книги / Трубы нефтяного сортамента

S = О, 1• 1O~3'-у Н .

В случае полного замещения раствора газом (Н= 1)

РВг = рпл/еs ;

в) при бурении под следующую колонну с-использованием утя"

желенного раствора

Если удельный вес опреС'совочной жидкости УЖ окажется мень­

ше уа или Ун, то при определении избыточного наружного давления

вместо уа и Yk подставляют уж·

Расчет хвостовиков и колонны, спускаемых секциями

Избыточное наружное давление при газонефтепроявлениях

следующую колонну.

Пр'и испытании колонн на ,гермеl1ИЧНОСТЬ в один прием без ис­

пользования пакера избыточное внутреннее давление определяют

по формулам (11.21) и (11.22), в которых РУ определяют так ж€.

кцк и для промежуточных колонн.

При испытании с применением пакера

РВИz = 1,1 РВz - Рплz ,

где РВг рассчитывают по формулам (11.29) - (11.32).

271

Осевая нагрузка от собственного веса колонны

Осевая нагрузка определяется по теоретическому весу спущен­ ной колонны

Расчетные формулы

Сопротивляемость труб избыточному наружному давлению оп­

ределяется давлением, при котором наибольшее напряжение дости­ гает предела текучести материала труб. Критическое давление

~МПа) рассчитывают по формуле Г. М. Саркисова

(11.39)

где kшill=Smm/D, ko=so/D; D-наружный диаметр, мм; ар-предел

пропорциональности, принимаемый равным пределу текучести,

МПа; Е-модуль упругости, МПа; s-толщина стенки, мм; е­

овальность, наибольшее расчетное значение которой равно 0,01

для труб до 219 мм включительно, 0,015 для труб от 245 до 324 мм

и 0,02 - свыше 324 мм:

опытный коэффициент. В зависимости от величины k=s/D средние

значения с равны:

Обычно Ркр, определенное по (11.40), больше, чем рассчитанное по формуле (11.39).

Избыточное наружное давление для труб не должно превышать

допустимого

РИИz -< РКР/nl ,

где n] - коэффициент запаса прочности, принимаемый для секций

эксплуатационного объекта 1-1,3, а для остальных секций - 1 о.

~72

На сминающее давление влияет растягивающая нагрузка. Как

показали экспериментальные исследования, с увеличением растя­

гивающих напряжений и уменьшением толщины стенки сминающее

давление падает. С увеличением k влияние растягивающих напря­

жений на сминающее давление уменьшается. Исходя из имеющих.. ся экспериментальных данных, целесообразно для труб, растягива..

ющее напряжение в которых превышает 50% от предела текучести.

J-:оэффициент запаса на смятие увеличить на 10%.

Избыточное внутреннее давление, при котором напряжения в

трубе достигают предела текучести,

219 мм-l,15, свыше 219 мм-l,52.

Страгивающую нагрузку для труб с резьбой треугольного про..

273

Осевая растягивающая нагрузка, при которой напряжения в

теле муфты равны пределу текучести, определяется (кН) по фор­

муле А. Е. Сарояна

где D - средний диаметр муфты в плоскости последнего полного

. Битка резьбы, находящегося в сопряжении, мм; а - толщина стен­

'Ки муфты в П,10С'КОСТИ пqследнего ЛОлно,о витка резьбы, находяще­

гося в сопряжении, мм; d - средний диаметр резьбы в плоскости

последнего витка, находящегося в сопряжении, мм; t - рабочая

высота профиля резьбы, мм; ат - предел текучести, МПа.

Д~я колонн из труб с трапецеидальной резьбой допускаемая

нагрузка на растяжение [Р] опреде,lяется по формуле

где Рраз - разрушающая нагрузка; Пз= 1,8.

Разрушающие нагрузки определяются по формулам, приведен­ ным в приложении 13. Величины нагрузок даны в приложении 5 и 6.

Предельная осевая нагрузка Q при спуске колонны в клиновом

захвате определяется по формуле (4.37). Допускаемая наГРУЗI{а

Qo= Q')n4' Рекомендуемые величины коэффициента запаса: n~=

= 1,15~ 1,3 (П4= 1,3 для труб диаметром 178 !! более).

Расчет колонны для наКЛОНlfо-напраВJlенных скважин

Наружные и внутренние избыточные давления рассчитываются по формулам, приведенным выше для вертикальных скважин. При этом расстояние от устья до характерных точек L, h, Н определяют

по вертикали.

Растягивающая нагрузка определяется по весу колонны. Влия­ ние изгиба колонны учитывается при расчете на растяжение коэф­ фициентом запаса прочности, который вычисляется из выражения

для труб диаметром до 168 мм и 1,3 для труб диаметром 178 мм и

более; ао - интенсивность пространственного искривления, градус

на 10 м; D c - средний диаметр сечения в основной плоскости резь­ бы, м, 1- длина резьбы с полным профилем, м.

Во всех случаях п; не должен быть меньше значений, приве­ денных в табл. 11.2 для каждой группы размеров колонн.

274

Методика расчета колонн

На основании исходных данных определяют избыточные на·

ружные и внутренние давления на устье скважины и на глубинах Н, h, L, а также для интервалов, рассчитываемых по пластовому или горному давлению. Распределение давлений на этих интерва­ лах принимается линейным.

Для удобства расчетов избыточные давления по глубине сква·

подбирают трубы. Длину первой секции [, определяют по мощно­ сти эксплуатационного объекта. Затем рассчитывают коэффициент запаса прочности по внутреннему избыточному давлению д:rя верх­ ней трубы секций на глубине L,.

Определяют наружное избыточное давление на верхнем конце 1 секции, по которому подбирают трубы для 11 секции. Для под­ счета длины 11 секции [2 выбирают трубы для 111 секции, определя­

ют глубину их установки L2, тогда [2=L, - L2. Далее производят

расчет на внутреннее давление для верхней трубы 11 секции и т. д.

При этом одновременно определяют общий вес всех подобран­

ных секций Q, который должен быть меньше или равен допускае­ мой нагрузке. Если растягивающее напряжение больше 0,5Q, то

коэффициент запаса прочности n увеличивают на 10%.

Если длину секции определяют, исходя из осевой нагрузки, то дальнейший расчет на наружное давление не производят. Проме­

жуточные колонны рассчитываются по аналогичной методике.

На участках колонны, где возможен наибольший износ, допус­

кается увеличение толщины стенки труб 10-20 %.

Расчет натяжения обсадной колонны

После спуска и цементирования обсадной колонны производит­ ся обвязка _устья скважины. Верхний конец обсадной колонны за­

крепляют в колонной головке при помощи клинового захвата.

Натяжение рассчитывают для вертикальных колонн, для на­

клонно-направленных скважин - только для вертикального участ­

ка колонны.

В большинстве случаев для оборудования устья скважины об­

садную колонну после цементирования разгружают, что приводит

к сжатию колонны силой собственного веса. Разгрузка колонн,

особенно в глубоких скважинах, может привести к нарушению

прочности и гермеrnчности труб. На'иболее раЦIюнальный спосо,б

оборудования устья скважины - обвязка устья без разгрузки ко­

лонны, т. е. в растянутом состоянии.

На работу обсадной колонны в процессе освоения и эксплуата­

ции в значительной степени влияет усиЛ'ие, с которым была натяну­

та колонна при обвязке устья скважины. Натяжение колонны сле­

дует производить с таким расчетом, чтобы дополнительные усилия,

275

возникающие из-за изменения температуры и давления в колонне,

.не приводили к искривлению колонны из-за потери устойчивости. Для обеспечения необходимой прочности обсадной колонны ве­ личину натяжения следует учитывать при ее расчете. На первом

этапе расчет колонн выполняют по изложенной выше методике

.(расчет на растяжение, наружное и внутреннее избыточные давле­ ния) '. на втором э:rапе определяют у~илие натяжения, необходимое

.для удовлетворительной работы колонны. Если при полученной

величине натяжения обсадные трубы не удовлетворяют условию­

прочности, то необходимо или применить более ПРОЧНрlе трубы,

.или уменьшить собственный вес незацементированного участка ко­

лонны, увеличив высоту столба цементного раствора.

Определим натяжение для зацементированной обсадной кодон­

ны, жестко закрепленной у устья.

В общем случае, когда колонна подвержена в процессе -эксплу-

8тации изменению температуры и давления, усилие натяжения на­

ходят из условий

QH :). Q;

;:lб

В нормальных условиях Ри=О, 11=0,3. Тогда усилие натяжения

определится из условий:

QH >- Q;

Определив натяжение, необходимо проверить прочность колон­ НЫ исходя из условия ее работы в процессе освоения и эксплуата­

ции.

В процессе эксплуатации скважины влияние температуры и

давлеНJlЯ приводит к изменению усилия натяжения Qи. Колонна

будет удовлетворять требованиям прочности при соблюдении сле­

дующего условия:

где Qo - вес колонны от устья до рассматриваемого сечения, кН;

[Р] - допускаемая осевая нагрузка, кН; Рр - осевая растягиваю­

щая нагрузка, возникающая в колонне в результате воздействия

внутреннего и внешнего избыточных давлений у устья в процессе эксплуатации,кН:

P-v - осевая нагрузка, возникающая в колонне в результате воз­ действия внешнего и внутреннего гидростатических давлений жид­

кости при эксплуатации:

цементирования колонны.

В ряде случаев для увеличения запаса прочности значение P t (при нагреве) не учитывают.

Так как колонна состоит из отдельных секций, различающихся толщиной стенки труб, то для F следует принимать среднее зна­

чение

секций.

При отсутствии внутреннего избыточного давления и нагрева

колонны, а также в случае, когда условия работы колонны не из­

вестны, натяжение колонны находят из выражения Qи= Q.

277

Условие прочности Qи:::::;{Р].

Если обвязка устья производится без разгрузки и из условия (11.46) Qи не более веса колонны Qи, то натяжение следует прини­

мать равным Qи.

Проверять прочность необходимо для наиболее нагруженных

секций колонны. Если проверка прочности колонны покажет удов­

летворительные результаты, то надо проверить также напряжен­ ное состояние колонны в процессе опрессовки и освоения сква­

жины.

При освоении скважин раствор заменяется водой. Нагнетание внутрь колонны жидкости, имеющей низкую температуру, может

привести к охлаждению колонны и, как следствие, к дополнитель­

ным растягивающим напряжениям. Для обеспечения прочности труб необходимо, чтобы после натяжения колонны, обвязки устья

скважины и нагнетания жидкости напряжения, возникающие в

трубах, были в пределах допускаемых величин. Для этого должно

быть выдержано условие

где Pt, Рр, Ру определяются из выражений (11.47), (11.49), (11.50)

применительно к процессу освоения.

Наиболее благоприятно с точки зрения прочности колонны при

замещении раствора нагнетание жидкости ~ спущенные насосно­

компрессорные трубы, а не в кольцевое пространство между насос­ но-компрессорными и обсадными трубами.

П ,р и м е р. определить натяжение обсадной колонны в фонтанирующей сква­

жине при следующих условиях: глубина скважины L=360(} м; высота подъема

цементною раствора h=700 м; удельный вес жидкости vи='1,4·104 НJмЗ ; ув=

=0,9·10~ Н/м'.!; температура на забое to=90°C; температура жидкости tз=600С;

внутреннее устьевое давление р=20 МПа; удельный liec раствора в скважине

278

Средний внутренний диаметр d, соответствующий площади 49,5 см2, равен

14,8 см.

Среднюю температуру нагрева колонны определим по рис. 11.2. Примем:

t1 = 15 0 С;

0,31.10-3 Рв d2 = 0,31.10-3.20.106.14,82.10-4 = 135 кН;

0,655 [ (D2 Ун ~ d2 ув)·10-3 = 0,655·2800 (16,82.1,4- 14,82.0,9) Х

х 10-3 = 363 кН.

Подставив полученные величины в выражение (11.46), получим из второго

условия Qн=llБО кН, что больше Q. Следовательно, Qи=1160 кН.

Проверим прочность колонны, наТЯiНУТОЙ с усилием Qи, в процессе эксплуа­

тации.

Для верхнего сечения трубы, расположенной у устья (четвертая секция),

прочность определим из выражения (11.49). Расчет прочности произведем без

учета влияния Pt при Qo=O.

Из первого условия

QH + Рр-Ру= 1160+0,47.10-3.20.106.14.82.10-4-

-0,235·2800.14,82.0,5.10-3 = 1294 кН.

Тогда коэффициент запаса прочности, учитывая, что [Р] =Рстр/n, будет

т. е. составит достаточную величину.

Проверим условие прочности для верхней трубы третьей секции. Коэффи­

циент запаса прочности из первого условия

Рстр

n=

Qи - Qo + Рр - Рv

Qo = g [4 q4 = 283 кН.

Из предыдущих вычислений

Рр = 206 кН; P~ = 74 кН.

Тогда

279

Расчет допускаемого внутреннего избыточного давления

Освоение, ремонтные работы, гидроразрывы и другие работы,

проводимые в скважине, связаны--€--воздействием значительного внутреннего давления на колонну. Определять допускаемое внут­

реннее давление должны с учетом как осевых, так и радиальных

нагрузок, действующих на колонну. .

Для жестко закрепленной на устье колонны, натяжение кото­

рой превышает вес свободной (незацементированной) части (QH>

(11.41); [-расстояние от ~стья до рассматриваемого сечения. Расчет на внутреннее давление проводится для каждой секции

колонны и за допускаемое давление принимается наименьшее зна­

чение. Коэффициент запаса прочности n2 принимается в зависимо­ сти от размера труб и условий работы.

Расчет сварных колонн

Сварные обсадные колонны рассчитывают на прочность с уче­

том воздействия на нее растягивающих нагрузок, наружного и

внутреннего давлений. В отдельных случаях проверка на прочность учитывает также и действие на колонну изгибающих усилцЙ.

Изложенная ниже методика расчета сварных обсадных колонн

распространяется на конструкцию обсадных труб с центрирующим кольцом и проточкой под хомут. Расчет на растяжение сварной об­ садной колонны сводится к проверке прочности сварного шва, се­ чений под цементирующее кольцо и хомут.

Прочность сварного шва на растяжение проверяют по формуле

шая площадь сечения по сварному шву, м2,; 0'11 ~ временное сопро­

тивление материала труб, МПа.

Коэффициент запаса прочности сварного шва

280