2.19 Расчет обсадных колонн на прочность

Целью расчета обсадных колонн на прочность является проектирование равнопрочной колонны по всему интервалу крепления.

. Исходные данные для расчета и результаты расчета согласно инструкции [29] приведены в таблицах 41 - 42.

Таблица 41 – Исходные данные для расчета обсадных колонн

Наименование параметров, Единица измерения	Обозна-чение	Значение
Расстояние от устья скважины, м:
- до башмака колонны	L	2755
- до башмака предыдущей колонны	L0	705
- до уровня цементного раствора	h	2650
- до уровня жидкости в колонне при испытании	Нl	900
- до уровня жидкости в колонне в конце эксплуатации	Н	1000
- до кровли продуктивного пласта	S	2592
Длина участка цементного раствора	lц	795
Длина участка облегченного цементного раствора	lоц	1960
Удельный вес, Н/м3:
- бурового раствора за обсадной колонной	р	11300
- цементного раствора за колонной	ц	18300
- облегченного цементного раствора за колонной	гц	14200
- жидкости в обсадной колонне	в	8360
- гидростатического столба воды	гс	10000
- испытательной жидкости	ж	10000
Коэффициенты запаса прочности
- на избыточное наружное давление	n1	1,125
- на избыточное внутреннее давление	n2	1,15
- на растяжение	n3	1,3
Давление, МПа:
- пластовое на кровле продуктивного пласта	Рпл	26,2
- гидроразрыва	Ргр	44,2

Р исунок 5 – Эпюра избыточных наружных давлений.

Рисунок 6 – Эпюра избыточных внутренних давлений

Расчет части колонны от 100 до 2755м на растяжение производится с запасом прочности n_3, полученный с учетом ₀ = 1,5, град/10м по формуле (63):

, (63)

где - коэффициент запаса прочности на растяжение для обсадных труб с треугольной резьбой на изогнутом участке ствола;

 - коэффициент, учитывающий влияние размеров соединения и его прочностные характеристики;

₀ – интенсивность искривления труб.

Расчет длин секций обсадной колонны с различными толщинами стенок проводится снизу вверх, и проверяются условия прочности колонны по формулам (64 - 66):

- на смятие , (64)

- на разрыв , (65)

- на растяжение , (66)

P_КР>n_{1 HИL}, (67)

где P_кр - критическое давление для обсадных труб, МПa;

n₁ - коэффициент запаса прочности на наружное избыточное давление для первой снизу колонны в зоне эксплуатационного объекта ;

P_HИ - наружное избыточное давление на глубине L, МПа.

Критическое давление для обсадных труб с учетом двухосного нагружения рассчитывается по формуле (68):

, МПа , (68)

где Q – осевая растягивающая нагрузка на трубу, кН;

Q_Т – растягивающая нагрузка, при которой напряжение в теле трубы достигает предела текучести, кН.

Запас прочности на наружное избыточное давление для первой снизу секции колонны с учетом устойчивости коллекторов равен:

, МПа.

По [29] этому давлению соответствуют трубы группы прочности «Д», с толщиной стенки =8,5 мм, для которых P_кр=31,4 МПа, Р_т = 38,6 МПа, Р_стр = 872 кН, q =0,290 кН. трубы исполнения А, с резьбой треугольного профиля, которые составляют первую секцию.

Запас прочности на избыточное внутреннее давление на глубине эксплуатационного объекта равен:

,

3,2 > [1,15] (достаточно.)

Согласно эпюре наружное избыточное давление на верхнем конце первой секции на глубине 2618м составляет 19,8 МПа, тогда при критическое давление равно:

, МПа.

Согласно этому давлению принимаются трубы для второй секции группы прочности «Д», с толщиной стенки =7,7 мм, для которых P_кр=26,7 МПа, Р_т = 35,0 МПа, Р_стр = 794 кН, q =0,265 кН. Трубы исполнения А, с резьбой треугольного профиля.

Критическое давление для труб второй секции из условия двухосного нагружения, с учетом влияния растягивающих нагрузок от веса первой секции равно:

, МПа.

Глубина спуска второй секции равна 2618м.

Длина первой секции равна:

, м.

Вес первой секции составит:

, кН.

Третья секция комплектуется из труб группы прочности «Д», с толщиной стенки =7,0 мм, для которых P_кр = 22,4 МПа, Р_т = 31,8 МПа, Р_стр = 666 кН, q =0,229 кН. Трубы исполнения А, с резьбой треугольного профиля.

Критическое давление для труб третьей секции из условия двухосного нагружения, с учетом влияния растягивающих нагрузок от веса первой и второй секций равно:

, МПа,

, МПа.

Для полученного значения согласно эпюре избыточных наружных давлений глубина спуска третьей секции равна 1700м.

Длина второй секции равна:

, м.

Вес второй секции составит:

, кН.

Запас прочности на избыточное внутреннее давление для верхней трубы второй секции равен:

2,6 > [1,15] (достаточно).

Общий вес колонны:

, кН

Запас прочности на растяжение равен:

4,5 > 1,4 (достаточно).

Запас прочности на избыточное внутреннее давление для верхней трубы третьей секции равен:

2,2 > [1,15] (достаточно).

Длина последней секции, для которой толщина стенки подобранна из условия наружного избыточного давления и наружного внутреннего давления, определяется из расчета на растяжение с учетом коэффициента запаса прочности на растяжение для обсадных труб на изогнутом участке по формуле:

, м.

Тогда длинна третьей секции будет равна:

м.

Вес третьей секции составит:

, кН.

Общий вес колонны:

, кН.

Четвертую секцию составляют трубы группы прочности «Д», с толщиной стенки =7,7 мм, для которых P_кр = 26,7 МПа, Р_т = 35 МПа, Р_стр = 794 кН, q = 0,265 кН. Трубы исполнения А, с резьбой треугольного профиля.

Глубина спуска четвертой секции равна:

, м.

Критическое давление для труб четвертой секции из условия двухосного нагружения, с учетом влияния растягивающих нагрузок от веса первой, второй и третьей секций равно:

, МПа,

, МПа.

Для полученного значения согласно эпюре избыточных наружных давлений трубы четвертой секции могут быть установлены до устья. Соответственно вес четвертой секции равен:

, кН.

Запас прочности на избыточных внутреннее давление для верхней трубы четвертой секции равен:

.

2,4 > [1,15] (достаточно).

Общий вес колонны:

, кН.

Общий вес подобранных секций на условие:

,

.

Так как условие не выполняется, то длина четвертой секции, для которой толщина стенки подобранна из условия избыточных внешних и внутренних давлений, определяется из расчета на растяжение с учетом запаса :

м.

Вес четвертой секции составит:

, кН.

Общий вес колонны:

, кН

Пятая секция комплектуется из труб группы прочности «Д», с толщиной стенки =8,5 мм, для которых P_кр=31,4 МПа, Р_т = 38,6 МПа, Р_стр = 872 кН, q =0,290 кН. Трубы исполнения А, с резьбой треугольного профиля.

Глубина спуска пятой секции равна:

, м

Запас прочности на избыточное внутреннее давление для верхней трубы пятой секции равен:

,

2,7 > [1,15] (достаточно).

Длина пятой секции составит:

м

Вес пятой секции равен:

, кН

Общий вес колонны:

, кН

Шестая секция комплектуется из труб группы прочности «Д», с толщиной стенки =9,5 мм, для которых P_кр=37,1 МПа, Р_т = 43,1 МПа, Р_стр = 1000 кН, q =0,321 кН. Трубы исполнения А, с резьбой треугольного профиля.

Глубина спуска шестой секции равна:

, м.

Запас прочности на избыточное внутреннее давление для верхней трубы шестой секции равен:

,

2,7 > [1,15] (достаточно).

Длина шестой секции равна:

м.

Вес шестой секции составит:

, кН.

Общий вес колонны:

, кН.

Седьмая секция комплектуется из труб группы прочности «Д», с толщиной стенки =10,7 мм, для которых P_кр=43,7 МПа, Р_т = 48,6 МПа, Р_стр = 1147 кН, q =0,358 кН. Трубы исполнения А, с резьбой треугольного профиля.

Глубина спуска седьмой секции равна:

, м.

Запас прочности на избыточное внутреннее давление для верхней трубы седьмой секции равен:

3,4 > [1,15] (достаточно).

Длина седьмой секции составит:

м.

Длина седьмой секции принята 134м.

Вес седьмой секции равен:

, кН.

Общий вес колонны:

, кН.

Параметры обсадных колонн приведены в таблице 42

Таблица 42 – Расчет избыточных давлений и распределение их по длине колонн

№ колонны в порядке спуска	Название колонны	Способы расчета избыточных давлений		Распределение избыточных давлений по длине колонн
		наружное	внутреннее	глубина, м	наруж-ное, МПа	внутреннее, МПа
1 2	кондуктор эксплуатацион-ная	На момент окончания цементирования по столбу тампонажного раствора По столбу бурового раствора на момент окончания эксплуатации	При опрессов-ке в один прием без пакера При опрессов-ке в один прием без пакера	0 705 0 1400 2650	0 4,60 0 15,8 20,4	0,90 0,90 14,5 13,1 11,8
Примечание: - избыточные внутренние давления для расчета эксплуатационной колонны приняты из максимальных при цементировании МПа - давление опрессовки эксплуатационной колонны, оборудования устья, фонтанная арматура принимаются из максимальных внутренних избыточных давлений, возникающих при освоении РОПу = 12,5 МПа

Таблица 43 – Параметры обсадных колонн

Название колонны (тип резьбы)	Диаметр, мм	Номер равнопро-чной секции труб части колоны (снизу вверх)	Интервал установки по стволу, м	Марка стали	Толщина стенки, мм	Длина секции по стволу, м	Масса секции, кН
1	2	3	4	5	6	7	8
Направление (ОТТМА) Кондуктор (БТС) Эксплуатационная (БТС) Всего по э.колонне	324 245 146	1 1 1 2 3 4 5 6 7	60-0 705-0 2755-2592 2592-1700 1700-1506 1506-605 605-409 417-134 134-0	Д Д Д Д Д Д Д Д Д	9,5 7,9 8,5 7,7 7,0 7,7 8,5 9,5 10,7	60 705 163 892 192 902 189 283 134 2755	44,8 351,0 47,27 236,38 44,20 240,36 55,39 91,48 47,92

Продолжение таблицы 43

Нарастающая масса, кН	Давление опрессовки труб на поверхности, МПа	Коэффициент запаса прочности на
		избыточное давление		растяжение
		наружное	внутреннее
9	10	11	12	13
44,8 351,0 47,27 283,65 327,85 568,21 623,36 715,08 758,82 763,00	- - 14,5 14,5 14,5 14,5 14,5 14,5 14,5	- 2,4 1,3 1,125 1,125 1,125 1,125 1,125 1,125	- 2,6 3,2 2,6 2,2 2,4 2,7 3,0 3,4	- 6,4 - 2,8 1,4 1,4 1,4 1,4 1,4