Условия работы обсадных труб в скважине и виды их расчетов

Наибольшие растягивающие напряжения в колонне обсадных труб возникают при ее спуске в скважину в моменты, когда колонна приподнимается для ее освобождения от клиньев ротора или снятия с элеватора. При этом на колонну действуют собственный вес, силы трения и силы инерции. Растягивающие напряжения минимальны у башмака и максимальны на устье скважины. Слабым элементом трубы на растяжение является резьбовое соединение.

При цементировании, при опрессовке колонны, при освоении, а также при проведении ряда технологических операций в скважине в колонне может иметь место высокое внутреннее избыточное давление. Это давление максимально на устье и снижается с глубиной.

В процессе эксплуатации скважины в ней понижается уровень жидкости для создания депрессии на продуктивный пласт. При этом возникает наружное избыточное давление за счет разности давлений жидкостей снаружи колонны и изнутри, которая тем больше, чем глубже скважина и чем больше снижение уровня. Кроме того, в разрезе месторождения могут быть пласты, сложенные пластичными горными породами, склонными к текучести. В этом случае наружное избыточное давление определяется разностью горного давления и давления жидкости внутри колонны.

В соответствии с действующими на колонну нагрузками выполняются прочностные расчеты. Чтобы колонна была наименьшего веса, необходимо, обеспечить запас прочности по длине колонны близким к допустимому. Такая колонна называется равнопрочной.

Первый расчет проводится на максимальное ожидаемое внутреннее избыточное давление в скважине. Допустимый запас прочности для труб диаметром 219,1 мм и меньше принимается равным 1,15, а для труб большего диаметра 1,45. Расчетом определяются сверху вниз допустимые глубины спуска труб с различной толщиной стенки.

Второй расчет проводится на смятие наружным давлением и расстройство резьбовых соединений под действием растягивающих нагрузок. Последовательно снизу вверх проводится формирование секций труб с различной толщиной стенки. Допустимый запас прочности на смятие по всей длине колонны принимается равным единице за исключением интервала, включающего толщину продуктивного пласта + 50 м, в котором запас прочности принимается равным 1,15. Как правило, колонна формируется из стали группы прочности Д, а в случае, когда исчерпаны возможности группы прочности Д, переходят к трубам из сталей более высокой прочности.

Вначале снизу вверх определяется допустимая глубина спуска труб с толщиной стенки, удовлетворяющей запасу прочности на смятие и проведенному выше расчету на внутреннее избыточное давление, затем глубина спуска секции уточняется с учетом действия растягивающих напряжений и делается проверка резьбового соединения на растяжение. Запас прочности принимается от 1,15 до 1,60 в зависимости от диаметра труб и общей длины колонны.

По мере уменьшения глубины толщина стенки секций труб уменьшается до момента, пока трубы удовлетворяют проверке на растяжение. Выше формируются секции труб в соответствии с расчетом только на растяжение и на внутреннее избыточное давление. В результате получается конструкция обсадной колонны со ступенчато изменяющейся толщиной стенки (рис. 9.7). Уменьшение толщин стенок секций в верхней части колонны от d₆ до d₄ отражает снижение внутреннего избыточного давления и напряжений растяжения с увеличением глубины, а увеличение толщин стенок в нижней части колонны от d₄ до d₁ – увеличение наружного избыточного давления с ростом глубины.

Рабочей программой дисциплины предусмотрено выполнение курсовой работы, включающей конструирование скважины и расчет эксплуатационной обсадной колонны. В помощь подготовлено соответствующее пособие (Попов А.Н., Жулаев В.П. Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин: учебно-методическое пособие. – Уфа: УГНТУ, 2005), в котором подробно изложена вся процедура расчетов.