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 РНИ

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 РПЛ и åРГС (если РПЛ £ åРГС, то определяем по åРГС);

5. Для выбранной схемы определяем РНИ:

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 РНИ в координатах «глубина – РНИ». 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 РНИ Этот график используется в дальнейшем для расчёта ОК.

 
  Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru

На практике РНИ достигает максимума в конце эксплуатации.

РАСЧЁТ НАРУЖНЫХ ИЗБЫТОЧНЫХ ДАВЛЕНИЙ

Первый случай.

На ОК скважины действует давление со стороны кольцевого пространства, называемое РН (наружное давление) и действует давление внутри колонны РВ (внутреннее давление), разность этих давлений составляет РНИ.

h4
h3
h2
h1
Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru

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.

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru

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

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru

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. РВИ = РВ – РН; РВИ 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 РЦГ возникают в конце процесса при посадке разделительной пробки на стоп-кольцо. Величина этого давления составит:

РЦГ = ΔРГС + РГД + РСТ

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

РГД – гидродинамическое давление, необходимое для преодоления

гидравлических сопротивлений жидкости при движении её внутри

колонны и в затрубном пространстве;

РСТ – дополнительное давление, возникающее при получении сигнала

“стоп”.

Гидродинамическое давление ориентировочно может быть найдено по эмпирической формуле:

РГД = 0,002 L + 1,6, МПа.

Величина ΔРГС для случая цементирования до устья равна (ρТР - ρБР) g L, в противном случае равна (ρТР - ρБР) g (L-h), где h – уровень тампонажного раствора.

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru

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.

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru

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

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru

Совмещенный график наружных и внутренних избыточных давлений

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru

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 Р1см, которая удовлетворяет условию:

Р1СМ ≥ nСМ · Р1НИ

где Р1НИ - величина наружного избыточного давления в начале 1-ой секции (на забое);

nСМ - коэффициент запаса на смятие внешним избыточным давлением. Для секций, находящихся в пределах эксплуатационного объекта 1,0 - 1,3 выбираем nСМ1 =1,1.

Р1СМ ≥ 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 Р2НИ=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

2СМ = Р2СМ · (1-0,3 G1 / Q2Т ),

где *Р2СМ - прочность на смятие труб 2-ой секции при двухосном нагружении;

Р2СМ - прочность на смятие труб 2-ой секции при радиальном нагружении ( табличное значение);

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

Q2Т - растягивающая нагрузка для 2-ой секции, при которой напряжение в теле трубы достигает предела текучести (находится по таблице в инструкции ).

2СМ=22,4 · (1-0,3 · 88,775/1156)=21,88 МПа

Коэффициент запаса определяется по формуле:

nс=*Р2СМ/P2НИ ≥1.

Тогда:

nс =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):

nР = Р2Р / Р2ВИ≥1,15, (4.20)

где Р2Р - прочность труб 2-ой секции на внутреннее давление с толщиной стенки δ2 = 7мм – 31,8 МПа;

Р2ВИ - внутреннее избыточное давление в голове 1-й секции скважины – 11 МПа.

Тогда:

nР = 31,8 / 11=2.89≥1,15.

На страгивание в резьбовом соединении по формуле (4.21):

nСТР = Q2СТР / *G1>1,30, (4.21)

где Q2СТР - 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

nСТР =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 Р3НИ из условия

Р3НИ = Р3СМ / nСМ

где *Р3СМ - прочность труб на смятие для толщины труб δ3 = 6,5 мм (значение из таблицы для критических давлений в инструкции)

P3НИ=19,4/1=19,4 МПа

4) На графике наружных избыточных давлений находится глубина L2=2040 м, на которой действует Р3НИ (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

3СМ = Р3СМ · (1-0,3 · ΣG2 / Q3Т ),

где *Р3СМ - прочность на смятие труб 3-ей секции при двухосном нагружении;

Р3СМ - 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;

Q3Т - нагрузка растяжения на пределе текучести для труб 3-ей секции (значение из таблицы в инструкции).

*PСМ=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 Р2НИ=18,53 МПа определяется фактический коэффициент запаса

nР = Р3Р / Р3ВИ

nР=29,5/18,53=1,59

на страгивание в резьбовом соединении:

nСТР = Q3СТР / Σ*G2,

где Q3СТР - 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.

nСТР=863/203,475=4,24

т.к. nР=1,59>1,2 и nСТР=4,24>1,15,.

на внутреннее давление:

nР = Р3Р / Р3ВИ

где: Р3Р - прочность труб 3-й секции на внутреннее давление с толщиной стенки δ3 (найдено по таблице в Инструкции Р3Р=29,5 МПа);

Р3ВИ - внутреннее избыточное давление на устье (Р3ВИ=17,46 МПа).

nР=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:

nР2Р / Р2ВИ

nР=29,5/17,46=1,69

на страгивание в резьбовом соединении:

nСТР = Q3СТР / ΣG

nСТР =863/650,275=1,33

т.к. nР=1,69>1,15 и nСТР=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

Наши рекомендации