Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

..pdf
Скачиваний:
54
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
32.73 Mб
Скачать

Т а б л и ц а 6.4

Характеристика прочности иасосно-компрессориых труб, изготовленных из сталей различных групп прочности, по стандартам АНИ

 

 

 

Наименьшее сминающее

 

 

Внутреннее давление, при котором

 

 

 

 

 

напряжение в теле трубы достигает

 

 

 

давление, МПа

 

 

Внешний

 

 

 

 

предела текучести, МПа

 

Толщи-

 

 

 

 

 

 

 

диаметр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

на стен­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

трубы,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ки, ММ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мм

Н-40

J-55

С-75

Н-80

Р-105

Н-40

J-55

С-75

Н-80

Р-105

 

 

 

26,67

2,83

50,6

65,9

86,1

91,2

_

52,9

72,8

99,9

105,9

_

33,4

3,38

47,9

62,3

81,5

86,3

49,8

68,5

93,3

95,5

42,16

3,18

36,7

47,7

37,0

51,0

 

3,56

40,7

52,9

61,2

73,3

41,5

57,2

77,8

83,2

48,26

3,18

31,3

40,7

-

32,4

44,5

-

-

-

 

3,68

37,2

48,3

63,2

66,9

37,5

37,5

70,3

75,0

52,40

3,96

36,8

47,9

62,6

66,4

37,2

51,2

69,8

74,4

60,32

4,24

34,3

44,6

57,3

60,9

34,6

47,6

64,8

69,1

 

4,83

38,8

50,5

65,9

69,9

93,1

39,4

54,2

73,6

78,5

103,3

 

6,45

85,6

90,6

120,8

98,5

105,2

138,1

73,02

5,52

36,8

47,8

62,6

66,2

88,3

37.1

51,1

69,6

74,2

97,5

 

7,82

85,8

90,8

121,1

-

98,9

105,5

138,4

88,9

5,49

28,6

37,2

47,0

49,8

30,4

41,8

56,9

60,7

-

 

6,45

35,5

46,1

60,0

63,8

85,1

35,7

49,2

66,9

71,4

93,2

 

7,34

39,9

52,0

67,9

71,9

40,6

55,9

76,2

81,3

 

9,51

85,9

90,8

121,1

98,8

105,4

138,4

101,6

5,74

25,2

32,7

40,8

43,0

27,8

38,2

52,1

55,6

 

6,65

31,1

40,4

51,6

54,7

-

32,2

44,4

60,5

64,5

-

114,3

6,88

27,6

35,9

45,2

47,9

29,7

40,8

55,5

59,2

I f f

При значительных глубинах скважин применяют секцион­ ную колонну НКТ. Длину секций подбирают снизу вверх. До­ пустимую длину нижней секции определяют по формуле (6.23), а длины следующих секций — из соотношения

1 _ Р \ Рп-Х

?ъ>

(6.24)

кЯп

 

Г(л-1)

 

где /„ —длина секции, которую рассчитывают, м; р'„ —раз­ рушающее напряжение для труб секции, которую рассчиты­ вают, МПа; р„_)— разрушающее напряжение для труб пре­ дыдущей секции, МПа; дя — вес 1 м трубы секции, которую рассчитывают, Н; FTa,FT ( —площадь сечения труб рассчиты­ ваемой предыдущей секции, м2.

Формула (6.24), как и формула (6.23), не учитывает действия на колонну силы выталкивания.

Если скважина частично заполнена жидкостью, тогда си­ ла выталкивания, действующая на колонну, определяется объ­ емом ее погруженной части (рис. 6.2):

= ?P(L~H)Ft ,

(6.25)

где L —длина колонны, м; Н —уровень свободной поверх­ ности жидкости, м.

6.2.2. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА КОЛОННЫ НКТ НА ПРОЧНОСТЬ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ ИЗГИБАЮЩИХ УСИЛИЙ

Изгибающие усилия возникают в колонне НКТ в том случае, когда ее нижняя часть жестко закреплена с помо­ щью пакера либо ее хвостовик опирается на забой.

При размещении пакера в скважине хвостовик восприни­ мает изгибающие нагрузки, которые зависят от усилия, необ­ ходимого для раскрытия пакера, а также от перепада давления на пакере во время испытания пластов (рис. 6.2. д).

Нагрузка на пакер от веса труб для установки его в сква­

жине

 

G„ = О.ЗЕЗ'о (К„ -1),

(6.26)

где Е — модуль упругости резинового элемента пакера по начальному сечению, МПа, Е = 8,5 +■9,5 МПа;

S0 — площадь сечения уплотнителя до его деформирова­ ния, см2; К„ — коэффициент пакерования, К„ = 1,12 + 1,14.

Считают, что максимальная разностьдавления на пакере во вре­ мя испытания пласта равна допустимой депрессии на пласт. Тогда осевая сжимающая нагрузка на хвостовик, кН, при испытании

G„ = G„+0,lAp5'J)

(6.26А)

442

где 0,1 — коэффициент перевода размерностей; Ар — раз­ ность давлений на пакере, МПа; Ss — площадь сечения сква­ жины, см2.

Изгибающее напряжение в трубе хвостовика определяют по формуле

я EJ(DC- d mmew)

(6.27)

2Llw

где Е — модуль продольной упругости, для стали Е = = 2 ■10" Па, для алюминиевого сплава Е = 0,7 • 10" Па; J — экваториальный момент инерции площади сечения; L„ — дли­ на полуволны прогиба хвостовика; Dc — диаметр скважины; W —осевой момент сопротивления на изгиб; dmMeu —диаметр трубы хвостовика (внешний).

Экваториальный момент инерции площади сечения опре­

деляют по формуле

 

J = 0,05(d4m

J4

(6.28)

т.внеш

ат.вн),

 

где dmm —внутренний диаметр трубы хвостовика.

 

Осевой сегмент сопротивления на изгиб

(6.29)

W = 2J I dmgHem.

 

Длина полуволны прогиба определяется осевой нагрузкой

на хвостовик

 

 

L„ = S-9SjEJ/Qxt

(6.30)

Изгибающее напряжение в трубе хвостовика не должно превышать предельно допустимого [о]сж = 160 МПа.

Изгибающее напряжение возникает также в колонне НКТ в случае ее размещения над пакером (рис. 6.2, е). Кроме изги­ бающих усилий в верхней части колонны возникают усилия растяжения, а в нижней —сжатия. Усилия растяжения макси­ мальны в верхней части колонны:

Р=Рт - а щ-

(6-31)

Напряжения сжатия имеют максимальные значения в се­ чении соединения труб с пакером:

^сж'89

(6.32)

FT

где L,-сж -

длина сжатой части колонны, м; q — масса 1 м

труб колонны, кг (см. табл. 6.1); FT — площадь сечения тру­ бы, м2.

Длина сжатой части колонны определяется усилием, дей­ ствующим на пакер:

443

G

(6.33)

 

где p/)t pr, — плотность раствора и материала труб, кг/м3. Необходимые для раскрытия пакера усилия находят по фор­

муле (6.26) или по справочнику, Последовательность определения изгибающего напряжения в колонне НКТ такая же, как и при вы­ полнении расчетов хвостовика (см. формулы (6.27)—(6.30)).

При проведении гидропескоструйной перфорации (ГПП) су­ ществует опасность разрушения труб под действием внешнего усилия и внутреннего давления.

Допустимую глубину спуска одноразмерной колонны НКТ (любой марки стали длиной L,, L2, L3 и т.д.) определяют по фор­

муле

 

L = [(1000Qp.,,/10 - 106PyFJ/[9,81(qT- f o j ] ,

(6.34)

где L —допустимая глубина спуска НКТ, м; Qp H—разруша­ ющая нагрузка резьбы, кН; к,. —коэффициент запаса прочности труб (обычно принимают равным 1,3—1,5); FT—площадь внут­ реннего сечения НКТ, м2; ру —давление на устье, МПа; qt — масса 1 м трубы, кг/м; fT—поперечное сечение тела трубы, м2; рсн — плотность смеси жидкости с песком, кг/м3.

Т а б л и ц а 6.5

Характеристика разрушающей нагрузки для резьбы насосно-компрееоорных труб

Внешний

 

Разрушающая нагрузка резьбы, кН

 

диаметр* мм

А

К

Е

Л

М

 

Трубы гладкие (неравнопрочные)

 

 

60

208

274

302

356

411

73

294

387

426

503

580

89

446

585

645

760

877

Трубы с высаженными наружу концами (равнопрочные)

 

60

330

435

447

565

652

73

443

583

641

758

874

89

689

840

925

1092

1260

П р и м е ч а н и я : 1. Внутренняя площадь сечения отверстия трубы 19, 87; 30,19; 45,36 см 2 соответственно для 60- ,73- и 89-мм труб. 2. Площ адь се ­

чения тела трубы 6,68; 11,66 и

16,7 см 2 соответственно для 60- ,73- и 89-мм

труб. 3. Масса гладкой трубы

7; 9,46; 13,67 кг соответственно для 60- ,73-

и 89-мм труб. 4. М асса 1 м трубы с высаженными концами 7,07; 9,53 и 13,8 кг соответственно для 60- ,73- и 89-мм труб.

444

Характеристика труб приведена в табл. 6.5 Если предприятие не имеет достаточного количества НКТ

одного типа, чтобы спустить их до глубины нижних отверстий перфорации (L = Hdll), то составляют двухсекционную колон­ ну НКТ. Для этого проще всего вначале рассчитать допусти­ мую длину нижней секции более слабых труб с меньшим зна­

чением Qpll по формуле (6.34}

Д = Д,=Д.

(6.35)

После этого производят расчет по формуле (6.34) для более

прочных труб. Тогда длина верхней секции LB=

Нск — L,, где

Нск —глубина установки аппарата в скважине при условии, что нагрузку верхней секции рассчитывают на всю длину труб:

L=L2= Han.

(6.36)

Для составления колонны НКТ целесообразно взять трубы одного диаметра, желательно 73 мм.

Колонна НКТ в скважине подвергается растяжению от собственного веса и от действия давления на устье рг Если растяжение от собственного веса учитывается во время при­ вязывания аппарата перфорации (АП) к пластам, которые пер­ форируются ГПП, то растяжение от действия давления на ус­ тье нужно учитывать дополнительно.

Удлинение труб рассчитывается по формуле

Д/7.= Р} Гт(1-н +Аа)

(6.37)

2f TE

'

где LB, LH —длина НКТ соответственно верхней и нижней секции, м; Е —модуль Юнга для стали.

Для того чтобы АП разместился на заданной глубине Нап, необходимо уменьшить длину труб в скважине на их удлине­ ние

^„=Ни„-А1т-А1ш,-1 иф.

(6.38)

Примеры решения задач

Задача 1.

Рассчитать двухразмерную колонну НКТ, нахо­ дящуюся в скважине, полностью заполненной жидкостью, для следующих условий эксплуатации: плотность пластовой жид­ кости 900 кг/м3, плотность материала труб 8660 кг/м3; конст­ рукция колонны: диаметры внешний и внутренний 88,9 и 76 мм, длина верхней секции 1710 м, диаметры внешний и внут­ ренний 73 и 62 мм, длина нижней секции 1100 м.

445

Решение

1.Собственный вес комбинированной колонны с учетом

(6.13)

^[ о , 08892 - 0,0762] 1710•8660+

+^ (0 ,0 7 3 2 - 0,0622)11008660 = 358,31 кН.

2.Усилия разрушения резьбовых соединений для труб с глад­ кими концами определяем для верхней трубы, учитывая (6.14)

Р' = 3,14 0,0065 0,0876-380-10» = 363,32 кН.

1+ 0,°87—ctgQ,0625+0,306)

2 0,0473 SK

Расчет произведен для труб из стали группы прочности Д, 3. Усилия разрушения резьбовых соединений для труб с вы­

саженными концами по (6.15) p> = 3,14(O,O_8892- O,O762) 380 10t =

4

4. Допустимое усилие с учетом коэффициента запаса про­ чности =1,5):

[Р'] = — =^ ^ = 242,213 кН;

к1,5

р’

634,484 = 442,99 кН.

[ П = к

1,5

5. Расчетное усилие в верхней трубе больше предельно допус­ тимого для труб с гладкими концами и не превышает предельно допустимого усилия для труб с высаженными концами.

Задача 2.

Выполнить расчет по условию задачи 1 для труб, изготовленных по стандарту АНИ.

Решение

1. Находим усилия в верхнем сеченииколонны НКТ по методике, изложенной в задаче 1

Ри„ = 358,31 кН.

2. Наименьшее давление смятия для каждой секции (сталь группы прочности Н-40) по (6.16)

Ра,иэ =0,75-352 10

2,503

-0,046 = 36,170

МПа;

0,0889/0,0065

446

2,503 Рсмп =0,75-352 106 0,075/0,055 -0,046 = 37,642 МПа.

3. Предельное значение давления в трубах с учетом коэф фициента запаса прочности сопротивления смятию по (6.20)

Р'си88 9 =1,25-36,170 = 45,213 МПа;

=1,25-37,642 = 47,053 МПа.

4. Минимальное предельное значение внутреннего давле­ ния, при котором напряжение в теле трубы достигает предела текучести, в соответствии с (6.21):

1

0,875-2-0,0065-281-10*

^

0,0889

 

 

 

^73

0,875 ■2-0,0055-281-106

= 37,05 МПа.

 

0,073

 

5.Наименьшее предельное значение давления в трубах со­ ставляет 35,955 МПа. Эксплуатационное давление не должно превышать этого значения.

6.Определяем предельное усилие растяжения для трубы

верхней секции колонны:

9 = 281• 10* — (0,08892 -0,0762) = 469,184 кН.

'4

7.Предельное усилие растяжения больше действующей на­ грузки на колонну, следовательно, выбранная конструкция ко­ лонны соответствует условиям эксплуатации.

Задача 3.

Определить конструкцию колонны НКТ, исходя из соблюдения требований к прочности на растяжение. Мини­ мальный внутренний диаметр обсадной колонны 122 мм, глу­ бина скважины 1600 м.

Решение

1. Разрушающее усилие для гладких труб с внешним диа­ метром 73 мм и внутренним диаметром 62 мм, изготовленных из стали группы прочности Д (см. табл. 6.5)

Р' = 294 кН.

2.Масса и вес 1 м трубы (см. табл. 6.1) g = 9,46 кг, q = 94,6H.

3.Допустимая глубина подвески колонны по (6.23)

447

 

294 101-1.4 — (0,0732

-0,0622)40-106

Lд о и

___________ 4___________________

= 1727,w.

 

1,4-94,6

 

 

4. Фактическая глубина скважины меньше глубины подвески.

Задача 4.

Определить конструкцию колонны НКТ для скважины с минимальным внутренним диаметром обсадных труб 140 мм и глубиной 4000 м.

Решение

1.Предварительно принимаем следующую конструкцию колонны НКТ: верхняя секция — внешний диаметр 88,9 мм, внутренний диаметр 76 мм; нижняя секция — внешний диа­ метр 73 мм, внутренний диаметр 62 мм.

2.Разрушающее усилие для гладких труб нижней секции,

изготовленных из стали группы прочности Д (см. табл. 6.5). Р' = 294 кН.

3. Вес 1 м трубы нижней секции (см. табл. 6.1)

:94,6 Н.

4.Длина нижней секции по (6.23)

294■103 -1,4 3’14(0,07325-0 ,0622)40• 1067

Ьдон - "

= 1727 м.

 

1,4-94,6

5. Усилие разрушения для гладких труб средней секции, из­ готовленных из стали группы прочности Д (см. табл. 6.5)

Р' = 762,5 кН.

6.Вес 1 м труб секции (см. табл. 6.1) q = 136,7 Н.

7.Длина верхней секции по (6.24)

 

762,5 • 103 -1,4 •294•1033?14(0,08892 - 0,0762)

 

^ДОИ -"

________________4___________

= 2626 м.

1,4■136,7 3’14(0,0732 - 0,0622)

4

8. Фактическая длина верхней секции

Ц, = 40001727 = 2273 м.

9. Фактическая длина верхней секции не превышает пре­ дельно допустимой. Таким образом, принятая конструкция колон­ ны удовлетворяет требованиям к прочности на растяжение.

Задача 5.

Выполнить расчет одноразмерной колонны НКТ, находящейся в скважине, частично заполненной пластовой жид-

448

костью. Плотность пластовой жидкости 900 кг/м3; плотность ма­ териала труб 8660 кг/м3; колонна диаметром 88,9 мм спущена в скважину глубиной 1600 м (см. рис. 6.2, б); уровень размещения свободной поверхности жидкости в скважине Н = 920 м.

Решение

1. Вес одноразмерной колонны но (6.13)

р>кт=М1[о,08892 -0 ,0762] 1600•8660 = 321,027 кН.

2. Усилие разрушения резьбовых соединений с гладкими концами по (6.14)

Р' = 570,747кН.

3. Усилие разрушения резьбовых соединений для труб с вы­ саженными концами по (6.15)

Р" = — (0,08892 -0,0762)380-10л= 632,396 кН

4

4. Действующее усилие, возникающее в верхней части колонны, не превышает предельно допустимого.

Задача 6.

Определить допустимый уровень раствора в ко­ лонне НКТ во время испытания пластов. Испытатель пластов размещен на глубине 5000 м. Плотность раствора 1200 кг/м3. Колонна одноразмерная диаметром 73 мм (см. рис. 6.2, г). Не­ обходимое снижение уровня жидкости в НКТ — 2500 м. Под­ бираем трубы соответствующей группы прочности.

Решение

1. Определяем допустимый уровень снижения жидкости в трубах. Для стали группы прочности Н-40 получим

Lj. = 500036,8‘1<>6 =1874м.

Т1200 9,81

2. Глубина уровня жидкости в скважине

5000-1874= 3126 м.

3. Трубы Н-40 выдержат снижение уровня жидкости.

Задача 7.

Рассчитать колонну НКТ, размещенную над пакером. Глубина размещения пакера 3670 м; диаметр сква­ жины 120 мм; усилие раскрытия пакера 80,09 кН; внешний диаметр трубы 73 мм, внутренний — 62 мм, плотность раст­ вора 1200 кг/м3, плотность материала трубы 8660 кг/м3.

Решение

1. Усилие растяжения в верхнем сечении колонны в со­ ответствии с (6.31):

29 Заказ 39

449

Р =^ - ( 0.0732 - 0,0622 >3670-8660-

(0,0732 - 0 , 0622 >3670 -1200- 80,09 -105 = 239,06 кН.

4

2. Усилие растяжения не должно превышать предельного значения (см. табл. 6.5). Для труб с высаженными наружу кон­ цами диаметром 73 мм, изготовленных из стали группы проч­ ности Д, предельное усилие растяжения равно 443 кН.

3. Длина сжатой части колонны по (6.33)

.

80,09 103

= 995 м.

 

 

9,81-9,53! 1 --2°°1

18660)

4.Напряжение сжатия в нижнем сечении колонны по

(6.32)

стсж

995-9,81-9,53

79,8

МПа.

 

^ (0 ,0 7 3 2 - 0,0622)

5.Действующее напряжение сжатия не превышает пре­ дельного значения 79,8 < 160.

6.Экваториальный момент инерции по (6.28)

J=0,05(0,0734 -0 ,0624) = 0,68• 10^ м4

7.Осевой момент сопротивления на изгиб по (6.29) W = 2-0,68-10^70,073 = 18,63 10-4 м5.

8.Длина полуволны прогиба по (6.30)

=5,98. (21°" '°,6^‘3°'* = 7,793 м. 80,09-103

9.

Изгибающее напряжение по (6.27)

СТ.„, =

3,14■2• 1011• 0,68 • 10'6(0,120- 0,073) 27,85 МПа.

 

2-7,7932 1 8,63-10"

10.Изгибающее напряжение не превышает предельного

значения — [с]И1Г = 160 МПа.

Задача 8.

Рассчитать колонну НКТ для ГПП скважины в интервале 2500—2514 м, т.е. наибольшая глубина самого ниж­ него вырабатывающегося отверстия Наи = 2514 м. На пред­ приятии имеются неравнопрочные 73-мм НКТ из стали груп­ пы прочности М.

450

Соседние файлы в папке книги