Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин

Pð.í = 0,785[(D – 0,9)2 – (D – 2s)]σâ min,

ãäå D – номинальный диаметр трубы; s – номинальная толщина стенки. Для труб ОГ1м с толщиной стенки 11 мм и более разрушающую на-

грузку определяют исходя из разрушения по телу муфтовой части в опасном сечении, находящемся на расстоянии 6 мм от торца ниппеля, по формуле

Pð.ì = 0,785[D2 – (D – 1,9s)2]σâ min.

Рекомендуемые допустимые нагрузки при спуске труб ОГ1м рассчи- тывают при коэффициенте запаса прочности, равном 1,8 разрушающей нагрузки.

ТРУБЫ ОБСАДНЫЕ ТОЛСТОСТЕННЫЕ

Обсадные толстостенные трубы выпускают по ТУ 14-3-329–74. Размеры и масса труб должны соответствовать значениям, указанным в табл. 22.12.

Трубы поставляют длиной 9,5–13 м, допускается поставка 40 % труб длиной 6–9,5 м. Отклонения по размерам труб не должны превышать, %:

Технические требования соответствуют ГОСТ на обсадные трубы. Гидроиспытанию подвергают трубы длиной 9 м и более. Значения испытательных давлений: для труб 219 мм – 20,0 МПа; для труб более 219 мм – 13,0 МПа.

ТРУБЫ ОБСАДНЫЕ БОЛЬШИХ ДИАМЕТРОВ

В тех случаях когда необходимо использовать обсадные трубы больших диаметров (более 508 мм), в основном для крепления верхних интервалов скважин в приустьевой зоне в качестве направляющих колонн применяют трубы по ГОСТ 8732–78 «Трубы стальные бесшовные горяче- деформированные».

В основном используют трубы диаметрами 530, 560, 630, 720 и 820 мм с

817

толщинами стенок 9, 10, 11, 12, 14 мм из сталей марок Ст4сп, Ст5сп, Ст6сп с пределом текучести соответственно 216, 245, 274, 304 МПа или сталей марок 20, 35, 45 с пределом текучести 245, 294, 323 МПа. Трубы при спуске сваривают.

В ряде случаев можно использовать трубы по ГОСТ 20295–74 «Трубы стальные сварные для магистральных газонефтепроводов». Выпускают трубы прямошовные или спиральношовные диаметрами 530, 630, 720, 820 мм следующих классов прочности: К34, К38, К42, К50, К52, К55 с пределом текучести 206–329 МПа.

ТРУБЫ ДЛЯ МУФТ

Муфты обсадных труб, башмаки и другие соединительные части изготовляют из муфтовой заготовки по ТУ 14-3-130–73.

Ниже приведены размеры труб, мм:

Проверке соосности резьб должно быть подвергнуто не менее 1 % муфт от каждой партии. Проверке качества сопряжения торца трубы ОТТГ и упорного уступа муфты подвергается каждое соединение партии.

Конусность по наружному диаметру резьбы труб и ниппельных концов труб ТБО и по внутреннему диаметру резьбы муфт и раструбных концов труб ТБО, а также конусность уплотнительных конических поверхностей труб и муфт ОТТГ и труб ТБО проверяют гладкими коническими калибрами (кольцами и пробками полными или неполными) или специальными приборами.

Толщину под резьбой проверяют во впадине первой нитки, расположенной со стороны торца трубы.

Для проверки совпадения осей резьбы обоих концов муфту навинчи- вают на нарезанный цилиндрический стержень, точно выверенный и центрированный в патроне токарного станка или специального приспособления. В свободный конец муфты ввинчивают другой цилиндрический, чисто обработанный стержень длиной не менее 250 мм.

Вращая муфту, определяют биение (удвоенное значение отклонения от соосности) стержня у торца муфты и у конца стержня индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм. Отсчет значения биения у конца стержня ведется от середины муфты.

22.2. РАСЧЕТ ОБСАДНЫХ КОЛОНН

На обсадную колонну действуют различные по значению и характеру нагрузки:

1)растягивающие нагрузки от собственного веса;

2)сжимающие нагрузки от собственного веса, возникающие при разгрузке колонны, установленной на забой, и при посадках;

3)динамические нагрузки, возникающие в период неустановившегося движения колонны в осевом направлении;

4)осевые нагрузки, обусловленные силами трения колонны о стенки

скважины;

818

5)осевые нагрузки от избыточного давления и температуры при цементировании и эксплуатации;

6)наружное и внутреннее избыточные давления;

7)изгибающие нагрузки при искривлении колонны в результате потери устойчивости и при работе в наклонных скважинах.

В зависимости от назначения колонны (промежуточная или эксплуатационная) также действуют нагрузки, характерные для колонны данного типа, например силы трения, возникающие при вращении бурильной колонны в обсадной и приводящие в ряде случаев к протиранию обсадной

трубы.

Основные нагрузки для расчета – осевые растягивающие нагрузки, наружное и внутреннее избыточные давления.

НАРУЖНОЕ ИЗБЫТОЧНОЕ ДАВЛЕНИЕ

Наружное избыточное давление определяют как разность между наружным и внутренним давлением для одного и того же момента времени.

Для эксплуатационной колонны наружное давление рассчитывают для периода окончания эксплуатации скважины.

В незацементированной зоне нефтяных скважин наружное избыточ- ное давление определяют по формулам (рис. 22.8):

åñëè h > H, òî

ãäå h – расстояние от устья скважины до уровня цементного раствора, м; Í – расстояние от устья скважины до уровня жидкости в колонне, м; z – рассматриваемая глубина, м; γð – удельный вес бурового раствора за колонной, Н/м3; γâ – удельный вес жидкости в колонне, Н/м3.

В газоконденсатных и газовых скважинах при наличии столба жидкости в колонне

При окончании эксплуатации (H = L) за внутреннее давление pmin принимают наименьшие устьевое и забойное давления для заданного диаметра эксплуатационной колонны.

В зацементированной зоне давление определяют по составному столбу, пластовому и горному давлению.

1. При расчете по составному столбу

Рис. 22.8. Эпюра распределения наружных избыточных давлений

819

Значения ðí.è L определяют из формул (22.5) и (22.6) при h = 0. Следует учесть, что:

åñëè ðí.è L < ðí.è h, то за расчетное давление на всем зацементированном участке принимают ðí.è h;

åñëè ðí.è z окажется больше, чем давление, определенное по столбу раствора, то расчет всей колонны ведут по формулам (22.1)–(22.3) для интервалов H ≤ z ≤ L, 0 ≤ z ≤ H, 0 ≤ z ≤ h.

2. При расчете по пластовому давлению избыточное давление вычис-

ãäå γï – средний удельный вес лежащих выше пород, Н/м3. Расчет ведут по наибольшему из давлений.

Для промежуточных колонн наружное избыточное дваление для нормальных условий в отсутствие поглощений и проявлений определяют исходя из минимального внутреннего давления:

а) в незацементированной зоне

ãäå γð, γê – удельный вес бурового раствора соответственно за колонной и в колонне, Н/м3;

б) в зацементированной зоне давления определяют с учетом составного столба бурового и цементного растворов:

820

ðí.è z = (γö – γê)z.

Наружное избыточное давление при газонефтеводопроявлениях: а) в незацементированной зоне

ãäå γ0 – минимальный удельный вес жидкости при бурении под следующую за рассчитываемой колонну, Н/м3.

б) в зацементированное зоне давление находят по формуле (22.11),

Для колонн, зацементированных до устья,

ðí.è z = (γö – γ0)z.

Наружное избыточное давление при поглощениях рассчитывают по формулам (22.1)–(22.7), в которых Í – расстояние от устья до уровня жидкости в колонне, а γâ заменяют на γê.

Если расчет ведется по пластовому или горному давлению, то используют формулы (22.8) и (22.9).

При кольцевых диаметральных зазорах 30 мм и менее, а также при наличии других условий, препятствующих полному вытеснению бурового раствора из кольцевого пространства, наружное избыточное давление определяют по столбу раствора:

ðí.è z = (γð – γê)z ïðè 0 ≤ z ≤ L.

ВНУТРЕННЕЕ ИЗБЫТОЧНОЕ ДАВЛЕНИЕ

Внутреннее давление в колонне действует при ее спуске, в процессе цементирования скважины и при эксплуатации. При спуске колонны в скважину давление в ней равно гидростатическому давлению столба жидкости. В процессе цементирования внутреннее гидростатическое давление повышается на значение, необходимое для преодоления разности весов столбов жидкости и сопротивления движению. По мере твердения цементного раствора давление в колонне увеличивается, что связано с выделением теплоты в процессе схватывания цементного раствора. В период эксплуатации внутреннее давление зависит от уровня жидкости в колонне или от значения пластового давления (для газовых и фонтанирующих скважин).

Внутреннее избыточное давление определяют для периода ввода скважины в эксплуатацию (опрессовка колонны), т.е. в момент передачи наибольшего давления.

Для эксплуатационной колонны в незацементированной зоне (0 ≤ z ≤ ≤ h) избыточное внутреннее давление

ãäå ðó – внутреннее избыточное давление на устье в период ввода скважины в эксплуатацию, Па; γæ – удельный вес опрессовочной жидкос-

821

òè, Í/ì3; ðîï – минимальное внутреннее избыточное давление, Па (табл. 22.13).

Большую из величин 1,1ðó, ðîï принимают за расчетную.

В зацементированной зоне внутреннее избыточное давление: 1) при расчете с учетом наружного давления составного столба

ðâ.è определяют по формулам (22.16), (22.17) при z = h. Для колонн, зацементированных до устья, h = 0.

Расчет ведут по большему из давлений, вычисленных по формулам (22.19) и (22.20);

2) при расчете с учетом пластового давления

В случаях 1 и 2 колонну испытывают в один прием без пакера. Вели- чину ðó определяют из выражений:

а) в период ввода скважины в эксплуатацию при закрытом устье для

ãäå l – расстояние от устья до пласта, в котором возможны газоводонефтепроявления, м; γ – удельный вес газа по воздуху, Н/м3; m – коэффи-

циент сжимаемости газа; Òñð = (Òó + Òç)/2 (Òó, Òç – температуры на устье и на забое, К).

Распределение давления по длине колонны допускается принимать линейным.

822

По окончании эксплуатации газовых скважин за внутреннее давление pmin принимают наименьшие устьевое и забойное давления;

б) для газонефтяных и газовых скважин при наличии в закрытых стволах жидкости и газа на всех стадиях эксплуатации внутреннее давление

ãäå Í – расстояние от устья до уровня жидкости в скважине. Давление на устье ðó определяют из выражения (22.27) при z = 0.

В хорошо изученных районах допускается проводить расчет внутреннего давления по фактическим промысловым значениям устьевого давления.

Формулы (22.19) и (22.20) используют, если наружное давление на колонну ðí > ðïë. Наружное давление на забое

Распределение давления ðí на участке h – L принимают линейным. Формулы (22.21) и (22.22) используют, если ðí < ðïë.

Для промежуточных колонн внутреннее избыточное давление определяют по формулам для эксплуатационных колонн, при этом ðó рассчитывают по следующим формулам для максимального значения внутреннего давления ðâ при бурении под последующую колонну при z = 0:

а) максимальное давление при закрытом устье во время ликвидации выброса или открытого фонтанирования

В случае полного замещения раствора газом (H = l)

ðâ = ðïë l/lS ;

в) при бурении под следующую колонну с использованием утяжеленного раствора

823

Если удельный вес опрессовочной жидкости γæ окажется меньше γ0 èëè γê, то при определении наружного избыточного давления взамен γ0 è γê подставляют γæ.

РАСЧЕТ ХВОСТОВИКОВ И КОЛОННЫ, СПУСКАЕМЫХ СЕКЦИЯМИ

Наружное избыточное давление при газонефтепроявлениях

ãäå l0 – расстояние от устья до верха хвостовика или секционной колонны. Большее значение давления принимают за расчетное.

В интервале залегания пород, склонных к текучести,

ãäå γ′ê – максимальный удельный вес раствора при бурении под следующую колонну, Н/м3.

При испытании колонн на герметичность в один прием без использования пакера внутреннее избыточное давление рассчитывают по формулам (22.21) и (22.22), в которых ðó определяют так же, как и для промежуточных колонн.

При испытании с применением пакера

ðí.è z = 1,1ðâ z – ðïë z,

ãäå ðâ z – вычисляют по формулам (22.29) – (22.32).

ОСЕВАЯ НАГРУЗКА ОТ СОБСТВЕННОГО ВЕСА КОЛОННЫ

Осевую нагрузку определяют по теоретическому весу спущенной колонны:

ãäå g – ускорение силы тяжести, м/с2; li – длина i-й секции, м; qi – масса единицы длины i-й секции колонны, кг.

Расчетные формулы. Сопротивляемость труб наружному избыточному давлению определяется давлением, при котором наибольшее напряжение достигает предела текучести материала труб. Критическое давление ðêð (МПа) рассчитывают по формуле Г.М. Саркисова

824

ãäå kmin = smin/D; k0 = s0/D; smin = 0,875s; s0 = 0,905s; s – толщина стенки, мм; D – наружный диаметр, мм; σð – предел пропорциональности, прини-

маемый равным пределу текучести, МПа; Å – модуль упругости, МПа; ρ = = s0/smin = 1,034; e – овальность, наибольшее расчетное занчение которой равно 0,01 для труб до 219 мм включительно, 0,015 для труб от 245 до 324 мм и 0,02 для труб более 324 мм.

Сминающее давление, при котором отмечается пластическая деформация трубы, ðñì = ñðêð, ãäå ñ – опытный коэффициент. В зависимости от значения k = s/D средние значения ñ следующие:

Обычно ðêð, определенное по формуле (22.40), больше, чем рассчитанное по формуле (22.39).

Наружное избыточное давление для труб не должно превышать допустимого:

pí.è z ≤ ðêð/ï1,

ãäå n1 – коэффициент запаса прочности, принимаемый равным 1–1,3 для секций эксплуатационного объекта и 1,0 для остальных секций.

На сминающее давление влияет растягивающая нагрузка. Как показали экспериментальные исследования, с увеличением растягивающих напряжений и уменьшением толщины стенки сминающее давление падает. С увеличением k влияние растягивающих напряжений на сминающее давление уменьшается. Исходя из имеющихся экспериментальных данных, для труб, растягивающее напряжение в которых превышает 50 % предела теку- чести, коэффициент запаса на смятие целесообразно увеличить на 10 %.

Внутреннее избыточное давление, при котором напряжения в трубе достигают предела текучести σò, ÌÏà,

Давление, рассчитанное по формулам (22.16)–(22.18), (22.21), (22.22), не должно превышать допустимого:

pâ.è z ≤ ðò/ï2,

ãäå ï2 – коэффициент запаса прочности, равный 1,15 для труб 114–219 мм и 1,52 для труб более 219 мм.

825

Страгивающую нагрузку для труб с резьбой треугольного профиля оп-

ãäå Dc = D – 2t – b – средний диаметр сечения по впадине первой полной нитки (в основной плоскости), мм; t – глубина резьбы, мм; b – толщина стенки трубы по впадине той же нитки, мм; η – коэффициент разгрузки; l – длина резьбы с полным профилем (до основной плоскости), мм; α = 60° – угол между опорной поверхностью резьбы и осью трубы; ϕ = = 7° – угол трения.

Вес колонны Q, определенный по формуле (22.39), не должен превышать допускаемого значения: Q ≤ [P], ãäå [P] = Pñò/ïç. Здесь ïç – коэффициент запаса прочности (табл. 22.14).

Осевую растягивающую нагрузку (кН), при которой напряжения в теле муфты равны пределу текучести, вычисляют по формуле А.Е. Сарояна

ãäå D, d – средние диаметры соответственно муфты и резьбы в плоскости последнего полного витка резьбы, находящегося в сопряжении, мм; à – толщина стенки муфты в той же плоскости, мм; t – рабочая высота профиля резьбы, мм.

Для колонн из труб с трапецеидальной резьбой допускаемая нагрузка при растяжении

РАСЧЕТ КОЛОННЫ ДЛЯ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН

Наружные и внутренние избыточные давления рассчитывают по формулам, приведенным выше для вертикальных скважин; при этом расстояние от устья до характерных точек L, h, H определяют по вертикали.

Растягивающая нагрузка определяется весом колонны. Влияние изгиба колонны учитывается при расчете на растяжение коэффициентом запаса

прочности n1′ :

826