Расчёт и крепление обсадных колонн

 

Профиль скважины состоит  из четырех участков (рисунок 1.):

1. Вертикальный участок
2. Интервал набора кривизны
3. Интервал стабилизации зенитного угла
4. Интервал спада зенитного угла

Рисунок 1. Профиль ствола скважины.

 

Конструкция скважины определяется заданием заказчика (добывающей организации) и геологическими условиями района работ. Обоснование конструкции проводится в два этапа. На первом этапе выбирается метод вхождения в пласт, число обсадных колонн и глубины их спуска. На втором – размеры колонн, диаметры долот, интервалы цементирования.

Расчитаем индексы давления по следующей формуле  из [ 1 ]:

 

.

 

Результаты  расчёта сведём в таблицу 1.2.

Таблица 1.2.

Интервал	Литология	Рпл ,МПа	Рпогл ,МПа	КА	Кпогл
0-450	Q-P3/2	4,5	9	1,02	2,04
450-1130	Р3/2-К2	11,3	22,6	1,02	2,04
1130-1740	К2-К1	17,4	29,6	1,02	1,74
1740-2700	К1	26,7	45,9	1,01	1,73

 

Рисунок 2. График индексов давлений пластового и гидроразрыва пласта.

 

Выбор диаметров обсадных колонн и  диаметров долот

Проектом  разработка предусмотрено использовать эксплуатационную колонну диаметром 146,1 мм.

Диаметр долота для бурения ствола под  заданную колонну определяют по формуле:

 

D_д=D_м+2·д,

 

где D_м – диаметр муфты обсадной колонны, мм.

д=5…40 мм – минимальный зазор.

Диаметры кондуктора и направления можно рассчитать по формуле:

 

D_к=D_д+2·Д,

 

где Д=3…5 мм – зазор.

Диаметр долота под эксплуатационную колонну:

D_дэ=166 + 2·20=206 мм. По ГОСТ 20-692-75 выбираем D_дэ=215.9 мм.

Диаметр кондуктора :

D_к=215,9+2∙5=225,9 мм, Выбираем D_к=244,5 мм.

Диаметр долота под кондуктор :

D_дк=270+2∙10=290 мм. Выбираем D_дк=295,3 мм.

Диаметр направления :

D_н=295,3 +2∙5=305,3 мм. Выбираем D_н=323,9 мм.

Диаметр долота под направление :

D_дн=351+2∙10=371 мм. Выбираем D_дн=393,7 мм.

Колонна направления нужна  для перекрытия водных горизонтов во избежании перемешивания их вод, попадания раствора и твердой  фазы в них, которые приводят к  экологическим проблемам, а также  для исключения обвалов стенок скважины.

 

2. Расчёт обсадной колонны

 

Основными расчётами обсадных колонн, являются расчёты на наружное и внутреннее избыточное давление и расчёт на растяжение.

Расчёт на внутреннее давление действующее  на колонну.

Определим давление на устье при  условии, что скважина заполнена  пластовой жидкостью:

 

.

 

Определим давление опрессовки на забое:

 

.

 

Где - опрессовочное давление на устье скважины.

Определим давление в конце эксплуатации:

 

.

 

Построим  график внутренних давлений.

 

Рисунок 3. График внутренних давлений.

 

Расчёт на наружное давление действующее  на обсадную колонну.

В не зацементированном  интервале заполненным промывочной  жидкостью, наружное давление определяется, как гидростатическое от столба промывочной  жидкости.

 

.

 

В зацементированном интервале  до затвердевания цемента, давление определяется по давлению столба промывочной  жидкости и цементного раствора.

 

.

 

В случае когда обсадная колонна зацементирована  разной плотности, то допускается использовать среднюю плотность раствора с  учётом длины каждого интервала.

 

.

 

Отсюда  получим наружное давление до затвердевания  цемента:

 

.

 

Определим наружное давление после затвердения  цемента:

 

,

 

где - гидростатическое давление столба промывочной жидкости; - гидростатическое давление жидкости содержащейся в порах затвердевшего цемента.

 

Построим  график наружных давлений.

 

Рисунок 4. График наружных давлений.

 

Определим внутренние избыточные давления действующие на обсадную колонну

В общем  случае внутренние давления определяются как разность внутренних и наружных давлений на один и тот же момент времени, когда внутреннее давление в колонне достигает максимальных значений. Как правило это бывает при опрессовке обсадной колонны. Избыточное давление определяется для характерных  точек, а распределение давления между ними принимается линейно.

По графику 3 и 4 определим характерные точки:

 

 

 

При определении  внутреннего избыточного давления в продуктивной зоне пласта вне осложнённых  условий, вводится коэффициент разгрузки  цементного кольца – К. Это обусловлено  допущениями которые приняты  при составлении методики расчёта. Для обсадных колонн диаметром 146 мм, К=0,25.

 

Определим наружные избыточные давления

Наружные избыточные давления определяются как разность наружных и внутренних давлений на момент когда  они достигают максимальных значений. Как правило это относится  к моменту эксплуатации скважины. Избыточное давление определяются для  характерных точек, а распределение  давления между ними принимается  линейно.

 

При определении  наружного избыточного давления в продуктивной зоне пласта вне осложнённых  условий, вводится коэффициент разгрузки  цементного кольца – К. Для обсадных колонн диаметром 146 мм, К=0,25.

 

 

 

Построим график внутренних и наружных избыточных давлений.

 

Рисунок 5. График наружных и внутренних избыточных давлений.

 

Рассчитаем обсадную колонну

Расчёт  начинаем снизу вверх подбирая колонну  исходя из расчёта на наружное давление и проверяем полученные данные расчётами  на внутреннее давление и растяжение.

Выбираем  трубы из [2], для 1 секции d=146мм, =7,7мм, [ ]=24,3 МПа, [ ]=35МПа, [ ]=1254кН, q=0,265кН, группы прочности Д, где

d- диаметр обсадной колонны;

 - толщина стенки обсадной  трубы;

[ ] – допустимое сминающее давление;

[ ] – допустимое внутреннее давление при котором возникает предел текучести материала трубы;

[ ] – допустимая страгивающая нагрузка определённая по формуле Яковлева

q – вес одного погонного метра трубы.

 

Рассчитаем на смятие нижнюю трубу первой секции

Основой расчёта является следующее уравнение:

 

,

 

где - коэффициенты запаса прочности на смятие, соответственно рассчитанной и допускаемой;

 - расчётное сминающее давление  в сечении z по длине обсадной колонны.

Из [3] получим, что в интервалах продуктивных пластов  , в зависимости от устойчивости коллектора, примем . В остальных интервалах .

 

.

 

Определим длину первой секции: .

Определим вес первой секции: .

 

Рассчитаем на разрыв от внутреннего  давления верхнюю трубу первой секции

Определим по графику 4 внутреннее избыточное давление на глубине.

 

 

Основой расчёта является следующее уравнение:

 

 

где - коэффициенты запаса прочности, соответственно рассчитанный и допускаемый, [3],

 внутреннее избыточное давление в сечении колонны z.

 

 

В интервале  где на колонну действуют совместные (сжимающие и растягивающие) нагрузки должно выполнятся следующее условие:

 

 

Проверим нижнюю трубу второй секции на действие совместных нагрузок

 

 условие выполняется.

 

Выбираем  трубы для второй секции: d=146мм, =7,7мм, [ ]=24,3МПа, [ ]=35МПа, [ ]=1254кН, q=0,256кН, группы прочности Д.

 

Проверим нижнюю трубу второй секции на растяжение от веса первой секции

В основе расчёта используется уравнение:

 

, где [n_p] и n_p допустимый и расчётный коэффициенты запаса прочности на растяжение, из [3] [n_p]=1,3.

, условие выполняется. 

 

Рассчитаем на смятие нижнюю трубу  второй секции.

 

 

Для определения  длины второй секции подбираем трубы  для третьей секции: d=146мм, =7,0мм, [ ]=20.3МПа, [ ]=31,8МПа, [ ]=1136кН, q=0,243кН, группы прочности Д.

 

Рассчитаем на смятие нижнюю трубу третьей секции

Глубину спуска третьей секции определим  из графика 4.

 

 

Определим длину второй секции:

Определим вес второй секции:

 

Расчёт на разрыв от внутреннего  давления верхней трубы второй секции

Определим по графику 5 внутреннее избыточное давление на глубине L=2018м.

 

 

Проверим нижнюю трубу третьей  секции на действие совместных нагрузок

 

 

Проверим нижнюю трубу третьей  секции на растяжение от веса первой и второй секции

 

 условие выполняется.

Определим допустимую длину третьей секции:

 

 

Следовательно, третья секция может быть применена до устья.

 

Проверим верхнюю трубу третьей  секции на разрыв от внутреннего давления

Определим по графику 5 внутреннее избыточное давление на глубине L=0 м.

 

 

Проверим верхнюю трубу третьей  секции на растяжение от веса первой и  второй секции:

Определим вес третьей секции:

 

 условие выполняется.

 

Таблица 2.1.

№ секции	Длина, Li, м	Группа проч-ности	Толщина стенки, мм	Вес погонного метра, кН	Вес секции, кН	Фактические
						nсм	nв	np
1	160	Д	7,7	0,265	42,4	1,16	4,6	29,5
2	640	Д	7,7	0,265	170	1,2	3,7	5,3
3	1900	Д	7,0	0,243	461,7	1,19	2,5	1,69

 

 

3.Обоснование состава  технологической оснастки компоновки  ОК

 

Таблица 3.1.

Номер в по- рядке спуска	Наименование, шифр,типоразмер	Наружный диаметр,мм	Внутренний диаметр, мм	Длина (высота), мм	Масса, кг	Количество, шт
Направление
1	Башмак Б-324	351	308	350	60	1
Кондуктор
1	Башмак БК-245	270	120	413	57	1
2	Центратор ЦЦ-245/295-320-1	370	247	680	16,8	5
3	Обратный клапан ЦКОД-245-2	270	-	365	57	1
Эксплуатационная колонна
1	Башмак БК-146	166	70	334	22	1
2	Обратный клапан ЦКОД-146-1	166	-	350	19,8	1
3	Центратор ЦЦ-146/191-216-2	270	148	620	10,3	23
4	Заколонный пакер ПГП-146 (ПГПМ)	175	124	4500	185	1
5	Продавочная пробка ПВЦ-140-168	158	-	205	5	1