6.1. Условия работы обсадных колонн

Основное назначение обсадных колонн это разобщение вскрываемых бурением пластов друг от друга. При бурении скважин, ее эксплуатации, проведение ремонтно-изоляционных работ, пластовые условия изменяются. Изменяются и условия работы обсадных колонн. На последнюю в основном действуют силы, вызывающие сминающие (наружные избыточные), внутренние (разрывающие), страгивающие (растягивающие) и сжимающие напряжения. Их величины не постоянны как во времени, так и на различных стадиях работы скважины, как технического сооружения. Рассмотрим вкратце их изменение в процессе спуска, цементирования, эксплуатации и т.д.

Спуск в скважину. При спуске на обсадную колонну действует растягивающая сила от собственного веса труб; выталкивающая сила жидкости; растягивающая сила от веса жидкости в колонне; сила трения между колонной и стенками скважины; осевые силы инерции колонны и жидкости, находящейся в колонне и в заколонковом пространстве, гидродинамическая осевая сила, возникающая вследствие движения промывочной жидкости, вытесняемой из скважины или прокачиваемой для промывки последней; радиальные статические и гидродинамические давления на наружную и внутреннюю поверхность труб; изгибающий момент от составляющей собственного веса наклонно расположенных участков колонны и от разности давлений жидкости на нижнюю и верхнюю поверхности их. Осевая сила от гидродинамического давления при прямой промывке является всегда сжимающей. Сила трения в момент приподнимания колонны с ротора или при расхаживании являются растягивающими, тогда как при перемещении колонны вниз - сжимающими.

Цементирование. В период цементирования колонны с расхаживанием на нее действуют те же силы, что и при спуске, но величина их существенно меняется. Поскольку обычно ускорение при расхаживании колонны мало, величина силы инерции самой колонны меньше, чем при спуске, но значительно могут возрасти осевые силы, обусловленные гидродинамическим давлением; сила веса жидкости в колонне в период движения в ней тампонажного раствора больше нежели при движении промывочной жидкости вследствие большей плотности первого, выталкивающая сила после вытеснения тампонажного раствора также выше. В момент посадки цементировочной пробки на кольцо - стоп на колонну передается сила гидравлического удара.

В процессе ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) гидростатическое давление снижается, вследствие седиментационных процессов из-за оседания твердой фазы на стенки колонны вес последней увеличивается.

Изменение температурных условий при твердении тампонажных растворов приводит, вследствие деформации колонны, к возникновению дополнительных осевых нагрузок и т.д.

Бурение. После образования цементного камня в кольцевом пространстве обсадную колонну натягивают с некоторым усилием и соединяют с предыдущей так, что, осевое перемещение одной колонны относительно другой, как правило, оказывается невозможным. Любое изменение давления или температуры в скважине сопровождается соответствующей деформацией обсадной колонны, а если деформация невозможна - возникают дополнительные осевые и радиальные силы которые в основном будут отражаться на предыдущей колонне.

Периодически, например, в период спускоподъемных операций, на колонну действуют динамические нагрузки. Внутренняя поверхность промежуточной колонны изнашиваются в результате трения о нее долот, бурильных замков и других предметов при многократных СПО и вращении бурильной колонны.

Освоение и эксплуатация скважины. При освоении и эксплуатации скважины на эксплуатационную колонну действует тот же комплекс сил, что и на промежуточную колонну в период бурения, однако количественные значения этих сил существенно изменяются. Так при освоении скважины для получения притока из пласта давление внутри колонны уменьшают, существенно меняется температура обсадной колонны.

В период эксплуатации скважины интенсивность коррозионных процессов увеличивается.

Характер распределения разных сил по длине колонны неодинаков. Нижний, сравнительно небольшой длины, участок обычно находится в сжатом состоянии, причем максимум напряжения приходится на нижний конец, минимум (вплоть до нуля) на верхний. Верхний участок всегда растянут, напряжения возрастают от нуля от нижней границы до максимума у устья. Иначе распределены силы радиального давления. В период работы, когда внутреннее давление меньше наружного (при спуске колонн, без долива, при понижении уровня и т.д.) избыточное наружное давление с глубиной увеличивается. При цементировании, при фонтанной эксплуатации и в других случаях в колонне существует избыточное давление, которое с глубины уменьшается.