Условия работы обсадных колонн

Основное назначение обсадных колонн это разобщение вскрываемых бурением пластов друг от друга. При бурении скважин, ее эксплуатации, проведение ремонтно-изоляционных работ, пластовые условия изменяются. Изменяются и условия работы обсадных колонн. На последнюю в основном действуют силы, вызывающие сминающие (наружные избыточные), внутренние (разрывающие), страгивающие (растягивающие) и сжимающие напряжения. Их величины не постоянны как во времени, так и на различных стадиях работы скважины, как технического сооружения. Рассмотрим вкратце их изменение в процессе спуска, цементирования, эксплуатации и т.д.

Спуск в скважину. При спуске на обсадную колонну действует растягивающая сила от собственного веса труб; выталкивающая сила жидкости; растягивающая сила от веса жидкости в колонне; сила трения между колонной и стенками скважины; осевые силы инерции колонны и жидкости, находящейся в колонне и в заколонковом пространстве, гидродинамическая осевая сила, возникающая вследствие движения промывочной жидкости, вытесняемой из скважины или прокачиваемой для промывки последней; радиальные статические и гидродинамические давления на наружную и внутреннюю поверхность труб; изгибающий момент от составляющей собственного веса наклонно расположенных участков колонны и от разности давлений жидкости на нижнюю и верхнюю поверхности их. Осевая сила от гидродинамического давления при прямой промывке является всегда сжимающей. Сила трения в момент приподнимания колонны с ротора или при расхаживании являются растягивающими, тогда как при перемещении колонны вниз - сжимающими.

Цементирование. В период цементирования колонны с расхаживанием на нее действуют те же силы, что и при спуске, но величина их существенно меняется. Поскольку обычно ускорение при расхаживании колонны мало, величина силы инерции самой колонны меньше, чем при спуске, но значительно могут возрасти осевые силы, обусловленные гидродинамическим давлением; сила веса жидкости в колонне в период движения в ней тампонажного раствора больше нежели при движении промывочной жидкости вследствие большей плотности первого, выталкивающая сила после вытеснения тампонажного раствора также выше. В момент посадки цементировочной пробки на кольцо - стоп на колонну передается сила гидравлического удара.

В процессе ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) гидростатическое давление снижается, вследствие седиментационных процессов из-за оседания твердой фазы на стенки колонны вес последней увеличивается.

Изменение температурных условий при твердении тампонажных растворов приводит, вследствие деформации колонны, к возникновению дополнительных осевых нагрузок и т.д.

Бурение. После образования цементного камня в кольцевом пространстве обсадную колонну натягивают с некоторым усилием и соединяют с предыдущей так, что, осевое перемещение одной колонны относительно другой, как правило, оказывается невозможным. Любое изменение давления или температуры в скважине сопровождается соответствующей деформацией обсадной колонны, а если деформация невозможна - возникают дополнительные осевые и радиальные силы которые в основном будут отражаться на предыдущей колонне.

Периодически, например, в период спускоподъемных операций, на колонну действуют динамические нагрузки. Внутренняя поверхность промежуточной колонны изнашиваются в результате трения о нее долот, бурильных замков и других предметов при многократных СПО и вращении бурильной колонны.

Освоение и эксплуатация скважины. При освоении и эксплуатации скважины на эксплуатационную колонну действует тот же комплекс сил, что и на промежуточную колонну в период бурения, однако количественные значения этих сил существенно изменяются. Так при освоении скважины для получения притока из пласта давление внутри колонны уменьшают, существенно меняется температура обсадной колонны.

В период эксплуатации скважины интенсивность коррозионных процессов увеличивается.

Характер распределения разных сил по длине колонны неодинаков. Нижний, сравнительно небольшой длины, участок обычно находится в сжатом состоянии, причем максимум напряжения приходится на нижний конец, минимум (вплоть до нуля) на верхний. Верхний участок всегда растянут, напряжения возрастают от нуля от нижней границы до максимума у устья. Иначе распределены силы радиального давления. В период работы, когда внутреннее давление меньше наружного (при спуске колонн, без долива, при понижении уровня и т.д.) избыточное наружное давление с глубиной увеличивается. При цементировании, при фонтанной эксплуатации и в других случаях в колонне существует избыточное давление, которое с глубины уменьшается.

6.2. Расчетные формулы для определения прочности колонн,

К различным видам нагрузок

Анализ условий работы обсадных колонн позволяет заключить, что основными нагрузками действующими на обсадную колонну являются: - сминающие (возникают от действия избыточных наружных давлений); избыточное внутреннее давление и усилие страгивания. По этим нагрузкам и осуществляют подбор обсадных труб. Основными условиями выбора обсадных труб являются:

,

,

,

,

,

где:- расчетные значения коэффициентов запаса прочности на смятие, разрыв и страгивание;

- допустимые значения коэффициентов запаса прочности на смятие, разрыв и страгивание.

Значения для секций, находящихся в пределах эксплуатационного объекта принимают равным 1,0 ¸ 1,3 в зависимости от устойчивости, коллекторов. Для остальных секций .

Значения допустимой величины коэффициента запаса прочности на внутреннее давление принимают в зависимости от диаметра труб и их типа. Для труб диаметром 114...219 мм. в исполнении А и Б. Для труб диаметром свыше 219 мм в исполнении Б -, в исполнении А - 1,15.

Значения допустимого коэффициента запаса прочности на страгивания зависит от диаметра колонны, длины колонны и профиля ствола скважины. При их выборе следует руководствоваться таблицей.

Таблица 6.1.

Значения коэффициентов запаса прочности на страгивание для труб с треугольным профилем резьбы

Диаметр трубы, мм	Длина колонны, м	Запас прочности для вертикальных скважин
114...168	До 3000 м Больше 3000 м	1,15 1,30
178...245	До 1500 м Больше 1500 м	1,30 1,45
273...324	До 1500 м Больше 1500 м	1,45 1,60
Больше 324	До 1500 м Больше 1500 м	1,60 1,75

Для труб с трапецеидальным профилем резьбы исполнения A , исполнения Б - 1,80. При этом. допустимая нагрузка на тело гладкой части трубы в первом случае не должна превышать 80 % (), во втором 77 % () от нагрузки, при которой напряжения достигают предела текучести.

Для наклонных скважинопределяется зенитным углом и рассчитывается по формуле:

;

.

= критическое давление, при котором наибольшее напряжение при избыточном наружном нагружении достигает предела текучести материала труб. Определяют по формуле Саркисова Г.М.:

;

;

где: D - наружный диаметр труб, мм;

- предел пропорциональности, который принимают равным пределу текучести материала труб, МПа;

Е - модуль упругости (Е_ст = 2,1 × 10⁵ МПа);

е - овальность трубы;

- номинальная толщина стенки трубы, мм;

- расчетные толщины стенок, которые определяют по формулам:

;

;

.

или по упрощенным выражениям:

;

- для труб исполнения Б и

- исполнения А

- 1,034 (трубы исполнения Б)

- (трубы исполнения А).

Критическое давление с учетом растягивающих нагрузок при двухосном нагружении определяют по формуле:

,

где: - критическое давление, определенное по формуле Г.М.Саркисова (без учета растяжения);

Q - осевая растягивающая нагрузка на трубу;

- растягивающая нагрузка, при которой напряжение в теле трубы достигают предела текучести;

- избыточное внутреннее давление, при котором напряжения в теле трубы достигают предела текучести, определяют по формуле Бэрлоу.

;

0,875 - коэффициент, учитывающий отклонение толщины стенки;

- растягивающее усилие, при котором в наиболее опасном сечении резьбового соединения напряжения достигают предела текучести

;

- средний диаметр сечения по впадине первого полного витка резьба (в основной плоскости), мм

;

h - глубина резьбы; мм;

b - толщина стенки трубы по впадине того же витка, мм;

l - длина резьбы с полным профилем (до основной плоскости), мм;

l - угол между опорной поверхностью резьбы и осью трубы, равный 60°;

a - угол трения. Принимается в расчетах равным 7°;

h - коэффициент разгрузки ;

- предел текучести материала труб, МПа.

Расчет на растяжение колонн труб с резьбой трапецеидального профиля производят по разрушающей нагрузке, наименьшей из подсчитанных, исходя из условия разрушения по телу трубы в опасном сечении, условия выхода резьбы из сопряжения, вследствие уменьшения поперечных размеров трубы от удлинения при растяжении, и условия разрушения по муфтовой части соединения в опасном сечении.

Разрушающую нагрузку по телу трубы в опасном сечении определяют по формуле:

.

Разрушающую нагрузку при выходе резьбы из сопряжения рассчитывают по формуле:

.

Разрушающую нагрузку по муфтовой части соединения в опасном сечений определяют по формуле:

.

Для колонн составленных из труб типа ОГ с толщиной стенки до 10 мм включительно, разрушающую нагрузку определяют исходя из прочности ниппельной части по формуле:

.

Для труб типа ОГ с толщиной стенки 11 мм и более разрушающую нагрузку определяют исходя из прочности муфтовой части по формуле:

.

В этих формулах:

Д - наружный диаметр трубы, мм.;

- толщина стенки., мм.;

- наименьший предел прочности при растяжении, МПа;

- наименьший предел текучести при растяжении, МПа;

- высота профиля резьбы. Принимают равным 1,6 мм;

- средний диаметр тела трубы в опасном сечении:

;

- диаметральный натяг свинченного соединения, мм.;

- модуль упругости. Для труб группы прочности, =4900 МПа, К и Е -3430 МПа, и Л, М - 2450 МПа;

- рабочая высота профиля резьбы. Принимают равным 1,2 мм;

- коэффициент Пуассона. Для пластической области = 0,5;

- угол наклона стороны профиля резьбы;

- угол трения ;

l - длина резьбы, находящейся в сопряжении

l = L - 14 мм;

L - общая длина резьбы;

- наружный диаметр муфты, мм;

- наружный диаметр резьбы муфты в опасном сечении:

;

- длина наружной резьбы с полным профилем, мм.

Значения осевой растягивающей нагрузки, при которой напряжения в теле трубы, закрепленной в клиновом захвате, достигают предела текучести, определяют по формуле:

,

где: F - площадь сечения трубы, мм;

- предел текучести материала труб, МПа;

- средний диаметр трубы, мм;

l - длина плашек клинового захвата, мм.;

a - угол уклона клина (уклон 1:16);

j - коэффициент трения (j = 0,2);

x - коэффициент охвата трубы плашками ()

x - определяется в зависимости от типа клинового захвата ;

g - угол охвата трубы плашками одного клина ( 60°)

m - число клиньев.

Эти виды разрушающих обсадную колонну нагрузок просчитаны для каждой трубы в зависимости от ее диаметра, толщины стенки, вида резьбового соединения, группы прочности материала труб и представлены в соответствующих справочниках и руководящих документах.