Эксплуатационной колонны

После образования прочного цементного камня эксплуатационную колонну обвязывают с предыдущей, обсадной колонной с помощью специальной головки с целью герметизации устья скважины. При освоении и эксплуатации скважины температура и внутреннее давление в колонне, как правило, существенно отличаются от температуры и давления в момент обвязки. Поскольку после обвязки эксплуатационная колонна утрачивает свободу осевого перемещения, то при изменении температуры или давления могут возникнуть осевые силы, достаточно большие, чтобы незацементированный участок колонны утратил прямолинейную форму продольной устойчивости, а иногда даже достаточные, чтобы нарушилась связь между колонной и цементным камнем.

Одним из способов предотвращения продольного изгиба нецементированного участка колонны может быть установка в нижней его части компенсатора осевых деформаций. Другим, наиболее распространенным способом является предварительное натяжение колонны при обвязке с таким усилием, чтобы при последующих ожидаемых изменениях температуры и давления продольный изгиб нецементируемого участка был исключен. При этом если прочность труб не удовлетворяет возможным растягивающим нагрузкам, то необходимо использовать более прочные трубы.

Для строгого учета возникающих дополнительных осевых нагрузок необходимо, прежде всего, рассчитать температурный режим участка в момент его натяжения, после окончания ОЗЦ (базисный), а затем вычислить предельные температурные режимы незацементированного участка колонны.

Наибольшему нагреву незацементированная часть колонны подвергается при фонтанировании. Предельные растягивающие нагрузки могут возникнуть и при освоении, консервации, глушении, ремонтных работах в скважине, а также при нагнетании флюида в пласты. Необходимо рассчитать температуру участка при этих операциях, определить наибольшую величину ее изменения по сравнений с "базисным" и рассчитать растягивающую нагрузку с учетом факторов внутреннего и внешнего давления на колонну.

Если хотя бы при одном из вышеназванных процессов суммарное напряжение в теле колонны превысит предел прочности обсадных труб, то возникает необходимость выбора более прочных труб.

Все расчеты выполняют на стадии проектирования.

Расчет натяжения колонн производят после расчёта колонн.

При определении усилия натяжения исходят из необходимости сохранения прямолинейной формы колонны при изменении температуры и давления.

Расчет натяжения производят для вертикальных скважин.

Для наклонно-направленных скважин рассчитывают натяжение вертикального незацементированного участка колонны.

В зависимости от назначения следует различать скважины с прогревом в процессе эксплуатации свободной от цемента части колонны () и скважины с охлаждением в процессе эксплуатации свободной от цемента части колонны ().

При эксплуатации нагнетательных и газлифтных скважин свободная часть колонны, особенно в зимнее время, может охлаждаться, укорачиваться, что приведет к возникновению дополнительных растягивающих усилий.

В фонтанных и насосных скважинах свободная часть колонны нагревается, удлиняется и в ней (при обвязанном устье) могут возникнуть дополнительные сжимающие усилия, ведущие к потере устойчивости колонны.

В связи с разными термогидродинамическими условиями в различных по назначению скважинах возникает необходимость определения не только нижнего, но и верхнего предела усилия натяжения колонны.

Натяжение обсадной колонны в том случае, когда в процессе эксплуатации она не подвергается нагреву (охлаждению) и действию внутреннего избыточного давления, а также в случае, когда условия работы колонны (давление, температура) неизвестны, определяют, по формуле:

(1)

где: - усилие натяжения, кН;

Q - вес свободной (незацементированной) части колонны, кН.

Минимальное значение усилия натяжения для скважин любого назначения определяют одинаково: по наибольшему значению, вычисленному по формулам:

(2)

где: - внутреннее устьевое давление в колонне при эксплуатации или при интенсификации, МПа;

l - длина свободной части колонны, м;

D, d - соответственно наружный и внутренний диаметры колонны, м. d определяют по средней площади, сечения колонны:

(3)

- длины секций обсадной колонны, м;

- соответствующие площади сечения труб в секциях, м²;

- удельные веса жидкости за колонной и внутри нее в процессе эксплуатации, Н/м³;

- коэффициент линейного расширения, 1/°С;

Е - модуль упругости материала трубы, Па;

- средняя температура нагрева (охлаждения) колонны, °С.

Приближенное значение средней температуры нагрева (охлаждения) может быть определено в соответствии со схемой (рис. 9.1) из зависимости:

(4)

где: - температура колонны до эксплуатации, обычно принимаемая по геотермическому градиенту, °С;

- температура жидкости за колонной в процессе эксплуатации, °С.

При отсутствии данных , определяют приближенно: , где - температура жидкости, движущейся по колонне (у устья и на уровне свободной части),°С.

Рис. 9.1. Изменение температуры в скважине.

Значение усилия натяжения должно составлять:

(5)

где: - допустимая осевая нагрузка на трубы колонны, кН.

После натяжения колонны в процессе освоения, эксплуатации и ремонтов должны соблюдаться следующие условия прочности:

; (6)

.

где: - вес колонны от устья до рассматривания сечения, кН;

- осевое усилие, возникающее в колонне в результате температурных изменений, кН;

- осевое растягивающее усилие, возникающее в результате действия внутреннего устьевого давления в процессе эксплуатации, кН;

- осевое усилие, возникающее в колонне в результате действия внешнего и внутреннего гидростатического давления, кН.

; (7)

- при нагревании положительна, при охлаждении - отрицательна:

; (8)

; (9)

l - расстояние от устья скважины до рассматриваемого сечения, м. На устье ;

; ;

- удельные веса жидкости в скважине после спуска и цементирования колонны, Н/м³.

Если прочность колонны удовлетворяет условиям эксплуатации следует проверить также напряженное состояние колонны при освоение скважины, когда буровой раствор заменяют водой. В этом случае, возможно повышение напряжения в натянутой и закрепленной на устье колонне из-за охлаждения и внутреннего давления.

Натяжение по формуле 2 определяется для жестко закрепленной колонны, которая для обвязки устья скважины разгружается на цементное; кольцо.

Для колонн, которые не разгружаются на цементное кольцо, натяжение также определяется по формуле 2, но должно быть не менее собственного веса всей колонны .

Если колонна зацементирована до устья .