Расчет равнопрочной обсадной колонны

Материал обсадных труб
Трубы готовят из углеродистых и легированных сталей. Предпочтение отдается углеродистым сталям группы прочности D, как более дешевым и, что важнее, колонна получается с большей толщиной стенки, а значит у нее больше запас на коррозию.
Группа прочности D K E L M P
предел текучести
стали, σs, МПа 373 490 539 637 735 930

Варианты конструкций скважины
С хвостовиком С технической колонной и хвостовиком
Хвостовик
Техническая колонна

Понятие о равнопрочной колонне
Для обеспечения минимального веса обсадной колонны ее выполняют равнопрочной, т.е. по всей длине запас прочности должен быть равным допускаемому. Поскольку колонна испытывает разные виды нагрузок, то расчет ведется по основной нагрузке для рассматриваемой части колонны и проверяется на другие виды нагрузок.
Сначала трубы проверяются на внутреннее избыточное давление.
Нижняя часть колонны испытывает высокие сминающие давления. Поэтому сначала делают расчет на смятие, а потом проверяют на растяжение и внутреннее избыточное давление.
Верхняя часть колонны испытывает высокие растягивающие нагрузки от собственного веса. Эта часть колонны рассчитывается на растяжение.

Проверка колонны на внутреннее избыточное давление
Технические расчеты делятся на два вида: проектировочные и проверочные. Для осадных труб до диаметра 193,7 мм на внутреннее избыточное давление чаще всего достаточно выполнить проверочный расчет, т.к., как правило, эти трубы даже с минимальной толщиной стенки обеспечивают достаточный запас прочности.
Условие предупреждения разрыва трубы внутренним избыточным давлением рвни имеет вид
pвни ≤ рвп /[kвн] (3.1)
где рвп – предельное для трубы внутреннее давление; [kвн] – допускаемый запас прочности при действии внутреннего давления.
Допускаемый запас прочности на внутреннее давление для труб диаметром меньше и равным 219,1 принять [kвн] = 1,15, а для труб диаметром больше 219,1 мм - [kвн] = 1,45.

Расчет ожидаемого внутреннего давления на устье скважины
Максимальное внутреннее избыточное давление имеет место на устье скважины, где наружным (атмосферным) давлением можно пренебречь.
В курсовой работе рассмотреть два случая высокого внутреннего давления на устье скважины:
1) в конце цементирования;
2) при испытании скважины на приток пластового флюида.

Расчет максимального внутреннего
давления в конце цементирования
Расчетная схема:
Характерные точки:
0 – устье скважины (начало отсчета);
А – глубина уровня цемента за колонной. В рассматриваемом
примере zА = 200 м;
D – глубина спуска колонны.
В рассматриваемом примере
zА = 200 м; zD = 2870 м; ρц = 1850 кг/м3.
1 – колонна труб диаметром 146 мм;
2 – промывочная жидкость с плотностью,
на которой было закончено бурение
под эту колонну (1,18);
3 – цементный раствор. 4 – манометр.

Максимальное давление на устье в конце цементирования
Расчет
Условие равновесия давлений в т. D
ру + ρgzD = ρgzА +ρцg(zD – zА). (1)
Отсюда давление на устье в конце цементирования
ру = ρgzА +ρцg(zD – zА) - ρgzD.
руц=1,18*9,81*0,2+1,85*9,81*(3,0-0,2)-1,18*9,81*3,0 = 20,2 МПа.
Для краткости все слагаемые сокращены на 10-6,
т.е плотность подставлена в относительных величинах,
а глубина в км.
Уравнение (1) удобно просчитать по частям, как показано
на следующем слайде и подсчитать внутреннее избыточное давление рвни = рвн – рн

Внутреннее давление на устье в конце испытания
Расчетная схема:
1 – нефть плотностью 800 кг/м3;
2 – продуктивный пласт.
3 – эксплуатационная колонна;
4 – манометр
Расчет:
руи = рп6 − ρнgzз6.
В формулу следует подставлять пластовое давление и глубину замера в продуктивном (6-м) пласте не зависимо от конструкции скважины:
руи = 31 – 0,8*9,81*2,8 = 9,02 МПа

Принятие решения
Выбираем из двух расчетов больший результат (рвмах).
Большим оказалось давление в конце цементирования.
Давление опрессовки должно быть на 10 % больше максимального, т. е.
ропр = kpmax = 1,1*20,2 = 22,2 МПа,
где k – коэффициент запаса при опрессовке.
Полученный результат сопоставить с требуемым для рассчитываемой колонны минимальным давлением
опрессовки.
Минимальные давления опрессовки:
диаметр колонны, мм 139,7-146,0 168,3 177,8-193,7 219,1-244,5
ропр.мин , МПа 12,5 11,5 9,5 9,0
Из двух полученных результатов выбрать большее, т.е. 22,2 МПа.

Итоги проверки обсадной колонны на внутреннее давление
В рассматриваемом примере dэ = 146 мм. Минимальная толщина стенки этих труб 6,5 мм. В приложении А находим, что предельное внутреннее давление для этих труб составляет
рвп = 29 МПа.
Для колонны диаметром 146 мм допускаемый запас прочности [kвн] = 1,15 (см. слайд 5), а рвп= 29,0 МПа.
Фактический запас прочности составил
[pвн] = 29/1,15 = 25,2 МПа, т.е [pвн] > роmax .
Следовательно, для колонны 146 мм проверка на внутреннее давление при дальнейших расчетах не требуется

Результаты расчета внутреннего избыточного давления

График внутреннего избыточного давления

Особенности расчета сминающего давления на обсадную колонну
1 За обсадной колонной находится не жидкий цементный раствор, а цементный камень, т.к. расчет ведется для эксплуатируемой скважины на момент максимального понижения в ней уровня жидкости.
2 Рассчитывается условное (расчетное) наружное давление при условной плотности жидкости за колонной 1100 кг/м3.
3 Для интервалов, не перекрытых предыдущими колоннами делается проверка на наличие аномалий давления. При этом продуктивный пласт исключается из расчета;
4 Если пластовое давление превышает расчетное, то оно рассматривается как аномальное. Расчеты давлений провести на глубинах замера.
Эксплуатируемая скважина

Расчет наружного давления на обсадную колонну
Расчетная схема
Последовательность построения графика р от z: 1) график давления воды. Первый расчет (прямая OD’ – пунктирная линия)
рв = 0,00981z = 0,00981∙2870 = 27,3 МПа;
2) график давления в интервале ОА
рА = ρgzА = 1180∙981∙200∙10-6 =
=1,18∙9,81∙0,2 = 2,32 МПа;
3) в интервале цемента принимается условная плотность жидкости, создающей давление на колонну, равная 1,1 . Тогда давление в т. D:
pD = рА + ρуg(zD – zA) =
= 2,32 + 1,1* 9,81∙(2,87 – 0,2) = 31,13 МПа.
Нанести график (прямую) АD;
4)нанести пластовые давления на глубинах замера (нанесены крестиками) в интервалах, не перекрытых ранее спущенными колоннами. Поэтому давление в 1-м пласте не нанесено.
Шестой пласт продуктивный и его то же наносить не надо, т.к. в процессе эксплуатации давление в нем будет существенно понижено.
Из графика видно, что все точки пластовых давлений левее прямой AD. Следовательно прямая AD является окончательным графиком наружного давления.
D'
Внимание: т. А может находиться не только в кондукторе,
но и в технической колонне, предшествующей эксплуатационной.

Пусть 4-й пласт – аномальный,
т.е. точка его давления (т.F) находится правее прямой AD:
1) нанести границы аномального пласта;
2) через точку F провести линию, параллельную прямой давления воды
(до пересечения с границами 4-го пласта
(до тт. F’ и F’’);
3) тт. А, F’, F’’и D соединить прямыми отрезками (линиями).
Полученная ломаная линия – график наружного давления.
Если аномальных пластов несколько, то проводится выпуклая огибающая линия прямыми отрезками от т. А до т.D.
Продолжение