Расчет обсадных колонн на прочность

Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Заканчивание скважин» для студентов специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» очного обучения

Выполнил: студент группы 2Б03

Шороховецкий С.Е.

Томск 2013

ОБЩИЙ ПОРЯДОК СОСТАВЛЕНИЯ СХЕМ И ФОРМУЛ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Р_НИ

1. Определиться с категорией скважины (добывающая, нагнетательная, нефтяная или газовая, поисковая или разведочная);

2. Построить схему расположения всех возможных (геолого-технологических) уровней за колонной и внутри колонны и по этой схеме выбрать расчётные точки;

3. Определяем наличие текучих пород. При отсутствии таких пород исключить из расчёта интервалы действия горного давления;

4. Определяем расчётным путём соотношение между Р_ПЛ и åР_ГС (если Р_ПЛ £ åР_ГС, то определяем по åР_ГС);

5. Для выбранной схемы определяем Р_НИ:

ü конец продавки тампонажной смеси;

ü проверка герметичности снижением уровня;

ü для операции вызова притока;

ü период конца эксплуатации.

6. Для каждого случая перечисленного в п.5 строятся графики Р_НИ в координатах «глубина – Р_НИ». Изменение давления по глубине между расчётными точками принимается прямолинейным. Пример такого графика и соответствующей схемы при вызове притока снижением уровня приведён на рисунке:

7. Строится обобщённый график по точкам с наибольшими значениями Р_НИ Этот график используется в дальнейшем для расчёта ОК.

На практике Р_НИ достигает максимума в конце эксплуатации.

РАСЧЁТ НАРУЖНЫХ ИЗБЫТОЧНЫХ ДАВЛЕНИЙ

Первый случай.

На ОК скважины действует давление со стороны кольцевого пространства, называемое Р_Н (наружное давление) и действует давление внутри колонны Р_В (внутреннее давление), разность этих давлений составляет Р_НИ.

h4

h3

h2

h1

1. Рни = 0

2. Рни = ρбуф*g*h1 – ρпрод*g*h1

3. Рни = ρбуф*g*h1 + ρобл*g*h2 – ρпрод*g*(h1+h2)

4. Рни = ρбуф*g*h1 + ρобл*g*h2 + ρн*g*h3 – ρпрод*g*(h1+h2+h3)

5. Рни = ρбуф*g*h1 + ρобл*g*h2 + ρн*g*(H-h2-h1) - ρпрод*g*(H-h4) - ρн*g*h4

1. Рни = 0

2. Рни = 1050*9,8*820 – 1000*9,8*820 = 0,4018 МПа

3. Рни = 1050*9,8*820 + 1400*9,8*1600 – 1000*9,8*2420 = =6,6738 МПа

4. Рни = 1050*9,8*820 + 1400*9,8*1600 + 1850*9,8*100 – -1000*9,8*2520 = 7,5068 МПа

5. Рни = 1050*9,8*820 + 1400*9,8*1600 + 1850*9,8*125 – 1000*9,8*2520 - 1850*9,8*25 = 7,5068 МПа

Второй случай.

соответствующий концу эксплуатации скважины.

Dэк = 146 мм

k = 0.25 – коэффициент разгрузки

hдин = 2/3 * Н = 1697 м

1. Рни = 0

2. Рни = ρбуф*g*h1

3. Рни = ρобл.ц.к*(1-k)*g*(h2-(h1+h2-hдин)) + ρбуф*g*h1

4. Рни = ρбуф*g*h1 + ρобл.ц.к.*(1-k)*g*h2 – - ρнеф*g*(h1+h2-hдин)

5. Рни = ρбуф*g*h1 + ρобл.ц.к.*(1-k)*g*h2 +

+ ρц.к*(1-k)*g*h3 – ρнеф*g*(H-hдин)

1. Рни = 0

2. Рни = 1050*9,8*820 = 8,4378 МПа

3. Рни = 1400*0,75*9,8*877 + 1050*9,8*820 = =17,46213 МПа

4. Рни = 1050*9,8*820 + 1400*0,75*9,8*1600 – 620*9,8*723 = 20,51 МПа

5. Рни = 1050*9,8*820 + 1400*0,75*9,8*1600 + 1850*0,75*9,8*125 – 620*9,8*848 = 21,449 МПа

I – График наружных избыточных давлений, соответствующий первому случаю

II – График н.и. давлений, соответствующий второму случаю.

РАСЧЁТ ВНУТРЕННИХ ИЗБЫТОЧНЫХ ДАВЛЕНИЙ

Расчёт внутренних избыточных давлений производится, как и для внешних избыточных давлений для периода времени, когда они достигают максимальных давлений. Р_ВИ = Р_В – Р_Н; Р_ВИ Þ max. Имеются два таких случая.

1 случай:

Конец продавки тампонажной смеси при цементировании, когда давление на цементировочной головке достигает максимального значения.

2 случай:

Опрессовка колонны с целью проверки её герметичности.

первый случай

который встречается в период цементирования в конце продавки ТС. Известно, что при цементировании максимальные давления в цементировочной головке Р_ЦГ возникают в конце процесса при посадке разделительной пробки на стоп-кольцо. Величина этого давления составит:

Р_ЦГ = ΔР_ГС + Р_ГД + Р_СТ

где: ΔР_ГС – разность гидростатических давлений, возникающих из-за разности плотностей жидкости в затрубном пространстве и внутри колонны;

Р_ГД – гидродинамическое давление, необходимое для преодоления

гидравлических сопротивлений жидкости при движении её внутри

колонны и в затрубном пространстве;

Р_СТ – дополнительное давление, возникающее при получении сигнала

“стоп”.

Гидродинамическое давление ориентировочно может быть найдено по эмпирической формуле:

Р_ГД = 0,002 L + 1,6, МПа.

Величина ΔР_ГС для случая цементирования до устья равна (ρ_ТР - ρ_БР) g L, в противном случае равна (ρ_ТР - ρ_БР) g (L-h), где h – уровень тампонажного раствора.

Рцг = dPгс + Ргд + Рстоп

dРгс = ρбуф*g*h1 + ρобл*g*h2 + ρн*g*(H-h2-h1) - ρпрод*g*(H-h4) - ρн*g*h4

dРгс = 1050*9,8*820 + 1400*9,8*1600 + 1850*9,8*125 – 1000*9,8*2520 - 1850*9,8*25 = 7,5068 МПа

Pгд = 0,002*L + 1.6 = 0.002*2670 + 1.6 = 6.94 МПа

Рстоп = 3 МПа

Рцг = 7,5068 + 6,94 + 3 = 17,4468 МПа

1. Рви = Р цг

2. Рви = ρпрод*g*h1 + Рцг – ρбуф*g*h1

3. Рви = ρпрод*g*(h1+h2) + Рцг – ρбуф*g*h1 – ρобл*g*h2

4. Рви = ρпрод*g*(Н-hст) + Рцг – ρбуф*g*h1 – ρобл*g*h2 – ρн*g*(H-h1-h2-hст)

5. Рви = ρпрод*g*(Н-hст) + Рцг + ρн*g*hст – ρбуф*g*h1 – ρобл*g*h2 – ρн*g*h3

1. Рви = 17,4468 МПа

2. Рви = 17,4468 – 0,4018 = 17,045 МПа

3. Рви = 23,716 + 17,4468 – 8,4378 – 21,952 = 10,773 МПа

4. Рви = 24,696 + 17,4468 – 8,4378 – 21,952 – 1,813 = 9,94

5. Рви = 24,969 + 17,4468 + 0,45325 – 8,4378 – 21,952 – 2,26625 = 10,213 МПа

Второй случай

Соответствует опрессовке колонны после цементирования.

1) Pви = Ропр

2) Рви = Ропр + ρопр*g*h1 – ρбуф*g*h1

3) Рви = Ропр + ρопр*g*(h1+h2) – ρбуф*g*h1 – ρобл*g*(1-k)*h2

4) Рви = Ропр + ρопр*g*(h1+h2+h3) – ρбуф*g*h1 – ρобл*g*(1-k)*h2 - ρн*g*(1-k)*h3

Ропр = 1.1*Русть

Русть = Рпл – ρнеф*g*H=25.45 + 620*9.81*2545 = 25.45–15.48 = 9.97 МПа

Ропр = 1,1*9,97 = 10,967 МПа

1) Рви = 10,967 МПа

2) Рви = 10,967 + 1000*9,81*820 – 1050*9,81*820 = 10,567 МПа

3) Рви = 10,967 + 1000*9,81*2420 – 1050*9,81*820 – 1400*9,81*0,75*1600 = 9,78 МПа

4) Рви = 10,967 + 1000*9,81*2545 – 1050*9,81*820 – 1400*9,81*0,75*1600 – 1850*9,81*125 = 8,7378 МПа

Совмещенный график наружных и внутренних избыточных давлений

Расчёт параметров обсадных колон

К параметрам обсадной колонны при заданном диаметре, который уже нами выбран при разработке конструкции скважины, относятся группа прочности материала труб, толщина стенок и длина секций с соответствующей группы прочности и толщиной стенки.

Рекомендуется использовать по возможности наиболее дешёвые обсадные трубы, поэтому для начала расчёта выбираются трубы группы прочности «Д» и вид исполнения «А» с типом соединения ОТТМ.

Секция №1

1) Определяется требуемая прочность трубы на смятие для 1-ой секции Р¹_см, которая удовлетворяет условию:

Р¹_СМ ≥ n_СМ · Р¹_НИ

где Р¹_НИ - величина наружного избыточного давления в начале 1-ой секции (на забое);

n_СМ - коэффициент запаса на смятие внешним избыточным давлением. Для секций, находящихся в пределах эксплуатационного объекта 1,0 - 1,3 выбираем n_СМ1 =1,1.

Р¹_СМ ≥ 1,1 · 21,45 = 23,595 МПа

2) По найденной прочности обсадной колоны выбираем колону с толщиной стенки 7,7 мм, группы прочности „Д“ исполнения А с критическим давлением 26,70 МПа.

3) Из условия перекрытия продуктивного пласта на 150 м проектируем L¹ - глубину установки первой секции 2335 м по вертикали.

4) По эпюре наружных избыточных давлений в верхнем конце 1-ой секции Р²_НИ=20,9 МПа, по таблице находим трубы с толщиной стенки δ²=7 мм с критическим давлением 22,40 МПа.

5) Определяется предварительная длина 1-ой секции l¹

l¹ = L - L¹,

где L - глубина скважины по стволу, м;

L¹ - глубина установки первой секции по стволу, м;

l¹= L – L¹= 2670 – 2335 = 335 м;

6) Рассчитывается предварительный вес 1-ой секции G¹,

G¹ = 1¹ · q¹,

где q¹ - вес 1 м. труб 1-ой секции с толщиной стенки δ¹ = 7,7 мм (находится в таблице основных характеристик выбранных обсадных труб).

q¹=0,265 кН

G¹ =335 · 0,265= 88,775 кН

7) Корректируется прочность на смятие труб для 2-ой секции с учетом двухосного нагружения от наружного избыточного давления и растяжения от веса 1-ой секции по выражению

*Р²_СМ = Р²_СМ · (1-0,3 G¹ / Q²_Т ),

где *Р²_СМ - прочность на смятие труб 2-ой секции при двухосном нагружении;

Р²_СМ - прочность на смятие труб 2-ой секции при радиальном нагружении ( табличное значение);

G¹ - растягивающая нагрузка на 2-ю секцию, равная весу 1-ой секции;

Q²_Т - растягивающая нагрузка для 2-ой секции, при которой напряжение в теле трубы достигает предела текучести (находится по таблице в инструкции ).

*Р²_СМ=22,4 · (1-0,3 · 88,775/1156)=21,88 МПа

Коэффициент запаса определяется по формуле:

n_с=*Р²_СМ/P²_НИ ≥1.

Тогда:

n_с =21,88/20,9=1.05≥1,

следовательно, принимаются рассчитанные параметры труб первой секции.

рассчитываются коэффициенты запаса прочности для трубы 2-й секции в голове 1-й секции:

На внутренне давление по формуле (4.20):

n_Р = Р²_Р / Р²_ВИ≥1,15, (4.20)

где Р²_Р - прочность труб 2-ой секции на внутреннее давление с толщиной стенки δ² = 7мм – 31,8 МПа;

Р²_ВИ - внутреннее избыточное давление в голове 1-й секции скважины – 11 МПа.

Тогда:

n_Р = 31,8 / 11=2.89≥1,15.

На страгивание в резьбовом соединении по формуле (4.21):

n_СТР = Q²_СТР / *G¹>1,30, (4.21)

где Q²_СТР - прочность на страгивающие нагрузки для труб 2-ой секции с толщиной стенок δ² – 931 кН.

Σ*G –вес 1-й секции

*L²=335 м

Σ*G=335*0,265=88,775 кН

n_СТР =931/88,775=10,48>1,30

В связи с тем что условия прочности для 1-й секции соблюдаются, принимаем ее параметры за окончательные.

Секция №2

1) Группа прочности материала труб для 2-ой секции принимается такой же, как для 1-ой.

2) Толщина стенок труб для 2-ой секции принята равной δ² = 7 мм при определении параметров 1-ой секции.

Трубы с толщиной стенки δ² могут быть установлены до глубины, на которой действующее наружное избыточное давление обеспечат трубы со следующей меньшей толщиной стенки δ³ < δ².

3) Находится значение наружного избыточного давления Р³_НИ из условия

Р³_НИ = Р³_СМ / n_СМ

где *Р³_СМ - прочность труб на смятие для толщины труб δ³ = 6,5 мм (значение из таблицы для критических давлений в инструкции)

P³_НИ=19,4/1=19,4 МПа

4) На графике наружных избыточных давлений находится глубина L²=2040 м, на которой действует Р³_НИ (предварительная глубина установки 2-ой секции).

5) Определяется предварительная длина 2-ой секции l²

l² =*L¹-L²

где *L¹ - откорректированная глубина установки 1-ой секции.

L²=2335-2040=295 м

6) Рассчитывается предварительный вес 2-ой секции G²

G² = l² · q²,

где q² - вес 1 м труб с толщиной стенки δ² = 7 мм (значение из таблицы сортамента выбранных обсадных труб).

G²=295 · 0,243=71,685 кН

7) Корректируется прочность на смятие труб 3-ей секции с толщиной стенок δ³ в условиях двухосного нагружения

*Р³_СМ = Р³_СМ · (1-0,3 · ΣG² / Q³_Т ),

где *Р³_СМ - прочность на смятие труб 3-ей секции при двухосном нагружении;

Р³_СМ - прочность на смятие труб 3-ей секции при радиальном нагружении (критические давления из инструкции);

ΣG² - нагрузка растяжения на 3-ю секцию, равная сумме откорректированного веса 1-ой секции *G¹ и предварительного веса 2-ой секции;

Q³_Т - нагрузка растяжения на пределе текучести для труб 3-ей секции (значение из таблицы в инструкции).

*P_СМ=19,4 · (1-0,3 · 160,46/1078)=18,53 МПа

Корректируем длину 2-й секции:

l² =*L¹-L²

где *L¹ - откорректированная глубина установки 1-ой секции.

L²=2335-1885=450 м

С учетом наклонно-направленого профиля для этого интервала:

L²=450*1,049=472м

Находим вес 2-й секции:

G² = l² · q²,

где q² - вес 1 м труб с толщиной стенки δ² (значение из таблицы сортамента выбранных обсадных труб).

G²=472 · 0,243=114,7 кН

При Р²_НИ=18,53 МПа определяется фактический коэффициент запаса

n_Р = Р³_Р / Р³_ВИ

n_Р=29,5/18,53=1,59

на страгивание в резьбовом соединении:

n_СТР = Q³_СТР / Σ*G²,

где Q³_СТР - прочность на страгивающие нагрузки для труб 3-eй секции с толщиной стенок δ³ (определено по таблице в инструкции);

Σ*G² - растягивающая нагрузка на 3 -ую секцию от откорректированного веса 2-х секций.

Рассчитанные коэффициенты должны быть больше допустимых коэффициентов запаса прочности.

n_СТР=863/203,475=4,24

т.к. n_Р=1,59>1,2 и n_СТР=4,24>1,15,.

на внутреннее давление:

n_Р = Р³_Р / Р³_ВИ

где: Р³_Р - прочность труб 3-й секции на внутреннее давление с толщиной стенки δ³ (найдено по таблице в Инструкции Р³_Р=29,5 МПа);

Р³_ВИ - внутреннее избыточное давление на устье (Р³_ВИ=17,46 МПа).

n_Р=29,5/17,46=1.69>1,15

Соблюдаются условия прочности для третьей секции, откорректированные параметры 2-ой секции принимаются за окончательные

Параметры 2-ой секции:

группа прочности "Д"

толщина стенок δ²=7 мм;

длина секции *l²=472 м;

интервал установки 2335-1885 м;

вес секции *G²=114,7 кН.

суммарный вес секций ΣG=203,475 кН.

Секция №3

1) Проектируются трубы с толщиной стенки δ³=6,5мм. Определим, возможно ли установить трубы с δ²=6,5мм до устья.

2) Длина 3-ой секции l³=1885 м.

С учетом наклонно-направленного профиля l³=1977 м.

3) Рассчитывается вес 3-ей секции G¹

G² = l³*q³ =1977 · 0,226=446,8 кН;

ΣG= G¹+ G²+ G³=88,775+114,7+446,8=650,275 кН.

4) Определяются фактические коэффициенты запаса прочности для 3-ой секции:

n_Р=Р²_Р / Р²_ВИ

n_Р=29,5/17,46=1,69

на страгивание в резьбовом соединении:

n_СТР = Q³_СТР / ΣG

n_СТР =863/650,275=1,33

т.к. n_Р=1,69>1,15 и n_СТР=1,33>1,15, то параметры третьей секции принимаются окончательными.

Параметры 3-ой секции:

группа прочности "Д"

толщина стенок δ³=6,5мм;

длина секции *l³=1977м;

интервал установки 1977-0м;

вес секции *G³=446,8 кН.

суммарный вес секций ΣG=650,275 кН.

Результаты расчётов

№ секции	Группа прочности	Толщина стенки, мм	Длина, м	Вес, кН	Интервал установки
1 м трубы	секции	суммарный
	Д	7,7		0,265	88,775	650,275	2670-2335
	Д	7,0		0,243	114,7	2335-1977
	Д	6,5		0,226	446,8	1977-0