книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

Т а б л и ц а 5.24

Режим работы смесительных установок УС6-30 в процессе приготовления растворов из различных тампонажных материалов

411

Величины Р и Q выбираются из гидравлической программы цементирования по расчетному графику процесса. Для этого достаточно рассмотреть две точки — максимальное Q и соот­ ветствующее ему Р и максимальное Р и соответствующее ему Q на стадии нагнетания продавочной жидкости (исключая оп­ ределение давления «стоп»), на которой, как правило, требует­ ся максимальная гидравлическая мощность. Из двух величин N„' и Nn" для выбора НУ принимается большая N„.

Собственно выбор типов НУ и их количества из имеющих­ ся на вооружении данного предприятия осуществляется сле­ дующим образом.

Пользуясь табл. 5.20—5.23, рассматривают возможность ис­ пользования одного или двух типов НУ, удовлетворяющих необ­ ходимым значениям Р И Q. Элементарной переборкой вариан­ тов определяется необходимое количество пн установок НУ.

Например. (1) Необходимое количество НУ одного типа мощ-

N

ностью NHсоставит и = ——. (2) Принимается одна установка

N H

мощностью NH). Вычисляется необходимое количество НУ дру­ гого типа мощностью NH1

В любом случае к выбранному общему количеству НУ, ок­ ругленному в большую сторону, принимается одна резервная.

4t2

Последняя может быть обвязана с цементировочной головкой для продавливания верхней разделительной пробки.

Определение числа смесительных установок

Такой расчет требуется для определения чис­ ла самоходных СУ или в другом, например, вертолетном ва­ рианте.

Все расчетное количество тампонажного материала по ви­ дам в этих случаях размещается, как правило, полностью в СУ. Тогда общее требующееся число установок СУ —пс составит:

лов по типам, т;

g —вместимость бункера одной установки СУ, т.

По каждому типу цемента необходимое количество СУ ок­ ругляется в большую сторону. Исключения могут допускать­ ся, если потребуется догрузка небольшого количества мате­ риала в процессе затворения при обеспечении безопасными загрузочными средствами и непрерывности процесса цемен­ тирования,

5.10. УЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ НАГРУЗОК НА КОЛОННУ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИНЫ

(Calculation of addition loads on casing string while well operation)

5,10.1. РАСЧЕТ НАТЯЖЕНИЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

(Calculation of casing tension)

После спуска и цементирования обсадной ко­ лонны производится обвязка устья скважины. Верхний конец обсадной колонны закрепляют в колонной головке при помо­ щи клинового захвата.

Натяжение рассчитывают для вертикальных колонн, для наклоннонаправленных скважин — только для вертикально­ го участка колонны.

В большинстве случаев для оборудования устья скважины обсадную колонну после цементирования разгружают, что при­ водит к сжатию колонны силой собственного веса. Разгрузка колонны, особенно в глубоких скважинах, может привести к нарушению прочности и герметичности труб. Наиболее раци­ ональный способ оборудования устья скважины —обвязка ус­ тья без разгрузки колонны, т. е. в растянутом состоянии.

413

На работу обсадной колонны в процессе освоения и эксплу­ атации в значительной степени влияет усилие, с которым бы­ ла натянута колонна при обвязке устья скважины. Натяжение колонны следует производить с таким расчетом, чтобы допол­ нительные усилия не приводили к искривлению колонны изза потери устойчивости.

Для обеспечения необходимой прочности обсадной колон­ ны величину натяжения следует учитывать при ее расчете. На первом этапе расчет колонн выполняют по изложенной выше методике (расчет на растяжение, наружное и внутреннее из­ быточные давления), на втором этапе определяют усилие натя­ жения, необходимое для удовлетворительной работы колонны. Если при полученной величине натяжения обсадные трубы не удовлетворяют условию прочности, то необходимо или приме­ нить более прочные трубы, или уменьшить собственный вес незацементированного участка колонны, увеличив высоту стол­ ба цементного раствора.

Определим натяжение для зацементированной обсадной колонны, жестко закрепленной у устья.

В общем случае, когда колонна подвержена в процессе экс­ плуатации изменению температуры и давления, усилие натя­ жения находят из условий:

Большее значение QHпринимается за усилие натяжения. Здесь Q — вес свободной части колонны, кН; Р, — осе­

вая нагрузка, возникающая вследствие температурных из­ менений, кН; р,рн — внутреннее и наружное устьевые давле­ ния в колонне и за колонной при эксплуатации, Па; 1 —длина свободной части колонны, м; D, d — наружный и внутренний

диаметры колонны, м; Y н и Y« — удельные веса жидкости со­ ответственно за колонной и внутри колонны в процессе экс­ плуатации, Н/м3:

где а —коэффициент линейного расширения; F —площадь

сечения трубы, м2; At — средняя температура нагрева колон­ ны, °С; Е — модуль упругости, Н/м2.

Приближенное значение средней температуры нагрева (или охлаждения) можно определить из зависимости (рис. 5.14):

4t4

где tlT t2 — температуры колонны по гео­ термическому градиенту; t3, t4 — температу­ ры жидкости эа колонной (при отсутствии дан­ ных принимаются по температуре жидкости

вколонне).

Внормальных условиях р„ = 0, ц = 0,3. Тогда

усилие натяжения определится из условий:

Q.-Q.<[P],

где Q„—вес колонны от устья до рассматриваемого сечения, кН; [Р]—допускаемая осевая нагрузка, кН; Рр —осевая растя­ гивающая нагрузка, возникающая в колонне в результате воз­ действия внутреннего и внешнего избыточных давлений у ус­ тья в процессе эксплуатации, кН:

Ру —осевая нагрузка, возникающая в колонне в результате воздействия внешнего и внутреннего гидростатических давле­ ний жидкости при эксплуатации:

где У* , У, —удельные веса жидкости в скважине после спу­

ска и цементирования колонны.

В ряде случаев для увеличения запаса прочности значение Р, (при нагреве) не учитывают.

Так как колонна состоит из отдельных секций, различа­ ющихся толщиной стенки труб, то для F следует принимать среднее значение:

415

где F„ F2 —площади сечения труб каждой секции; I,, I, длины секций.

При отсутствии внутреннего избыточного давления и нагре­ ва колонны, а также в случае, когда условия работы колонны не­ известны, натяжение колонны находят из выражения Q„= Q.

Условие прочности:

й л т -

Если обвязка устья производится без разгрузки и из усло­ вия (5.207) QHне более веса колонны QK, то натяжение следу­ ет принимать равным QM.

Проверять прочность колонны необходимо для наиболее на­ груженных ее секций. Если проверка прочности колонны по­ кажет удовлетворительные результаты, то надо проверить так­ же напряженное состояние колонны в процессе опрессовки и освоения скважины.

При освоении скважин раствор заменяется водой. Нагнета­ ние внутрь колонны жидкости, имеющей низкую температуру, может привести к охлаждению колонны и, как следствие, к до­ полнительным 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 вели­ чин. Для этого должно быть выдержано условие:

где Ру, Рр, Р, определяются из выражений (5.208), (5.212), (5.213) применительно к процессу освоения.

Наиболее благоприятно с точки зрения прочности колонны при замещении раствора нагнетание жидкости в спущенные насосно-компрессорные трубы, а не в кольцевое пространство между насосно-компрессорными и обсадными трубами.

П р и м е р . Определить натяжение обсадной колонны для фонтанирующей скважины при следующих условиях: глуби­ на скважины L = 3500 м; высота подъема цементного раствора h —700 м; удельный вес жидкости уи = 1,4 ■104 Н/м3; ув = 0,9 • 104 Н/м3; температура на забое t0 = 90°С; температура жидкости t3 = = 60°С; внутреннее устьевое давление р = 20 МПа; удельный вес раствора в скважине после спуска колонны у= 1,4- 104Н/м3.

Обсадная колонна состоит из четырех секций, трубы из ста­ ли группы прочности К и Е (табл. 5.26).

Натяжение колонны производят после разгрузки на забой.

416

Натяжение QHопределим из выражения (5.207). Предвари­ тельно найдем среднюю площадь сечения труб F и перепад тем­ пературы At. Площадь сечения труб:

Средний внутренний диаметр d, соответствующий площа­ ди 49,5 см2, равен 14,8 см.

Среднюю температуру нагрева и охлаждения колонны оп­ ределим по рис. 5.14.

/2R00

и=f3+(r0-f3) - =60+30-----=84°С;

Определим слагаемые формулы (5.210): Q= 8 ^4 I=9,8■109,3• 103 =1070кН;

р ,'= 12-10-6 -21012 -49,5 12,5-10’7 =148кН;

0,31 • 10_3p ed 2 = 0,31■10"3 ■20 • 10s -14,82 ■1 O'4 = 135 кН;

0,655/(D2у „ -< /2у„) • 10“3 = 0,655• 2800-(16,82 -1,4-14,82 ■0,9)■1О 3 = 363кН.

Подставив полученные величины в выражение (5.207), по­ лучим из второго условия QH— 1160 кН, что больше Q. Следо­ вательно, QH= 1160 кН.

Проверим прочность колонны, натянутой с усилием QH, в процессе эксплуатации.

Для верхнего сечения трубы, расположенной у устья (чет­ вертая секция), прочность определим из выражения (5.211).

Из первого условия:

QH+Р,'+Рр- Ру =1160+0,47-10"3 ■20-106 • 14,82 ■10"* +

что достаточно.

Проверим условие прочности для верхней трубы третьей секции. Коэффициент запаса прочности из первого условия:

%

Qn-Qo+PP-Py+P/

Qo —gt4 Я4 = 283кН.

Из предыдущих вычислений: Рр= 206 кН; Ру= 74 кН; Р,' = 148 кН.

Тогда:

_______ 1600_______ 1600 ” 1600-283+206-74+148 1157 ’

5.10.2. РАСЧЕТ ДОПУСКАЕМОГО ВНУТРЕННЕГО

ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ

(Calculation of initial permissible overpressure)

Освоение, ремонтные работы, гидроразрывы и другие работы, проводимые в скважине, связаны с воздействи­ ем значительного внутреннего давления на колонну. Определять допускаемое внутреннее давление должны с учетом как осевых, так и радиальных нагрузок, действующих на колонну.

Для жестко закрепленной на устье колонны, натяжение ко­ торой превышает вес свободной (незацементированной) части ((?*> Q)>внутреннее допускаемое устьевое давление (Па) нахо­ дят из выражений:

418

^ [p ]~QH+Qo+P,+py.

удельный вес жидкости в колонне в процессе проведения ука­ занных выше работ, Н/м3; / —расстояние от устья до рассмат­ риваемого сечения. Расчет на внутреннее давление проводится для каждой секции колонны, и за допускаемое давление при­ нимается наименьшее значение. Коэффициент запаса прочно­ сти и2 принимается в зависимости от размера труб и условий работы.

5.11. НАПРЯЖЕНИЯ В ЦЕМЕНТНОМ КОЛЬЦЕ ЗА ОБСАДНОЙ КОЛОННОЙ

(Annular space cement tension)

5.11.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ

(T e n s io n c a lc u la tio n )

Цементное кольцо — вторая составная часть крепи скважины, а поэтому нагрузки, действующие на кольцо и колонну, будут взаимосвязаны.

После твердения (при нерасширяющихся цементах) цемент­ ное кольцо будет находиться под действием давления, опреде­ ляемого по гидростатическому закону, а следовательно, напря­ женное состояние кольца будет всесторонним равномерным сжатием. Как известно, такое напряженное состояние даже при высоких по абсолютной величине нагрузках весьма бла­ гоприятно.

Характер нагружения у цементного кольца начинает ме­ няться с момента начала производства работ в скважине, пос­ ле твердения цемента. Уже снятие давления у устья, так же как и последующее снижение уровня жидкости в колонне, изменя­ ет характер нагружения кольца — всестороннее равномерное сжатие переходит в неравномерное, и условия работы ухудша­ ются. В связи с этим возникает вопрос оценки напряженного состояния цементного кольца, что даст возможность судить и о необходимых нормах прочности тампонажных цементов.

Определим главные напряжения в кольце в сечении, рас­ положенном на глубине г.

Введем обозначения:

L — глубина скважины;

Л — глубина уровня цемента за колонной; Н — глубина уровня жидкости в колонне;

ур, уц, ун. Ус. Уе ~ соответственно удельный вес бурового и цементного растворов, нефти, продавочной жидкости и воды; р — давление, устанавливающееся при заливке на глуби­

не z;

az, a„ ar — соответственно нормальные напряжения в осе­ вом, тангенциальном и радиальном направлениях.

Напряжение ог неизменно и равно давлению р составного столба жидкости:

Напряжения а, и аг будут зависеть от давлений р, и ри на внутренней и наружной поверхностях цементного кольца. Пос­ ле заливки эти давления тоже равны р, но со снижением дав­ ления в колонне они изменятся. Определим зти новые их зна­ чения.

При снижении внутреннего давления в колонне на &р]на­ ружное давление на колонну уменьшается на:

bf>2 —k&P\,

Но наружное давление для колонны является внутренним давлением р, для цементного кольца. Поэтому при снижении

внутреннего давления в колонне на Др, внутреннее давление рв на цементном кольце будет:

Рв=р-ЬРг = Р - к*Р\.

Снижение внутреннего давления в колонне приводит к раз­ грузке цементного кольца, т. е. на нем уменьшаются и внутрен­ нее, и наружное давления.

Установим снижение наружного давления.

Рассматривая цементное кольцо и окружающие породы как полый цилиндр неограниченно большого радиуса, находящий­ ся под действием внутреннего давления, принимая давление

р за изменение Др2 внутреннего давления в кольце, изменение Др3 наружного давления для кольца должно соответствовать напряжению а, при р = Др2 и р, равном наружному радиусу b кольца. Следовательно:

а2

ДРз = ( стг )е = ь = 7О7 ^ 2 -

Принимая

420