Обсадные колонны. 
Бурильная колонна

Расчет обсадных колонн на прочность Обсадные колонны рассчитывают на прочность согласно инструкции, разработанной ВНИИТнефтью [16]. Наблюдения показывают, что обсадные колонны разрушаются под действием избыточных внутренних и наружных давлений, а также собственного веса. Распространены повреждения обсадных колонн вследствие их протирания бурильными трубами при роторном бурении и нарушения герметичности резьбовых соединений.

Прочность обсадных колонн рассчитывается по следующим условиям:

на внутреннее давление.

n = pт/pв? [n]; (21).

на наружное давление.

S = ркр/рн? [S]; (22).

на растяжение.

K = рст/G? [k], (23).

где рт, ркр, рст — предельные внутреннее и наружное давления, и растягивающая нагрузка обсадной колонны; рв, рн, G — избыточные внутреннее и наружное давления, растягивающая нагрузка; п, S, k — запасы прочности по внутреннему, наружному давлению и растягивающей нагрузке; [п], [S], [k] — допускаемые запасы прочности обсадных колонн по внутреннему, наружному давлению и растяжению.

Предельное внутреннее давление, характеризующее сопротивляемость трубы внутреннему давлению, определяется по давлению, при котором напряжения в меридиональном сечении трубы достигают предела текучести. Величина этого давления, зависящая от диаметра, толщины стенки и материала трубы, вычисляется по формуле рт = 2дутс/D, (24).

где д — номинальная толщина стенки трубы, мм; ут — предел текучести материала труб, МПа; D — наружный диаметр трубы, мм; с — коэффициент, учитывающий допускаемое по ГОСТ 632–80 отклонение толщины стенки трубы от номинального значения (с=0,875).

Сопротивление трубы внутреннему давлению, согласно формуле (24), возрастает с уменьшением диаметра и увеличением толщины стенки и прочности материала труб. Предельные внутренние давления обсадных труб, рассчитанные по формуле (24), приводятся в справочниках по трубам нефтяного сортамента и в других литературных источниках [40, 42].

Предельное наружное давление называется критическим и характеризуется давлением, при котором напряжение в сечении трубы достигает предела текучести. Критическое давление определяется экспериментально либо по формуле Г. М. Саркисова [40].

(25).

где р — предел пропорциональности, который для трубных сталей принимается равным пределу текучести, МПа; Е — модуль упругости, 2,1 • 105 МПа; Кmin = min/D; K0 = 0/D; = 0/min; min = 0,875; 0=0,905; = 1,034; е — овальность трубы, наибольшее расчетное значение которой для труб диаметром (в мм) составляет: 114—219—0,01, 245—324—0,015; свыше 324—0,02.

Допускаемые запасы прочности, регламентированные инструкцией по расчету прочности обсадных колонн, приведены в табл.5.

Таблица 5.

Критические давления обсадных труб, вычисленные по формуле (25), приводятся в литературе [42]. Смятие трубы происходит при давлениях, превышающих критическое на 10—18%.

Предельная растягивающая нагрузка называется страгивающей и определяется нагрузкой, при которой напряжение в основной плоскости резьбы достигает предела текучести. Страгивающая нагрузка обсадной трубы (в МН) определяется по формуле.

(26).

где D0 — средний диаметр сечения в основной плоскости резьбы (первой полной нитки), м; D0 = D — 2h1 — b; h1 — глубина резьбы, м; b — толщина стенки трубы в основной плоскости резьбы, м; з = b/(+ b) — коэффициент разгрузки; l — длина резьбы до основной плоскости, м; б — угол между опорной поверхностью резьбы и осью трубы; ц — угол трения (принимается ц = 7є).

Значения страгивающих нагрузок обсадных труб, вычисленные по формуле (26), приводятся в литературе [42].

Избыточные давления вычисляют по наиболее опасному сочетанию внутренних и наружных давлений, действующих на обсадную колонну при опробовании, эксплуатации и ремонте скважины.

Избыточное наружное давление для первых разведочных скважин определяют по формулам:

при расчете колонн нефтяных скважин бурильный колонна скважина порода.

• (2.27)
• (28)

при расчете колонн газовых скважин.

(29).

Здесь H — расстояние от устья до уровня жидкости в колонне, м; z — расстояние от устья скважины до рассчитываемого сечения, м; L — глубина скважины, м; рmin— наименьшее внутреннее давление в газонефтяной или газовой скважине при окончании эксплуатации, Па; р — плотность бурового раствора за колонной, кг/м3; - плотность жидкости внутри колонны, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2.

Внутреннее наименьшее давление принимают по устьевому и забойному давлению в конце эксплуатации скважины, а распределение давления по длине колонны принимается линейным. Избыточное наружное давление в незацементированных и зацементированных зонах с учетом пластового давления для достаточно изученных районов рассчитывают по уточненным геологическим данным.

Растягивающую нагрузку от собственной массы спущенной колонны определяют по формуле.

(30).

где m — число секций обсадной колонны; li — длина i-й секции обсадной колонны, м; qi — теоретическая масса 1 м труб в i-й секции обсадной колонны (приводится в справочниках по обсадным трубам), кг.

Конструкция колонны состоит из отдельных секций труб, удовлетворяющих условию равнопрочности. Для выбора равнопрочных секций эксплуатационную обсадную колонну рассчитывают в следующем порядке.

По формулам (27) — (29) находят наружные избыточные давления при глубинах z = 0, z = Н и z = L и строят эпюру действующих по длине колонны наружных давлений.

По табл. 5 принимают запас прочности [S1] по наружному давлению pHI и затем по справочным данным выбирают для I секции обсадную трубу, критическое сминающее давление которой удовлетворяет условию (22): ркрI = РHI [S1].

Задаваясь длиной I секции l1 которая должна быть равна высоте эксплуатационного горизонта, по эпюре либо по формулам (27) — (29) определяют наружное давление РHII на нижнем конце II секции, т. е. на глубине L2 = L1-l1, где L1 = L — длина колонны от устья до башмака.

Вес I секции G1 = l1q1g, где q1 — теоретическая масса 1 м труб I секции, кг.

Приняв запас прочности для остальных секций труб [S], выбирают трубы для II секции по условию: ркрII pHII[S].

Для определения длины II секции предварительно выбирают трубы III секции. Вследствие сравнительно меньшей глубины подвески критическое давление труб III секции ркрIII < ркрII. Исходя из ркрIII, можно вычислить предельную глубину спуска труб III секции по формуле.

Длина II секции колонны l2 = L2—L3; вес II секции G2 = l2q2g.

6. Для определения длины III секции l3 необходимо выбрать трубы IV секции, определить pкр IV по таблице и рассчитать предельную глубину их спуска:

Длина III секции колонны l3 = L4—L3; в III секции G3 = l3q3g.

7. Аналогично рассчитывают длины последующих верхних секций колонны, пока

Если окажется близкой к Pст i, то длину i-й секции определяют из расчета на растяжение по условию (23):

где Рст i — страгивающая нагрузка труб i-й секции; [k] - запас прочности по растяжению (принимается по табл. 5); [Рст i] — допускаемая страгивающая нагрузка труб i-й секции.

Секция i разделяет колонну на две части, из которых нижняя рассчитана по наружному давлению, а верхняя — на растяжение. Прочность труб (i + 1)-й и последующих секций по мере приближения к устью должна возрастать вследствие увеличения собственного веса колонны.

8. Для определения длины (i + 1)-й секции выбирают трубы этой секции, имеющие страгивающую нагрузку Pст (i+1). Длина (i+1)-й секции так как согласно предыдущему

так как согласно предыдущему.

Аналогично рассчитывают длины последующих верхних секций, пока общая длина всех секций не станет равной длине проектируемой обсадной колонны:

L = l1+l2+…+li+…lm.

Общий вес колонны

Рассмотренная методика применима для расчета прочности промежуточной обсадной колонны. При отсутствии наружного избыточного давления эту колонну рассчитывают по растягивающей нагрузке и внутреннему избыточному давлению. У устья скважины и над башмаком промежуточной колонны устанавливают 100—150 м труб с толщиной стенки 10 мм и более для предупреждения протирания труб в процессе бурения и спускоподъемных операций. Пример расчета обсадных колонн приведен в табл. ЗП приложения.