технология бурения 3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рисунок 17.12 – Схемы уровней жидкостей в скважине для расчета обсадных колонн

Для нефтяных скважин внутреннее давление на глубине z (Pвz) в период ввода в эксплуатацию при закрытом устье (схема а на рисунке 17.12) определяют по формуле:

где ρн – плотность нефти.

Расчет внутренних давлений в нефтяных скважинах при вызове притока, испытании на герметичность снижением уровня и по окончании эксплуатации (схемы б, в на рисунке 17.12) производят по формулам:

Выбор значений уровней жидкости Н на различных этапах жизни скважины можно взять согласно таблице 17.7.

Внутреннее давление в колонне на глубине z при выполнении работ, связанных с нагнетанием жидкости в скважину (интенсификация, гидроразрыв, ремонтные работы и др.), определяют по следующим формулам.

Таблица 17.7

Положение уровня жидкости Н в скважине

227

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При отсутствии дополнительно спущенных труб и пакера (нагнетание непосредственно по колонне) (рисунок 17.13):

Рисунок 17.13 – Расчетные схемы при нагнетании жидкости в скважину по обсадной колонне (а) и нагнетании через дополнительную колонну труб с пакером (б, в).

где P – дополнительное давление (репрессия), необходимое для обеспечения выхода жидкости из колонны при ее закачке в пласт (определяется опытным путем, выдается геологической службой); ρж – плотность жидкости, закачиваемой в пласт.

По этим же формулам определяют внутреннее давление на глубине z при нагнетании жидкости через дополнительно спущенную колонну труб с пакером на глубине Lп ≤ L` и Lп ≤ Lд (рисунок 17.13 б, в).

228

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При расчете колонн для газовых скважин в период ввода их в эксплуатацию (рисунок 17.12 г) внутреннее давление на глубине z (Рвz) определяют по формулам:

где m – коэффициент сжимаемости газа, он зависит от давления и температуры и обычно меняется в пределах 0,8–1,1; Tср – средняя температура по

стволу скважины, 0К; ρог – относительная плотность газа по воздуху. Для первых двух-трех разведочных скважин ρог можно принять равным 0,6.

Распределение внутреннего давления по длине колонны допустимо принимать линейным и рассчитывать по формуле:

где РвL – внутреннее давление на глубине L; Рву – внутреннее давление на устье при его герметизации.

При L ≤ 1000 м и РплL ≤ 10 МПа, а также при РплL ≤ 4,0 МПа и любой глубине пласта допустимо считать, что внутреннее давление по всей глубине скважины равно пластовому.

При расчете колонн газонефтяных и газовых скважин, в которых при закрытом устье одновременно имеется столб нефти (жидкости) и газа (рисунок 17.12д), на всех стадиях эксплуатации внутреннее давление определяют по формулам

где S определяют по формулам (17.20, 17.21), подставляя вместо L значение H.

Значение H при Pнас < PплL, т.е. при наличии в пласте только нефти с растворенным газом, определяют по формуле:

где ρн принимается по плотности нефти в пластовых условиях.

229

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

На участке от устья до глубины Н распределение давления допустимо принимать линейным:

Н давление на участке от устья до глубины Н можно принимать постоянным и равным Рвн.

При Рнас > РплL принимают H = L (колонна заполнена газом) и расчет внутреннего давления производят как для газовой скважины.

При определении наружных давлений (Рн), действующих на обсадную колонну, руководствуются следующими условиями.

В незацементированной зоне наружное давление на колонну на глуби-

До затвердевания цементного раствора наружное давление по всей дли-

не колонны (h ≤ z ≤ H) на глубине z определяют на момент окончания процесса продавливания тампонажного раствора и рассчитывают с учетом давления составного столба промывочной жидкости и тампонажного раствора.

После затвердевания цемента в зацементированной зоне в интервале межколонного пространства (h ≤ z ≤ L0)(закрепленном предыдущей колонной), наружное давление на глубине z (Pнz) определяют по давлению составного столба бурового раствора и гидростатического столба воды плотностью ρгс = 1100 кг/м3. При затворении цементного раствора минерализованной водой вместо ρгс используется плотность этой жидкости (но в любом случае ее значение должно быть не менее 1100 кг/м3).

Взацементированной зоне открытого ствола (рисунок 17.14) наружное давление на колонну после ОЗЦ определяют с учетом пластового или горного давления, апротивнепроницаемыхустойчивыхпород – по формуле (17.29).

Винтервале пластов с известным пластовым давлением (рисунок 17.14) наружное давление принимают равным пластовому и определяют для середины пласта, при его толщине менее 200 м принимают Pнz = Рплz .

230

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Впластах толщиной более 200 м наружное давление в интервале пласта распределяется между кровлей и подошвой по линейной зависимости.

Расчет наружного давления в интервале залегания пород, склонных к текучести, производят по горному (геостатическому) давлению

где ρгп – плотность вышележащих горных пород.

Рисунок 17.14. – Определение наружных давлений, действующих на обсадную колонну

Расчет по формуле (17.30) производят для интервала, равного толщине пласта + 100м (по 50 м выше кровли и ниже подошвы пласта).

Как правило, наружное давление определяют для характерных точек и распределение давления между ними принимают линейным (рисунок 17.14).

В любом случае расчетное наружное давление, действующее на обсадную колонну, не может быть меньше гидростатического давления столба воды плотностью ρгс = 1100 кг/м3.

231

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Избыточное наружное давление на глубине z (Рниz) в общем случае определяют как разность между наружным и внутренним давлениями:

Рниz = Pнz - Рвz .

Его определяют для характерных точек с учетом формул для определения наружного и внутреннего давлений на время, когда наружные избыточные давления достигают максимальных значений, а именно:

-при окончании цементирования;

-при испытании колонн на герметичность снижением уровня;

-при окончании эксплуатации скважины.

При определении наружного давления в зацементированной зоне согласно «Инструкции…» [8] приняты следующие допущения:

-схватывание и твердение тампонажного раствора происходит без объемных изменений, поэтому наружное давление на колонну во весь период твердения тампонажного раствора остается неизменным;

-цементный камень и окружающие породы являются упругими телами с одинаковыми модулями упругости и коэффициентами Пуассона, поэтому рассматриваются как единая оболочка вокруг колонны;

-при уменьшении давления внутри колонны снижается и наружное давление, однако, радиальная деформация колонны происходит без

нарушения ее сцепления с цементной оболочкой.

Для учета этих допущений при расчете наружного избыточного давления в зацементированной части разреза вводится коэффициент разгрузки цементного камня (К), величина которого зависит от диаметра обсадной колонны (таблица 17.8).

В общем случае наружное избыточное давление будет определяться уравнением:

РниL = [(Pгст.ц.р. + Ргст.пр.ж.) – Ргст.нефт.] . (1-К), (17.31)

где Pгст.ц.р – гидростатическое давление цементного раствора за обсадной колонной; Ргст.пр.ж. – гидростатическое давление промывочной жидкости за обсадной колонной; Ргст.нефт. – гидростатическое давление столба нефти в скважине;

232

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Избыточное внутреннее давление на глубине z (Рвиz) определяют как разность между внутренним и наружным давлениями, для одного и того же момента времени.

Как правило, оно максимально при испытании колонны на герметичность опрессовкой. Поэтому в формуле (17.32) принято:

Р`вz – внутреннее давление при испытании колонн на герметичность, зависит от диаметра обсадных колонн (таблица 17.9);

Pнz – наружное давление (учет горного давления не производится).

Внутренние избыточные давления рассчитываются для характерных точек, а распределение давления между ними принимается линейным.

Для скважин с нормальными условиями бурения и эксплуатации расчет избыточных внутренних давлений в зацементированной зоне производят с учетом разгрузки цементного камня по формуле:

Рви = {(1,1Ру + ρож . gL) – [ρц . g . (L – h) + ρпж. gh]} (1 – K) (17.33)

Таблица 17.9. Минимально необходимое (нормативное) избыточное внутреннее устьевое давление

при испытании на герметичность (Роп.норм.)

Полученные значения внутренних и наружных избыточных давлений для характерных глубин откладывают в принятом масштабе, соединяя между собой прямолинейными отрезками (рисунок 17.15), получая обобщенные эпюры Рни и Рви.

17.2.4. Проектирование обсадной колонны

На следующем этапе конструируют (расчитывают) обсадную колонну. Как правило, расчет ведут снизу вверх, начиная подбор секций труб с расчета на наружное избыточное давление и проверяя подобранные секции на внутреннее давление и растяжение. Прочностные характеристики обсадных труб приведены в приложениях.

233

Ркр>(n1 Рниl), начиная с труб наименьшей группы прочности «Д». Если трубы группы прочности «Д» не удовлетворяют условию прочности, то переходят к трубам более высокой группы прочности.

Для выбранных труб определяют запас прочности на внутреннее избыточное давление n2 (таблица 17.2) на глубине кровли эксплуатационного объекта мощностью l1. Если найденный запас окажется меньше допустимого, то подбор труб этой секции производят по избыточному внутреннему давлению.

Далее по эпюре определяют наружное избыточное давление на верхнем конце 1-й секции (на глубине L1), и подбирают трубы с Ркр > n1 РниL1 (n1 = 1), из которых и составляют 2-ю секцию. Для труб 2-й секции определяют значение Р1кр из условия двухосного нагружения, с учетом влияния растягивающих нагрузок от веса 1-й секции длиной l1

где Q – осевая растягивающая нагрузка на трубу; Qт – растягивающая нагрузка, при которой напряжение в теле трубы достигает предела текучести.

Для полученного значения Р1кр по эпюре определяют уточненную глубину спуска 2-й секции L11 (L11 < L1) и уточненную длину 1-й секции l11 = L – L11. Определяют вес 1-й секции Q11.

Для определения длины 2-й секции выбирают трубы 3-й секции с меньшей по сравнению со 2-й секцией прочностью. Определяют соответствующее им Ркр, а по эпюре находят глубину L2, при которой расчетное наружное избыточное давление будет равно найденному значению. Длина 2-й секции из условия одноосного нагружения l2=L11-L2. Определяют вес

секции Q2.

Определяют величину Р1кр для труб 3-й секции для условий двухосного нагружения с учетом влияния растягивающих нагрузок от веса 1-й и 2- й секции (Q1 + Q2). Для полученного значения Р1кр по эпюре определяют уточненную глубину спуска 3-й секции L12 (L12 < L2) и длину l12 = L11 –L12. Определяют вес секции Q2. Далее производят расчет на внутреннее избыточное давление для верхней трубы 2-й секции. Если запас прочности n2=Pт/Рвиz окажется недостаточным, то длину 2-й секции определяют из расчета на внутреннее давление. Для этого определяют допустимое давление для труб этой секции, равное Рт/n2, и по эпюре внутренних избыточных давлений устанавливают глубину Р1кр верхней границы секции и определяют уточненный вес 2-й секции Q12 .

Для определения длины 3-й секции необходимо выбрать трубы для 4-й секции. По соответствующему значению Ркр и эпюре наружного избыточ-

235

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ного давления найти глубину L3, на которой расчетное давление равно найденному. Длина 3-й секции из условия одноосного нагружения

равна l3 = L12 - L3. Определяют вес секции Q3.

Определяют величину Р1кр для труб 4-й секции из условия двухосного нагружения с учетом влияния растягивающих нагрузок от веса 1-, 2-, 3-й секций.

Для полученного значения Р1кр по эпюре наружного избыточного давления определяют уточненную глубину спуска 4-й секции L13 (L13<L3) и длину l13= L12 –L13. Определяют вес секции Q13. Производят проверочный расчет 3-й секции на внутреннее давление.

Аналогично подбирают последующие секции колонны. При этом одновременно определяют общий вес всех уже подобранных секций, и каждый раз проверяют условие Q < [P]. Для труб с резьбой треугольного профиля [P]= Pст/n3. Значение n3 в таблице 17.5.

Для труб с резьбой трапецеидального профиля значение допускаемых нагрузок [Р] приведены в справочной литературе.

Если Q окажется близким к [Рст], то длину последней секции, для которой толщина стенки подобрана из условий внешнего и внутреннего давления, определяют из расчета на растяжение по формуле

Последующие секции обсадной колонны также подбирают расчетом на растяжение из более прочных труб. Затем вычисляют допустимую длину секции. Таким образом, для верхней части колонны секции подбирают до тех пор, пока общая длина всех подобранных секций не окажется равной глубине скважины или не превысит ее.

Подбираемые секции верхней части одновременно проверяют на избыточное внутреннее давление.

17.2.5. Особенности расчета обсадных колонн для наклонно-направленных и горизонтальных скважин

Расчет обсадных колонн для наклонно направленных скважин производят с учетом планируемого профиля на стадии проектирования или по фактическим данным инклинометрии ствола скважины.

Основное отличие расчета обсадных колонн для наклонно направленных скважин от расчета для вертикальных скважин заключается в определении запаса прочности на растяжение, который производится в зависимости от интенсивности искривления ствола скважины, а также расчета наружных и внутренних давлений с учетом удлинения ствола скважины [8].

Расчет наружного и внутреннего избыточного давлений производят по формулам, приведенным в разделе 17.2.3. При этом расчетные глубины

236