Обратная связь
|
Основные теоретические положения Тема: Конструкции скважин. Проектирование конструкций обсадных колонн.
Задание:1) Рассчитать эксплуатационную колонну для нефтяной скважины в конкретных геолого-технических условиях. 2) Рассчитать эксплуатационную колонну для газовой скважины в конкретных геолого-технических условиях.
Основные теоретические положения
Обсадные колонны рассчитывают с учетом максимальных значений избыточных наружных (сминающих) и внутренних (разрывающих) давлений, а также осевых нагрузок (при бурении, опробовании, эксплуатации, ремонте скважин и т. д.). Значения внутренних давлений максимальны в период ввода скважин в эксплуатацию (при закрытом устье) или при нагнетании в скважины жидкостей для интенсификации добычи (гидроразрыв). Значения внутренних давлений обычно минимальны при окончании эксплуатации скважин.
Условные обозначения, принятые в формулах.
| Расстояние от устья скважины, м:
|
| | до башмака колонны………………………………………………………..
| 
| | до уровня тампонажного раствора………………………………………...
| 
| | до уровня жидкости в колонне…………………………………………….
| 
| | до пласта, в котором возможны нефтегазоводопроявления…………….
| 
| | до верхнего конца i-й секции обсадной колонны………………………...
| 
| | до рассчитываемого сечения………………………………………………
| 
| | Длина i-й секции обсадной колонны, м………………………………………….
| 
| | Относительная плотность газа по воздуху………………………………………
| 
| | Плотность, г/см3:
|
| | опрессовочной жидкости…………………………………………………...
| 
| | бурового раствора за колонной…………………………………………….
| 
| | жидкости в колонне………………………………………………………...
| 
| | тампонажного цементного раствора за колонной………………………..
| 
| | вышележащих пород (средняя)…………………………………………….
| 
| | бурового раствора в колонне………………………………………………
| 
| | жидкости в колонне в процессе проявления (минимальная)…………….
| 
| | Давление, МПа:
|
| | избыточное внутреннее на устье в период ввода скважины в эксплуатацию……………………………………………………………..
| 
| | внутреннее избыточное на глубине z……………………………………...
| 
| | наружное избыточное на глубине z……………………………………….
| 
| | избыточное критическое наружное, при котором напряжения в теле трубы достигают предела текучести……………………………………
|
| | избыточное внутреннее, при котором напряжения в теле трубы достигают предела текучести……………………………………………
|
| | пластовое давление на глубине z………………………………………….
| 
| | наименьшее внутреннее в газонефтяной и газовой скважинах при окончании эксплуатации ………………………………………………...
внутреннее на глубине z………………………………………………….
|
 
| | наружное на глубине z……………………………………………………... опрессовки……………………………………………………………….
|  
| | Вес колонны, Н (МН):
|
| | 1 м i -й секции (теоретический)……………………………………………
| 
| | i -й секции…………………………………………………………………...
| 
| | общий вес подобранных секций…………………………………………..
| 
| | Нагрузка, МН:
|
| | Страгивающая………………………………………………………………
| 
| | допустимая осевая…………………………………………………………..
| 
| | Температура газа, К:
|
| | на устье скважины…………………………………………………………..
| 
| | на забое скважины…………………………………………………………..
| 
| | Средняя………………………………………………………………………
| 
| | Коэффициент сжимаемости газа…………………………………………………
| 
| | Коэффициент разгрузки цементного кольца……………………………………
| 
| | Коэффициент запаса прочности при расчете:
|
| | на наружное избыточное давление………………………………………...
| 
| | на внутреннее избыточное давление………………………………………
| 
| | на растяжение……………………………………………………………….
| 
| | Коэффициент разгрузки цементного кольца k составляет:
|
| | Диаметр колонны,
|
| | мм…………………….
| 114-178
| 194-245
| 273-324
| 340-508
| | Коэффициент k
| 0,25
| 0,30
| 0,35
| 0,40
|
При расчете обсадных колонн рекомендуются трубы следующей овальности:
| Диаметр труб, мм…………………
| <219
| 245-324
|
| | Овальность труб………………….
| 0,01
| 0,015
| 0,02
|
Рекомендуемые величины коэффициентов запаса прочности при расчете:
а) на наружное избыточное давление - : 1,0-1,3 для секций, находящихся в пределах эксплуатационного объекта, в зависимости от устойчивости коллектора; 1,0 - для остальных секций. Эти значения увеличивают на 10 % для интервалов, в которых осевые растягивающие напряжения в колонне превышают 0,5  ;
б) на внутреннее избыточное давление - : 1,15 - для труб диаметром 114-219 мм; 1,52 - свыше 219 мм;
в) на растяжение (страгивание) - (табл. 1).
Таблица 1
| Диаметр трубы, мм
| Длина колонны, м
| Коэффициент запаса прочности для скважин
| | вертикальных
| наклонно-направленных
| | 114-168
178-219
| <3000
>3000
<1500
>1500
| 1,15
1,30
1,30
1,45
| 1,30
1,30
1,45
1,45
|
В газовых скважинах при L≤1000 м и  ≤10 МПа, а также при ≤4 МПа и любом L допустимо считать, что внутреннее давление по всей глубине скважины равно пластовому. По окончании эксплуатации газовой скважины (Н = L) за внутреннее давление принимают наименьшие устьевое и забойное давления для заданного диаметра эксплуатационной колонны.
Внутреннее давление в нагнетательных скважинах определяют с учетом максимальных устьевого и забойного давлений при закачке жидкости или газа. При ремонтных работах, гидроразрывах и т. д. внутреннее давление определяют с учетом максимального устьевого давления.
Если наружное давление в зоне проницаемых пород на зацементированном участке окажется меньше пластового давления, то расчет ведут по последнему. В интервале залегания пород, склонных к текучести, наружное давление определяют по полному горному давлению.
В табл. 2 приведены минимальные избыточные внутренние давления при испытании колонны на герметичность.
Таблица 2
| Наружный диаметр колонны, мм
| Минимальное избыточное внутреннее давление, МПа
| Наружный диаметр
колонны,
мм
| Минимальное избыточное внутреннее
давление, МПа
| | 114-127
| 12,0
| 219-245
| 7,0
| | 141-146
| 10,0
| 273-351
| 6,0
| |
| 9,0
| 377-426
| 5,0
| | 178-194
| 7,5
|
|
|
Расчет обсадных колонн с трапецеидальной резьбой на растяжение проводят, исходя из допустимой нагрузки. При спуске обсадных колонн секциями за длину колонны принимают длину секции.
Расчетные схемы и формулы
На рис. 1 приведены расчетные схемы I-V: первые четыре соответствуют нефтяным скважинам, пятая – газовой скважине.
Точки 1-4 - характерные точки, в которых определяют избыточные наружные давления на стадии окончания эксплуатации; точки а, б, в - характерные точки, в которых определяют внутренние избыточные давления при испытании колонны на герметичность.
Ниже приводятся расчетные формулы.
Схема I. Наружные избыточные давления в точках:
 (1)
 (2)
 (3)
Внутренние избыточные давления в точках:
 или  (4)
(принимается большая величина)
 (5)
при  > или
 при ≤ (6)
| Рис.7 Расчетные схемы обсадных колонн
| | 
Здесь - минимальное внутреннее давление
 при > (7)
или
 при ≤ (8)
Схема II. Наружные избыточные давления в точках:
(9)
 (10)
 (11)
 (12)
Внутренние избыточные давления в точках:
или (13)
(принимается большая величина)
 при > (14)
или  при ≤
 при > (15)
или
 при ≤ (16)
Схема III. Наружные избыточные давления в точках:
Внутренние избыточные давления в точках:
или (принимается большая величина)
 при >
или
 при ≤
Схема IV. Наружные избыточные давления в точках:
, 
Внутренние избыточные давления в точках:
или (принимается большая величина)
 при > или
при ≤
 при >
или
 при ≤
Примечание. Для всех приведенных выше схем I-IV:
 (17)
Схема V (для газовой скважины). Наружные избыточные давления в точках:
 (18)
 (19)
Внутренние избыточные давления в точках:
 или (принимается большая величина);
 при > 
или
 при ≤
Для газовых скважин:
 (20)
 (21)
 (22)
 (23)
Примечания. 1. Если  <  , то расчетное давление на всем зацементированном участке принимается равным .
2. Если  , определенное по составному столбу с учетом разгрузки, окажется больше, чем давление, определенное по столбу бурового раствора за колонной, то расчет проводят по следующим формулам:
а) для нефтяных скважин
 при 0≤ ≤ ;
 при ≤ ≤ ;
б) для газовых скважин
 при 0≤ ≤ .
3. Избыточное наружное давление на глубине с учетом пластового давления определяют по формуле
В интервале залегания пород, склонных к текучести, давление определяют по формуле
 (24)
4. Избыточное внутреннее давление на глубине с учетом пластового давления определяют по формуле
 при > ; (25)
 при ≤ . (26)
5. Если окажется близким к  , длину секции из расчета на растяжение определяют по формуле:
 , (27)
где  - вес 1 м. труб  - секции;
 . (28)
КРИТИЧЕСКИЕ ДАВЛЕНИЯ ОБСАДНЫХ ТРУБ, МПа
(ГОСТ 632-80)
Таблица 3
| Условный наружный диаметр трубы, мм
| Толщина стенки, мм
| Группа прочности материала труб
| |
С
|
Д
|
К
|
Е
|
Л
|
М
|
Р
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
| 21,3
27,2
33,0
38,5
| 24,3
31,5
38,5
45,5
| 29,3
39,2
48,8
58,0
| 31,0
42,0
52,8
63,0
| 33,9
47,0
60,2
73,0
| 36,2
51,2
66,8
82,0
| 39,4
57,6
77,5
77,5
| |
|
| 17,7
23,1
28,4
33,5
| 19,9
26,5
32,9
39,2
| 23,5
32,3
41,1
49,8
| 24,5
34,3
44,2
53,9
| 26,5
37,8
49,7
61,5
| 27,9
40,6
54,3
68,3
| 29,8
44,6
61,5
79,5
| |
|
| 14,7
19,6
24,5
29,2
33,9
38,5
| 16,3
22,2
28,1
34,0
39,6
45,2
| 18,8
26,5
34,6
42,6
50,4
53,0
| 19,6
27,9
36,9
45,8
54,6
63,1
| 20,8
30,3
40,8
51,6
62,3
73,8
| 21,7
32,1
44,0
56,6
69,3
81,7
| 22,9
34,7
48,7
64,4
80,8
97,3
| |
| 6,5
| 15,8
18,2
22,9
27,5
32,0
36,4
| 17,7
20,5
26,2
31,8
37,3
42,7
| 20,5
24,2
31,9
39,6
47,2
54,6
| 21,4
25,4
33,9
42,5
51,0
59,3
| 22,9
27,4
37,3
47,6
58,0
68,1
| 24,0
29,0
40,0
51,9
64,1
76,1
| 25,4
31,0
43,9
58,5
74,0
89,9
| |
| 6,5
| 11,9
13,8
17,9
22,0
26,0
29,9
34,0
41,5
| 13,0
15,3
20,2
25,1
30,0
34,8
39,5
48,8
| 14,6
17,5
23,8
30,4
37,1
43,8
50,3
62,9
| 15,1
18,2
25,0
38,3
39,7
47,1
54,4
68,5
| 15,9
19,2
26,9
35,3
44,3
53,3
62,1
79,3
| 16,4
20,0
28,3
37,8
48,0
58,3
69,1
89,5
| 17,2
21,1
30,3
41,3
53,6
66,8
80,5
107,8
| |
|
| 12,4
16,2
20,0
23,8
27,6
31,3
38,6
| 13,6
18,1
22,7
27,4
32,0
36,5
45,3
| 15,3
21,0
27,2
33,5
39,9
46,1
58,2
| 15,8
22,0
28,7
35,7
42,8
49,8
63,3
| 16,7
23,5
31,2
39,5
48,0
56,5
73,0
| 17,3
24,6
33,1
42,5
52,3
62,3
82,0
| 18,1
26,2
35,5
16,9
59,0
71,7
97,7
| |
|
| 10,2
13,6
17,2
20,7
27,7
34,4
| 11,1
15,1
19,3
23,6
32,0
40,3
| 12,7
17,2
22,6
28,3
40,0
51,3
| 12,7
19,9
23,7
30,0
42,9
55,6
| 13,3
18,9
25,4
32,6
41,1
63,6
| 13,7
19,7
26,7
34,7
52,5
70,8
| 14,3
20,7
28,5
37,7
52,1
82,8
| |
|
| 7,7
10,5
13,5
| 8,2
11,4
14,9
| 8,9
12,7
17,0
| 9,2
13,1
17,6
| 9,4
13,6
18,6
| 9,7
14,1
19,4
| 10,0
14,7
20,4
| Продолжение таблицы 3
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
| 16,6
19,7
22,8
| 18,6
22,4
26,2
| 21,7
26,7
31,9
| 22,7
28,2
33,9
| 24,3
30,6
37,9
| 25,5
32,5
40,0
| 27,2
35,1
43,8
| |
|
| 5,9
8,1
10,7
13,4
16,2
18,7
24,5
| 6,2
8,7
11,6
14,8
18,1
21,5
28,2
| 6,6
9,5
12,9
16,8
21,0
25,5
34,7
| 6,8
9,8
13,3
17,4
22,0
26,8
37,0
| 7,0
10,1
13,9
18,4
23,5
29,0
41,0
| 7,1
10,4
14,4
19,2
24,6
30,7
44,2
| 7,3
10,7
15,0
20,1
26,2
33,0
49,0
| |
|
| 4,4
6,2
8,3
10,6
15,4
| 4,6
6,6
8,9
11,5
17,2
| 4,9
7,1
9,7
12,8
19,9
| 5,0
7,2
10,0
12,8
19,9
| 5,1
7,4
10,3
13,2
20,8
| 5,2
7,6
10,6
14,0
23,2
| 5,3
7,8
11,0
14,1
24,5
| |
|
| 5,0
6,7
8,6
10,7
12,9
| 5,2
7,1
9,3
11,6
14,2
| 5,5
7,7
10,1
13,1
16,1
| 5,6
7,8
10,4
13,4
16,7
| 5,8
8,1
10,1
14,0
17,1
| 5,9
8,3
11,1
14,4
18,3
| 6,1
8,5
11,5
15,1
19,2
| |
|
| 5,4
7,1
8,9
10,6
| 5,7
7,5
9,6
11,8
| 6,8
8,2
10,5
13,2
| 6,2
8,3
10,8
14,0
| 6,4
8,6
11,2
14,2
| 6,5
8,7
11,5
14,7
| 6,7
9,1
12,0
15,3
| |
|
| 4,8
6,3
7,9
9,7
| 5,1
6,7
8,5
10,5
| 5,4
7,2
9,3
11,6
| 5,5
7,3
9,5
12,0
| 5,6
7,5
9,8
12,5
| 5,7
7,7
10,1
12,9
| 5,9
7,9
10,4
13,4
| |
|
| 4,4
5,8
7,3
9,0
| 4,6
6,1
7,8
9,7
| 4,9
6,6
8,5
10,7
| 5,0
6,7
8,7
11,0
| 5,1
6,9
9,0
11,4
| 5,2
7,0
9,2
11,7
| 5,3
7,1
9,5
12,2
| |
|
| 3,7
4,8
6,2
7,6
| 3,8
5,1
6,5
8,1
| 4,0
5,4
7,0
8,9
| 4,1
5,5
7,1
9,1
| 4,2
5,6
7,4
9,4
| 4,2
5,7
7,5
9,6
| 4,3
5,9
7,7
9,9
| |
|
| 3,0
4,0
5,1
6,3
| 3,1
4,1
5,3
6,7
| 3,2
4,4
5,7
7,2
| 3,3
4,4
5,8
7,4
| 3,4
4,5
6,0
7,6
| 3,4
4,6
6,1
7,8
| 3,5
4,7
6,2
8,0
| |
|
| 3,5
4,5
5,6
| 3,7
4,7
6,0
| 3,8
5,0
6,4
| 3,9
5,1
6,5
| 4,0
5,2
6,7
| 4,0
5,3
6,8
| 4,1
5,5
7,0
| |
|
| 2,8
| 2,9
| 3,0
| 3,1
| 3,1
| 3,2
| 3,3
|
|
|