Расчет обсадных колонн на прочность

Целью расчета обсадных колонн на прочность является проектирование равнопрочной колонны по всему интервалу крепления.

Расчет производим только для эксплуатационной колонны, потому что данная колонна подвержена нагрузкам на наружное и внутреннее избыточное давления, а так же растягивающие нагрузки. Исходные данные для расчета приведены в таблице 36.

Избыточное давление на глубинах h, H, L, L0 определяем на момент окончания цементирования, испытания колонны на герметичность, окончания эксплуатации и освоение скважины по формулам, представленным в таблицах 38 и 39. Результаты расчетов по формулам из таблиц 38 и 39 представлены в таблицах 37, 40.

Таблица 35 - Характеристика жидкостей для цементирования и составляющие их компоненты

№ в порядке спуска     Название колонны Характеристика жидкости (раствора)
  Тип или название Плотность, кг/м3 Пласти- ческая вязкость, Па×с Дин. на-пряжение сдви-га, Па Составляющие компоненты
Название Доля в %к массе вещества
Направление Цементный Портландце-мент ПЦТI 50
Кондуктор Цементный Портландце-мент ПЦТI 50
  Эксплуатационная Буферная Облегченный раствор Цементный   Продавочная 1000 1550         4-10     4-7 Вода Портландцемент ПЦТ-III об(5) Портландцемент, ПЦТI 100 Солевой раствор    

Таблица 36 - Исходные данные для расчета обсадных колонн

Наименование параметров, единица измерения Обозначение Значение
Расстояние от устья скважины, м:    
- до башмака колонны L
- до башмака предыдущей колонны L0
- до уровня цементного раствора h
- до середины пласта S
Положение уровня жидкости Н в скважине, м:    
- при испытании на герметичность Hи
- при освоении скважины Н0
- при окончании эксплуатации Нэ
Удельный вес, Н/м :    
- бурового раствора за обсадной колонной gр
- цементного раствора за колонной gц
- глиноцементного раствора gгц
- жидкости в обсадной колонне gв
- гидростатического столба воды gгс
- испытательной жидкости gж
Давление, МПа:    
- пластовое Рпл 16,3
- гидроразрыва Ргр 33,2

По найденным значениям строим эпюры избыточных наружных и внутренних давлений (рисунки 4,5).

При расчете избыточных давлений:

- в таблице 35 значение Н принимаем в зависимости от глубины скважины и стадии заканчивания [6];

- в таблице 47 значение опрессовочного давления роп принимаем исходя из наружного диаметра обсадной колонны [6].

Далее необходимо произвести расчет длин секций обсадной колонны с различными толщинами стенок (снизу вверх) [6,14]. Находим длину первой секции по формуле

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru , (98)

где l1 - длина первой секции, м;

lэо- длина эксплуатационного объекта, м;

l1 = 60 + 100 = 160 м по вертикали или 164 м по стволу скважины.

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru , (99)

где Ркр - давление предела текучести материала труб, МПА;

n1 =1,2 - коэффициент запаса прочности на наружное избыточное давление для первой снизу колонны в зоне эксплуатационного объекта;

Таблица 37 - Результаты расчетов Рни (скважина нефтяная)

Текущая глубина (Z) Наружные избыточные давления, МПа
Окончание цементирования Испытание на герметичность снижением уровня Освоение Окончание эксплуатации
h 0,4 2,9 2,9 2,9
Н* (НИ03) - 8,4 7,9 13,4
L0 - 8,4 7,9 13,4
L 10,3 8,7 8,2 13,4

Таблица 38 - Формулы для расчета Рпи (скважина нефтяная)

Z Окончание цемен­тирования Испытания на герметичность снижением уровня Освоение Окончание эксплуатации
(устье) Рнио=0  
h Рниh=10-6 (gр-gв) h Если h < Hи* Рниh=10-6gр h если Ни<h Рниh=10-6[gр×h-gв (h-Hи)] Если h < Hо* Рниh=10-6gр h если h>Ho Рниh=10-6[gр×h-gв (h-Ho)] Если h < Hэ* Рниh=10-6gр h если h>Hэ Рниh=10-6[gр×h-gв (h-Hэ)]
Н* (Ни, Н0, Нэ) - Если h > Hи* РниН=10-6gр Hи если h< Hи РниНи=10-6[gр×h+gгс (Hи- h)] Если h > Hо* РниН=10-6gр Hо если h< Hо РниНо=10-6[gр×h+gгс (Hо- h)] Если h > Hэ* РниН=10-6gр Hэ если h< Hэ Рни Нэ=10-6[gр×h+gгс (Hэ- h)]
L0 - РниLo=PнLo -10-6gв (Lo-Hи) РниLo=PнLo -10-6gв (Lo-Hо) РниLo=PнLo -10-6gв (Lo-Hэ)
** Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru
L РниL= =10-6[( Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru ц-gв)L- -( Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru ц-gр)h] РниL=PнL -10-6gв (L-Hи) РниL=PнL -10-6gв (L-Ho) РниL=PнL -10-6gв (L-Hэ)  
** Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru
*- положение уровня жидкости для расчетов в таблице, ** - принимается максимальное расчетное значение.



Таблица 39 - Формулы для расчета Рви (скважина нефтяная)

Z Испытание на герметичность в один прием без пакера
Если 1,1Руоп, то РВИо=1,1Ру, иначе РВИооп, где Рупл-10-6×gв×L
h РВИhВИо-10-6 ×(gр - gж)×h
Н -
L0 РВИ Lo= РВИо+10-6 × gж×LоHLо
L РВИ L= РВИо+10-6 × gж×L-РПЛ

Таблица 40 - Результаты расчета Рви (скважина нефтяная)

Рви , МПа z=0, м z=h, м z=L0, м z = L, м
Испытание на герметичность   12,5   12,1   12,1   11,8

Рни - наружное избыточное давление на глубине L, МПа.

n1×Рни2620=1,2×13,4 = 16,08 МПа.

По [6] находим, что этому давлению соответствуют трубы прочности "D", с толщиной стенки S=7,7 мм, для которых Ркр=26,7 МПа. Трубы исполнения А, с трапециидальной резьбой ОТТМ и нормальным диаметром муфт. Строим эпюры избыточных давлений, рисунки 4,5.

26,7 МПа>16,08 МПа

Условие выполняется, производим расчет вес первой секции

Q1=q1×l1, (100)

где Q1 -суммарный вес труб первой секции, кН;

q1 - вес одного погонного метра труб первой секции, кН;

Q1=0,29×100 = 29 кН

Наружное избыточное давление на глубине расположения верхнего конца
труб первой секции будет равно 14 МПа.

Значение критического давления, для труб 2 секции с учетом растяжения, определяют по формуле

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru , (101)

где Ркр - критическое давление без учета растяжения, МПа;

Qm - растягивающая нагрузка, при которой напряжение в теле трубы достигает предела текучести, кН.


РНИZ МПа
Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 70 Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 2 Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 4 Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 6 Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 8 Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 10 Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 12 Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 14 Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 16
  2,9   13,4  
  Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru
 
  Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru
Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 700
 
 
Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru
Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 1500
 
 
 
 
Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru
 
Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 2620

L,м

Рисунок 4 - Эпюры избыточных наружных давлений


Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru РВИZ МПа
2 2,9 Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 12
      13,4  
      Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru
Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 700
 
 
 
Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 1500
 
 
 
 
Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru
 
Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru 2800

Рисунок 5 - Эпюры избыточных внутренних давлений

При n1 = 1,0 этому давлению соответствуют трубы диаметром 146 мм исполнения А группы прочности "Д", то есть электросварные обсадные трубы с повышенной геометрической точностью, S=7,0 мм, для которых критическое давление - 26,6 МПа.

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru МПа

Так как Р'кр2 = 26,2 МПа > РНИL0 = 14 МПа, то для второй секции принимаем трубы 146,0x7,0 мм группы прочности "Д".

Определим прочность труб из расчета внутреннего избыточного давления.

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru

Так как Рвиу < Рm2, то трубы 2 секции из условия прочности на наружное избыточное и внутреннее избыточное давление могут быть установлены до устья скважины. Определим длину 2 секции из условия растяжения по формуле

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru , (102)

где Q - общий вес всех нижележащих секций, кН;

q2 - вес 1 м труб 2 секции;

[Р] - допускаемая нагрузка.

Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru , (103)

где Рст - страгивающая нагрузка, кН;

n'3 - коэффициент запаса прочности на растяжение для обсадных труб на изогнутом участке ствола.

n3= Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru , (104)

где n3=1,15 - коэффициент запаса прочности на растяжение, принимаемый для вертикальной секции колонны;

l- коэффициент, учитывающий влияние размеров соединения и его прочностные характеристики;

a0 - интенсивность искривления труб:

При a0=2 n3= Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru =1,24; [P] Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru кН;

l2 Расчет обсадных колонн на прочность - student2.ru м;

Расчет кондуктора на прочность.

Под кондуктор выбираем обсадные трубы марки "Д", исполнения А, диаметром 0,245 м, с толщиной стенки 8,9 мм, q- 0,744 кН, Рстр= 2039 кН.

Расчет направления на прочность.

Под направление выбираем обсадные трубы марки "Д", с треугольной резьбой исполнения А, диаметром 0,324 м, с толщиной

стенки 8,5 мм, q = 1,044 кН, Рстр = 2226 кН. Проверяем условие, условие выполняется.

Наши рекомендации