2.5 Расчет обсадных колонн на прочность

2.5.1 Расчет направления на прочность.

Направление D_н - 324 мм – определяются только весовые характеристики обсадной колоны.

Принимаем обсадные трубы - 324 x 9,5, Д ОТТМБ ГОСТ 632-80 для которых:

- сминающее давление, Р_кр = 5,9 МПа;

- допустимое внутреннее давление Р_вн =19,5 МПа

- допустимая растягивающая нагрузка Р_стр = 2040 кН;

- вес погонного метра g₁= 758 Н.

Определяем вес первой секции по формуле:

Q₁ = g₁, (25)

где Q₁ - вес первой секции, кН;

- длина первой секции по профилю, м;

g₁ - вес погонного метра, g₁ =758 н/м;

Q₁ = 50 0,758 = 37,9 кН

2.5.2 Расчет кондуктора на прочность.

Исходные данные:

- глубина спуска кондуктора – 350 м;

- давление опресовки = 9,2 МПа;

- давление пласта = 15,8 Мпа;

- плотность нефти - _н = 880 кг/м³;

- плотность бурового раствора за колонной - _б.р = 1100 кг/м³;

- плотность опресовочной жидкости _ж = 1020 кг/м³.

Определяем давление на устье скважины в период ввода ее в эксплуатацию, по формуле:

(26)

Значит, 1,1 ^. Р_у < Р_оп, то есть 1,1 ^. 2,3 = 2,53 < 9,2 МПа, следовательно, в формулы определения внутренних избыточных давлений нужно подставлять Р_оп = 9,2 МПа.

Наружные избыточные давления. В зависимости от высот уровней жидкости определяются наружные избыточные давления, по формуле:

Р_ни.z - 10^{-5 . .} Z, (27)

где Р_ни.z - наружные избыточные давления, МПа;

- плотность цементного раствора, кг/м³;

Z – глубина определяемого давления, м;

Р = 10^{-5 .} 1501 ^. 0 = 0

Наружные избыточные давления во время возможного нефтепроявления, для случая Z = L определяем по формуле:

(28)

где - наружные избыточные давления, МПа;

- плотность цементного раствора, кг/м³;

- плотность нефти, кг/м³;

L - глубина скважины по вертикали, м;

- плотность бурового раствора кг/м³;

МПа

Внутреннее избыточное давление в период испытания колонны на герметичность в один приём без пакера, определяем по формуле:

о<z<h; P_виz = P_оп -10^-5 (р_бр – р_ж) Z, (29)

где Р_ниz - наружные избыточные давления, МПа; Р_бр -плотность бурового раствора, кг/м³;

р_ж -плотность опресовочной жидкости, кг/м³;

Z=0; Р_вн = 9,2 - 10^-5 (1100 - 1020) 0 = 9,2 МПа,

Z = h ;

Внутреннее избыточное давление в период испытания колонны на герметичность в один приём без пакера при Z = L определяем по формуле:

(30)

где Р_вниL - внутреннее избыточное давление в период испытания, МПа;

Р_оп - давление опресовки эксплуатационной колонны, МПа;

_бр - плотность цементного раствора, кг/м³;

_ож - плотность опресовочной жидкости, кг/м³;

L - глубина скважины по вертикали, м;

_бр - плотность бурового раствора, кг/м³;

Так как эпюры наружных и внутренних давлений Р_ни и Р_вн, незначительны, то эпюра не строится.

При выборе секций колонны принимаем следующие запасы прочности:

- На смятие:

- n₁ = 1,15 - для зоны перфорации;

- n₁ = 1,0 - для остальной части колонны.

- На внутреннее давление n₂ = 1,15;

- На страгивание резьб n₃ = 1,3.

Для первой секции необходимо принять трубы, для которых действует

неравенство:

Р_кр > Р_ниL n₁, (31)

Определяем критическое давление по формуле:

Р_кр = Р_ниL n₁, (32)

где Р_кр - критическое давление, МПа;

Р_ниL - наружные избыточные давления, МПа;

n₁ - запас прочности на смятие для зоны перфорации;

Р_кр= 2,7 1= 2,7 МПа

Этому давлению соответствуют трубы 245 х 8,9 «Д», для которых:

- сминающее давление Р_кр = 10 МПа;

- вес погонного метра g₁ = 602 Н;

- допустимое внутреннее давление Р = 24,2 МПа;

- допустимая растягивающая нагрузка Р_стр = 1630 кН.

Длину секций определяем из расчета на страгивание по формуле:

(33)

где - длина секции, м;

Р_стр = 1630 - страгивающая нагрузка, кН;

n₁ - запас прочности на страгивание резьб;

g₁ = 602 - вес погонного метра труб, н/м;

м

Исходя из глубины, требуемую длину секции принимаем равной длине колонны:

где L₁ - длина секции, м;

- длина ствола по профилю, м.

м

Определяем вес секции по формуле:

Q₁ =L₁ g₁, (34)

где Q₁ - вес секции, кН;

L₁- длина секции по профилю, м;

g₁ = 602 - вес погонного метра, н/м;

кН

2.5.3 Расчет эксплуатационной колонны на прочность.

Исходные данные:

- глубина скважины по вертикали – L = 1610 м;

- по стволу – L_с = 1735 м;

- высота подъема цементного раствора за колонной по вертикали от устья – h = 0 м;

- уровень жидкости в колонне на стадии окончания эксплуатации по вертикали – Н - 800 м;

- длина зоны перфорации – l_з.п.= 40 м;

- давление опресовки 12,7 МПа;

- давление пласта 15,8 Мпа;

- диаметр эксплуатационной колонны – D_э.к.= 146 мм;

- плотность нефти -_н = 880 кг/м³;

- плотность бурового раствора за колонной - _б.р = 1100 кг/м³;

- плотность опресовочной жидкости _ж = 1020 кг/м³.

Определяем давление на устье скважины в период ввода ее в эксплуатацию, по формуле:

(35)

Значит, 1,1 ^. Ру < Р_оп, то есть 1,1 ^. 2,3 = 2,53 < 12,7 МПа, следовательно, в формулы определения внутренних избыточных давлений нужно подставлять Р_оп = 12,7 МПа.

Наружные избыточные давления. В зависимости от высот уровней жидкости определяются наружные избыточные давления, по формуле:

Р_ни.z - 10^{-5 . .} Z, (36)

где Р_ни.z - наружные избыточные давления, МПа;

- плотность цементного раствора, кг/м³;

Z – глубина определяемого давления, м;

Р = 10^{-5 .} 1501 ^. 0 = 0

Наружные избыточные давления на стадии окончания эксплуатации скважины, для случая Z = L определяем по формуле:

(37)

где - наружные избыточные давления, МПа;

- плотность цементного раствора, кг/м³;

- плотность нефти, кг/м³;

L - глубина скважины по вертикали, м;

- плотность бурового раствора кг/м³;

Н - уровень жидкости в колонне на стадии окончания эксплуатации, м;

к = 0,25 - коэффициент разгрузки цементного камня;

МПа

Внутреннее избыточное давление в период испытания колонны на герметичность в один приём без пакера, определяем по формуле:

о<z<h; P_виz = P_оп -10^-5 (р_бр – р_ж) Z, (38)

где Р_ниz - наружные избыточные давления, МПа; Р_бр -плотность бурового раствора, кг/м³;

р_ж -плотность опрессовочной жидкости, кг/м³;

Z=0; Р_вн = 12.7 - 10^-5 (1100 - 1020) 0 = 12,7 МПа,

Z = h ;

В нутреннее избыточное давление в период испытания колонны на герметичность в один приём без пакера при Z = L определяем по формуле:

(39)

где Р_вниL - внутреннее избыточное давление в период испытания, МПа;

Р_оп - давление опресовки эксплуатационной колонны, МПа;

_бр - плотность цементного раствора, кг/м³;

_ож - плотность опресовочной жидкости, кг/м³;

L - глубина скважины по вертикали, м;

_бр - плотность бурового раствора, кг/м³;

Мпа

По полученным данным строим эпюры наружных и внутренних давлений Р_ни и Р_вн.

При выборе секций колонны принимаем следующие запасы прочности:

- На смятые:

- n₁ = 1,15 - для зоны перфорации;

- n₁ = 1,0 - для остальной части колонны.

- на внутреннее давление n₂ = 1,15;

- на страгивание резьб n₃ = 1,3.

Для первой секции необходимо принять трубы, для которых действует

неравенство:

Р_кр > Р_ниL n₁, (40)

Определяем критическое давление по формуле:

Р_кр = Р_ниL n₁, (41)

где Р_кр - критическое давление, МПа;

Р_ниL - наружные избыточные давления, МПа;

n₁ - запас прочности на смятые для зоны перфорации;

Р_кр= 16,9 1,15 = 19,4 МПа

Этому давлению соответствуют трубы 146х 7 «Д», для которых:

- сминающее давление Р_кр = 20,3 МПа;

- вес погонного метра g₁ = 247 Н;

- допустимое внутреннее давление Р = 31,8 МПа;

- допустимая растягивающая нагрузка Р_стр = 730 кН.

Длину секции определяем из расчета перекрытия зоны перфорации плюс 100 200 м.

Определяем длину секции по вертикали по формуле:

= l_зп + (100 + 200), (42)

где - длина секции по вертикали, м;

- длина зоны перфорации, м;

=40 + 200 = 240 м

Определяем длину первой секции по профилю по формуле:

(43)

где - длина первой секции по профилю, м;

- длина секции по вертикали, м;

- максимальный угол наклона ствола скважины;

м

Определяем вес первой секции по формуле:

Q₁ = g₁, (44)

где Q₁ - вес первой секции, кН;

- длина первой секции по профилю, м;

g₁ - вес погонного метра, g₁ = 247 н/м;

Q₁ = 257,5 0,247 = 63,61 кН

По эпюре Р_ни давление на «голове» первой секции на глубине по профилю L₁ = L_скв - 1₁ = 1610 – 257,5 = 1352,5 м, равно Р_ниL = 14 МПа.

Для второй секции необходимо взять трубы 146 х7 «Е», для которых:

- сминающее давление, Р_кр = 20,3 МПа;

- допустимое внутреннее давление Р_вн =31,8 МПа;

- допустимая растягивающая нагрузка Р_стр = 730 кН;

- вес погонного метра g₂= 247 Н.

Полную длину определяем из расчета на страгивание по формуле:

(45)

где - полная длина второй секции, м;

Р_стр = 730 - страгивающая нагрузка, кН;

n₂ - запас прочности на страгивание резьб;

Q₁ - вес предыдущей секции, кН;

g₂ = 247 - вес погонного метра труб, н/м;

м

Исходя из глубины, требуемую длину второй секции определяем по формуле:

(46)

где L₂ - длина второй секции, м;

- длина ствола по профилю (до забоя скважины), м;

- длина первой секции по профилю, м;

L₂ = 1680 – 257,5 = 1422,5 м

Определяем вес второй секции по формуле:

Q₂ =L₂ g₂, (47)

где Q₂ - вес третьей секции, кН;

L₂- длина второй секции по профилю, м;

g₂ = 247 - вес погонного метра, н/м;

кН

Вес всей эксплуатационной колонны определяем по формуле:

(48)

где - вес всей эксплуатационной колонны, кН;

Q₁ - вес первой секции, кН;

Q₂ - вес второй секции, кН;

Q_эк = 63,61 + 364,94 = 535,48 кН

Таблица 14– Характеристика эксплуатационной колонны

Номер секций	Толщина стенки мм	Группа прочности стали	Длина секций м	Вес секции, кН
1	7	«Д»	257,5	63,61
2	7	«Д»	1477,5	364,94
	итого		2136	535,48