ тельно увеличивать толщину стенок с целью предупреждения их истирания в процессе бурения скважины.

Хвостовик необходимо соединять с предыдущей колонной при помощи такой подвески, которая позволяет устанавливать его под натяжкой с целью устранения продольного изгиба.

Задача 201. Рассчитать колонну-хвостовик, выполняющую роль промежуточной колонны, если ее диаметр 219 мм; глубина спуска 3650 м; удельный вес промывочной жидкости в скважине 1,6 гс/см3; глубина спуска предыдущей промежуточной колонны 1650 м; диа­ метр бурильных труб 146 мм (6 = 10 мм); цементирование будет производиться с применением упорного кольца «стоп» и продавочной пробки. Выход инструмента из-под башмака хвостовика 1350 м.

332

Решение. Принимаем, что верхний конец хвостовика будет вхо­ дить в предыдущую колонну на 100 м; тогда длина хвостовика будет

3650 - (1650 - 100) = 2100 м.

Учитывая величину выхода инструмента из-под башмака хвосто­ вика, принимаем нижнюю секцию труб из стали группы прочности Д

<?н = Qiihi = 57,9 •150 = 8700 кг = 8,7 т.

Определяем дополнительное усилие при цементировании

Выше устанавливаем трубы из стали группы прочности Д с тол­

Выше устанавливаем трубы с толщиной стенки 8 мм (сталь группы прочности Д).

Длина секции труб составит

Выше устанавливаем трубы с толщиной стенки 9,5 мм. Длина сек­ ции труб

Вес секции труб с толщиной стенки 9,5 мм

(?9,б = <79.5^9,6 = 50,6-423 = 21 400 кг = 21,4 т.

Колонну-хвостовик заканчиваем трубами с толщиной стенки 11 мм, Длина секции

333

Принимаем

l'n = L — (Zn + 17+ 18+ Z9>6) = 2100- (150 +1100 + 330 + 423) = 97 m .

Вес секции труб с толщиной стенки 11 мм, расположенных в верхней части хвостовика,

<?п = 1’иЯп = 97 • 57,9 = 5600 кг = 5,6 т.

Общий вес хвостовика

Q = Qn + Qi + Qs + <?9,5+ Q'l1 = 8,7 + 41,8 + 14,2 + 21,4 + 5,6 = 91,7 т.

Результаты расчетов сводим в табл. 66.

С целью предохранения хвостовика от смятия, через каждые 200 м спуска следует заполнять трубы глинистым раствором, начи­ ная с глубины:

Определяем, какой группы прочности стали должны быть бу­ рильные трубы, расположенные на устье скважины,

п ( + + Q + (?доп)

F

где п — коэффициент запаса прочности на растяжение для буриль­ ных труб, принимаемый равным 1,3; q — вес 1 м бурильной колонны в кг; I — длина бурильной колонны в м + — площадь поперечного сечения бурильной трубы в см2.

< 7 - ^’3(1550 - 37,4+ 91700 + 21000) _ 52(ю

4^»i

Этому значению напряжений соответствует сталь группы проч­ ности Е (ат = 55 кге/мм2).

334

Спуск колонны секциями

В глубокие скважины эксплуатационные и промежуточные ко­ лонны спускают секциями (по частям). Преимущества этого метода: ускоряется процесс крепления нижней части ствола; снижается расход металла; для спуска тяжелых колонн можно использовать буровые установки нормальной грузоподъемности; можно приме­ нять ступенчатое цементирование. Нижняя секция спускается на бурильных трубах.

Сущность методики расчета эксплуатационной колонны при спуске ее секциями состоит в том, что каждую из частей колонны рассчитывают на смятие, а не на страгивание, а промежуточную колонну— наоборот.

Задача 202. В скважину глубиной 3900 м будет спущена 146-мм эксплуатационная колонна двумя секциями: первая секция длиной 1400 м (интервал 3900—2500 м), вторая секция длиной 2500 м (ин­ тервал 0—2500 м). Удельный вес глинистого раствора 1,3 гс/см3; длина интервала эксплуатационного объекта 300 м (3900—3600 м). Ожидаемое пластовое давление 400 кгс/см2, скважина газовая, опо­ рожнение полное, высота подъема цементного раствора до устья.

Решение.

4 Нижняя секция. Определяем величину фактического сминающего давления на глубине 3900 м

С учетом коэффициента запаса прочности на смятие, равного в зоне

Этому давлению соответствуют трубы из стали группы прочности Е с толщиной стенки 11 мм, для которых рсы = 685 кгс/см2.

Исходя из размеров интервала эксплуатационного объекта, длину этой секции труб принимаем равной /е = 300 м. Вес секции

<?в = 300.37,5 = 11350 кг = 11,35 т.

Определяем фактическое сминающее напряжение на глубине 3900—

— 300 = 3600 м.

Рем. ф = 36У 3 = 468 кгс/см2.

С учетом коэффициента запаса прочности на смятие, принимаемого равным 1,15, будем иметь

Рем = Рем. фбсм = 468 • 1,15 = 538 кгс/см2.

Этому значению сминающего давления соответствуют трубы из стали группы прочности К с толщиной стенки 10 мм (рсм = 555 кгс/см2).

335

Трубы третьей секции принимаем из стали группы прочности К с толщиной стенки 9 мм. Допустимая глубина спуска этих труб определяется по формуле

Трубы четвертой секции принимаем из стали группы прочности Д

Длина третьей секции труб из стали группы прочности К с тол­ щиной стенки 9 мм составит

If = H f —ЯД = 3180 -2 9 8 0 = 200 м.

Вес секции

<?* = 20031,3 = 6260 кг = 6,3 т.

с толщиной стенки 10 мм равна

/Д = Я Д -Я Д = 2980 -250° = 480 м.

Вес этой секции

(?Д = 480-34,4 = 16500 кг = 16,5 т.

Таким образом, длина нижней секции колонны равна

1Я= JE + JK + if + гд = 300 + 420 + 200 + 480 = 1400 м.

Вес нижней секции колонны равен

& = <?&+ Qf0+ <?»к + ОД = 11,35 +14,5 + 6,3 +16,5 = 48,65 т.

Проверим коэффициент запаса прочности на внутреннее давление для труб четвертой секции

336

Определяем коэффициент запаса прочности на страгивание (для тех же труб)

0 Ю Д

х стр

^Стр --- ' <?н+ <?доп

(?доп = (0,02-3900 + 16 + 15)0,785-12,4* = 13100 кг = 13,1 т.

что вполне достаточно.

Таким образом, нижняя секция колонны будет иметь следующий вид (табл. 67):

Т а б л и ц а 67

Верхняя секция. Проверка на внутреннее давление 10-мм труб нижней секции, изготовленных из стали группы прочности Д, по­ казывает, что в колонне нче может быть установлено труб с меньшей толщиной стенки (меньше 10 мм) данной группы прочности стали. Поэтому верхнюю секцию принимаем из труб стали группы прочности

тывают на страгивание (каждую отдельно), и в необходимых случаях проверяют коэффициент запаса прочности на смятие и на внутреннее давление в наиболее опасных сечениях.

РАСЧЕТ ОБСАДНЫХ КОЛОНН СО СВАРНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ НА ПРОЧНОСТЬ

Расчет на прочность сварной обсадной колонны принципиальна не отличается от расчета колонны с резьбовыми соединениями. Сна­ чала рассчитываем колонну на смятие и внутреннее давление без учета местного уменьшения толщины стенок обсадной трубы в свар­ ном соединении или в проточке под хомут. После этого производим проверочный расчет прочности сварного шва на растяжение и проч­ ности обсадных труб в зонах проточек для каждой толщины стенки. Если обсадные колонны сварены методом контактной сварки опла­ влением, т. е. имеется утолщение стенок в месте стыка торцов сва­ риваемых труб, то они рассчитываются на прочность тела трубы, а если сварены методом электродуговой сварки, то на прочность тела трубы в месте выточки.

Фактическая растягивающая нагрузка1равна весу колонны после расчета на смятие и внутреннее давление плюс дополнительная на­ грузка, возникающая при цементировании.

Длина отдельных секций труб с различными толщинами стенок

ная нагрузка, возникающая при цементировании, в тс; араст — ко­ эффициент запаса прочности; q — вес 1 м трубы данной толщины стенки в т. Максимальная растягивающая нагрузка на тело трубы в зоне проточки определяется по формуле

(? тах = ЕСГТ,

где F — площадь поперечного сечения тела трубы в зоне проточки в см2; сгт — предел текучести материала трубы в кгс/см2.

F = n~ t ~ б-

Здесь б — толщина стенки трубы в см; D — наружный диаметр трубы в см; d — внутренний диаметр трубы в см.

Прочность сварного шва проверяют по формуле

Qmax

раСТ_ Сфакт *

где (?факт — фактическая растягивающая нагрузка в тс.

Задача 203. Рассчитать на прочность 146-мм стыкосварную ко­ лонну, если глубина спуска 2500 м; удельный вес глинистого рас­ твора 1,3гс/см3; длина зоны эксплуатационного объекта 300 м; колонна сварена методом контактной сварки оплавлением. Скважина

338

разведочная, высота подъема цементного раствора до устья. Ожида­ емое внутреннее давление в процессе эксплуатации 300 кгс/см2.

Решение. Определяем сминающее давление для труб, располо­ женных у забоя скважины (колонну рассчитываем на полное опо­ рожнение), по формуле

Нуг л . р

где Я — глубина спуска колонны в м; угл — удельный вес глини­ стого раствора за колонной в тс/м3; аси — коэффициент запаса проч­ ности на смятие.

Рсм— 25-0^ 1’3- 1,3 = 423 кгс/см2.

По данным табл. 43 приложения находим, что для этого давления подходят трубы из стали группы прочности Д с толщиной стенки

Рсм= — °-q1,3 1,15 = 330 кгс/см2.

Этому давлению соответствуют трубы из стали группы прочности Д с толщиной стенки 6 = 9 мм (р%м = 375 кгс/см2).

Третью секцию принимаем из труб стали группы прочности Д

Тогда длина второй секции будет 2200 — 2140 = 60 м. Вес второй секции 31,3-60 = 1878 кг = 1,88 т.

Четвертую секцию принимаем из труб стали группы прочности Д с толщиной стенки 7 мм (р*ы = 255 кгс/см2). Предельная глубина спуска их составит

Длина третьей секции равна 2140 — 1700 = 440 м. Вес третьей секции 28-440 = 12 300 кг = 12,3 т.

Проверим, могут ли быть установлены трубы с толщиной стенки 7 мм на устье скважины при действии внутреннего давления

“ вы — Р„в н . факт »

где р1н — внутреннее давление, при котором напряжения в теле трубы достигают предела текучести, для труб стали группы