Особенности расчета промежуточных колонн и кондукторов.

Промежуточные и эксплуатационные колонны, как правило, обвязываются с кондуктором, так чтобы эти колонны были в растянутом состоянии. Следовательно, на кондуктор будут действовать сжимающие осевые силы. Если хотя бы небольшой верхний участок, кондуктора является не зацементированным, то эти силы могут вызвать потерю устойчивости кондуктора, во избежание предельного изгиба выступающей части кондуктора необходимо выполнять условие: где: - сумма осевых сил приложенных к верхнему концу , кондуктора; - площадь поперечного сечения тела кондуктора; - допустимое напряжение осевого сжатия, величина которого зависит от жесткости свободного конца: Свободный конец кондуктора можно рассматривать как стержень с одним защемленным концом, а другим шарнирно опертым концом. В пределах свободного конца нежелательно иметь трубы, с неутолщенными концами на которых имеется резьба,, поскольку площадь сечения нарезанного, конца уменьшается, и следовательно, допустимая сжимающая нагрузка значительно меньше, чем собственно тело, трубы.

Весьма большое значение для устойчивости кондуктора имеет соосность колонн и кондуктора при обвязке. Если ось колонны смещена или имеет некоторый наклон к оси кондуктора, то сжимающая сила будет приложена также эксцентрично и устойчивость кондуктора существенно измениться.

Дополнить расчет промежуточных колонн.!!!

Промежуточная обсадная колонна, как и эксплуатационная, рассчитывается на три вида нагружения.

Расчет обсадной эксплуатационной колоннысводится к определению расчетных нагрузок и их распределения по длине колонны, выявлению наиболее опасной из расчетных нагрузок в рассматриваемом сечении колонны и к подбору труб, соответствующих «данным значениям коэффициента запаса прочности, для комплектования секций обсадной колонны.

Условия нагружения обсадной колонны зависят от глубины ее спуска, сложности строения геологического разреза, назначения скважины и назначения колонны.

Выделяются три расчетные нагрузки:

· наружное избыточное давление смятия;

· осевая нагрузка растяжения от собственного веса колонны;

· внутреннее избыточное давление.

Поскольку условия нагружения обсадной колонны в скважине весьма разнообразны, инструкцией регламентированы правила определения расчетных нагрузок.

При расчетах обсадных колонн, спущенных в нефтяную добывающую скважину, наиболее часто применяется схема I (рис.10.2), для разведочных нефтяных скважин обсадные колонны рассчитывают с использованием схемы II, а для газовых скважин - схема III. Значение внутренних давлений максимально в период ввода скважины в эксплуатацию или при опрессовке колонны (позиции А расчетных схем). Наружные избыточные давления, главным образом, проявляются на стадии окончания эксплуатации скважины (позиции Б расчетных схем). За счет этих давлений может произойти разрыв колонны или ее смятие.

Кроме того, на рис. 10.2 точка а, б, в, г - это характерные точки, в которых определяют избыточные наружные давления на стадии окончания эксплуатации, а точки a', б', в' - характерные точки, в которых находят внутренние избыточные давления при испытании колонны на герметичность или при вводе в эксплуатацию.

Рис. 10.2. Расчетные схемы при проектировании обсадной колонны для скважин добывающей нефтяной (I). разведочной (II) и добывающей газовой (III): А, Б - в исходном состоянии и на завершающем этапе соответственно, I - буровой раствор за колонной; 2 - цементный раствор-камень; 3 жидкость в колонне; 4 - газ в колонне

Порядок расчета эксплуатационной колонны на прочность следующий.

По расчетным данным о наружных и внутренних давлениях по характерным точкам строятся эпюры избыточных давлений наружного и внутреннего. В качестве характерных точек для построения эпюры принимают уровни жидкости в колонне и цементного раствора за колонной, положение башмака предыдущей обсадной колонны, отметки кровли и подошвы зон АВПД и интервалов высокопластичных пород, перекрываемых эксплуатационной колонной. Изменение избыточных давлений между указанными точками, как правило, принимается линейным. Исключение составляют пласты с АВПД толщиной до 200 м. для которых давление принимается постоянным по толщине пласта, н внутреннее давление в скважине, заполненной газом, рассчитываемое по формуле P_z=P_пл/e^s.

При расчете обсадной колонны наружное и внутреннее избыточные давления в любом ее сечении определяются по соответствующим эпюрам.

Действующей инструкцией определен следующий порядок расчета обсадной колонны:

· расчет начинают с самой нижней секции, по наружному избыточному давлению, для нее подбираются трубы с p_кр≥k_3pн.и1 где p_н.и1 - наружное избыточное давление на нижней отметке обсадной колонны;

· затем нижнюю секцию проверяют на внутреннее избыточное давление, и если коэффициент запаса прочности на внутреннее давление окажется ниже регламентированного, трубы подбираются по внутреннему избыточному давлению, но следует заметить, что, как правило, в нижней части колонны внутреннее давление оказывается в значительной степени уравновешено наружным;

· для комплектования 2-й секции выбирают трубы с показателем наружного критического давления р_2кр ниже, чем для первой секции, и с учетом коэффициента запаса прочности p_н.и2≤p_2к.р/k₃ определяют возможную глубину h₂ спуска 2-й секции;

· вычисляют длину 1-й секции l₁=Н - h₂ и определяют ее вес P₁=-m₁gl₁, где m₁ - масса 1 м трубы;

· с учетом веса 1-й секции критическое давление смятия труб 2-й секции пересчитываетcя по формуле , где Р_2т -
рястягивающая нагрузка, и по величине Р'_2кр уточняется допустимая глубина спуска 2-й секции h₂ и соответственно корректируется длина 1 -й секции l'₁ = Н-h'₂;

· проводят проверку труб 2-й секции на внутреннее избыточное давление;

· подобным образом производят расчет последующих секций обсадной колонны и одновременно подсчитывают суммарный вес секций; когда он превысит допустимую нагрузку растяжения для последующей секции и, длину предыдущей секции следует пересчитать по допустимой нагрузке растяжения, т.е. при имеем , где [Р_т] и [Р_т+1] - допустимые нагрузки растяжения соответственно для труб m - й и (m+1) секций;

· одновременно производится проверка секций на внутреннее давление;

· длины вышерасположенных секций определяют по расчету на растяжение. Поскольку вес колонны возрастает, для верхних секций подбирают все более прочные трубы.

Расчет продолжают до тех пор, пока суммарная длина всех секций не превысит глубины спуска колонны; в этом случае длина самой верхней секции корректируется по глубине скважины .

Расчет промежуточной обсадной колонны отличие состоит в том, что через промежуточную колонну осуществляется бурение нижележащих интервалов и от условий в разрезе, вскрываемом скважиной, давление внутри колонны может изменяться в широких пределах, причем за минимальное внутреннее давление принимается такое, которое может возникнуть при поглощении промывочной жидкости или при открытом выбросе. Для первых двух-трех разведочных скважин опорожнение промежуточной колонны вследствие поглощения может быть принято не более чем на 30-40%.

В газовой скважине полное замещение бурового раствора природным газом принимается при объемном содержании в нем H₂S более 6% и в скважинах большой глубины при отсутствии в разрезе водоносных горизонтов ниже башмака колонны.

Максимальное внутреннее давление в промежуточной колонне для нефтяной скважины, оборудованной ПО, рассчитывается по пластовому давлению с учетом разгрузки от давления столба жидкости в колонне после полного замещения бурового раствора пластовым флюидом. За расчетное внутреннее давление может быть принято гидростатическое давление столба утяжеленного бурового раствора, применяемого при вскрытии нижележащих интервалов, или давление цементного раствора при цементировании последующей колонны.

Для нефтяных скважин максимальное давление на устье при закрытом превенторе рекомендуется увеличивать на Δр, т.е. на дополнительное давление, необходимое для ликвидации проявления.

Такой же порядок определения максимального внутреннего давления устанавливается и для газовых скважин, только распределение давления принимается по закону р_в=р_пл/е^s с учетом полного замещения в скважине бурового раствора пластовым флюидом.

Наружное давление на промежуточную колонну рассчитывается по тем же правилам, что и для эксплуатационной колонны.

Рекомендуемые значения коэффициента запаса прочности при расчете промежуточной колонны:

• на наружное избыточное давление - k₃=1,0;
• на внутреннее избыточное давление значения k₃ те же, что и для эксплуатационной колонны (см.выше);
• на растяжение - коэффициента запаса приведены в табл. 10.6.

С учетом возможного повышенного износа промежуточной колонны при последующем бурении нижележащих интервалов рекомендуется у устья устанавливать трубы с максимальной толщиной стенки общей длиной 20 м. Если бурение из-под колонны будет вестись продолжительное время, на участках наибольшего возможного износа обсадной колонны положено увеличивать толщину стенки обсадных труб на основании опытных данных или расчета по региональным методикам.

Следует отметить, что приведенный выше порядок расчета нагрузок применим и для колонн, комплектуемых импортными трубами, однако при этом коэффициенты запаса прочности будут иными:

• на избыточное наружное давление в зоне эксплуатационного объекта k₃=l,125-1,25;
• на избыточное наружное давление в остальной части k₃=l,125;
• на внутреннее избыточное давлении k₃=1,1;
• на нагрузку растяжения - по страгивающей нагрузке k₃=1,75, по нагрузке в теле трубы k₃=1,25.

Таблица 10.6 Значения коэффициента запаса прочности при расчете промежуточной колонны на растяжение (для вертикальных скважин)

Диаметр трубы, мм	Длина колонны, м	Величина коэффициента запаса прочности
114,3-168,3	≥3000	1,15
>3000	1,30
177,8-244,5	≤1500	1,30
>1500	1,45
273,1-323,9	≤1500	1,45
>1500	1,60
>323,9	≤1500	1,60
>1500	1,75