Предел растяжения обсадной трубы

На разных стадиях использования скважины с системе разработки месторождения
условия работы обсадной колонны в скважине изменяются, а следовательно,
изменяются и условия ее нагружения. Особенно они проявляются в верхней
незацементированной части обсадной колонны. Нарушение первоначального
температурного режима в скважине влечет разогрев или охлаждение колонны, что в
незацементированной части колонны с закрепленными концами ведет к
перераспределению осевых нагрузок. Аналогичным образом изменение давления внутри
колонны вызывает появление дополнительных нагрузок в колонне.

Дополнительные нагрузки в совокупности с первоначальными могут превысить
допустимые и повлечь нежелательную деформацию, и даже нарушение обсадной колонны
в верхней незацементированной части.

Один из способов предупреждения негативных последствий перераспределения
нагрузок в колонне — предварительное натяжение верхней части колонны. Значение
усилия натяжения должно быть заранее определено с учетом прогнозируемого
изменения условий в скважине.

В соответствии с инструкцией, минимальное значение усилия натяжения
устанавливается по наибольшей величине из двух сопоставляемых:

Рн=Р,

Рн=Р+αEFΔt·10-3+0,31pd2·103-0.655l(D2ρн
-d2ρв)·10-2,                   
(10.43)

где Рн — усилие натяжения колонны, кН; Р — вес незацементированной части
колонны, кН; α — коэффициент линейного расширения стали, α= 1,2·10-5 1/градус; F
— средневзвешенная площадь поперечного сечения труб в незацементированной части,
м2,

         (10.44)

l и F — длины секций и соответствующие площади сечений; Δt -средняя величина
изменения температуры в незацементированной части колонны, со знаками «плюс» при
нагреве и «минус» при охлаждении; р — внутреннее давление в колонне при
эксплуатации или при нагнетании, МПа; D и d — соответственно наружный и
внутренний диаметры колонны, м, величина d рассчитывается по средневзвешенной
площади сечения трубы F,

             
(10.45)

Рн и Рв — плотность жидкости за колонной и внутри ее в период эксплуатации,
кг/м3.

Усилие натяжения колонны определяется, исходя из условия, что в процессе
выполнения различных работ в скважине суммарная нагрузка не превысит допускаемой
осевой нагрузки растяжения. Расчет ведется по следующим формулам (в кН):

для верхнего конца колонны  

Рн≤[Р];                
(10.46)

для некоторого сечения в незацементированной части колонны

Рн-Р0≤[Р]
Pн-P0-P1+P2-P3≤[P],          
(10.47)

где Рн — усилие натяжения; [Р] — допустимая нагрузка на растяжение; Р0 — вес
колонны от устья до рассматриваемого сечения; Р1 — осевое усилие в результате
изменения температурного режима; Р2 — осевое усилие, возникающее под действием
внутреннего давления в колонне в процессе эксплуатации; P3 — осевое усилие,
возникающее от действия гидростатического давления жидкостей, находящихся внутри
колонны и вне ее.

Определение величин Р1, Р2 и Р3.

Р1=αЕFΔt·10-3              
 (10.48)

(α — коэффициент линейного расширения материала обсадной трубы 1/градус, для
стали α=1,2·10-5·1/градус; Е — модуль продольной упругости. Па, для стали
E=2,1·1011 Па; F — площадь — средневзвешенная по рассматриваемой части колонны —
поперечного сечения трубы, м2; Δt -средняя температура нагрева (охлаждения) в
рассматриваемой части колонны, градус,

           
(10.49)

t1, t2 — первоначальная температура у верхнего и нижнего концов
рассматриваемого участка колонны, °С; t3, t4 — температура в тех же точках при
эксплуатации, °С, рис. 10.5);

P2=0,47pв.уd2·103               
(10.50)

(pв.у — внутреннее давление на устье при эксплуатации; d — внутренний —
средневзвешенный — диаметр колонны, м);

Р3=0,235l(D2Δρн-d2Δρн)·10-2            (10.51)

l — расстояние от устья до рассматриваемого сечения колонны, м; D, d —
соответственно наружный и внутренний — средневзвешенный по площади сечения труб
— диаметры колонны, м; Δρн — изменение плотности раствора за колонной после
спуска и цементирования колонны, кг/м ; Δρн — изменение плотности жидкости в
колонне, кг/м3).

Пример 10.5. Выполнить расчет натяжения обсадной колонны для условий
ее нагружения, рассмотренных в примере (см.
здесь)

Исходные данные: диаметр обсадной колонны d=146,1мм; глубина спуска
колонны h=3400м; глубина до уровня цемента за колонной hц=2300м; плотность
промывочной жидкости за колонной и продавочной жидкости в колонне ρж=1420кг/м3;
пластовое давление на глубине 3300 м рпл=43,7 МПа; плотность нефти при фонтанной
эксплуатации ρн=860 кг/м3; плотность пластового флюида в конце эксплуатации
р’пл=950кг/м3; снижение уровня жидкости в колонне в конце эксплуатации hk=2400м;
внутреннее давление на устье в период ввода в эксплуатацию ру=15,9МПа;
температура: на глубине 3400 м — t3=115°С; температура у устья исходная —
tу.и=20°С; при эксплуатации tу.д=60°С.

Решение. Определение площади сечения обсадных труб.

Для труб с толщиной стенки 9,5; 8,5; 7,7 и 10,7 мм соответственно

Среднее значение площади сечения труб

Средний внутренний диаметр обсадной колонны

Определение средней температуры нагрева колонны (см.рис.10.5)

Определение минимального усилия натяжения:

Рн=р+αEFΔt·10-3+0,31руd2вн·103-0,6551(d2нρн-d2внρн)·10-2=732,3+1,2·10-5·2,1·
1011· 40,13·10-4· 26,5·10-3+0,31·15,9·12,742·10-4·103- 0,655-2300(14,612·1420-
12,742·860)·10-2 =732,3+1268,0+80,0-246,3=834,0 кН.

Минимальное усилие натяжения превышает вес незацементированной части обсадной
колонны 834,0>732,3 кН, поэтому принимается исходная величина Рн=834,0кН.

Проверка прочности колонны, находящейся под действием усилия натяжения Рн
в процессе эксплуатации.

Так как изменение температурного режима работы колонны уже учтено при
определении усилия натяжения, при расчете нагрузок в колонне p1 (усилие,
возникающее в результате температурных изменений) не учитывается.

Усилие растяжения, ваш икающее в результате внутреннего давления при
эксплуатации

р2=0,47·15,9·12,742·10-4·103=121 ,ЗкН.

Усилие растяжения, возникающее в результате изменения плотности жидкости в
колонне

p3=0,235l(d2нρн — d2нΔρв)·10-2,

где Δρн — изменение плотности жидкости в затрубном пространстве, Δρн=0; Δρв —
изменение плотности жидкости в колонне, Δρв= 1420-860=560кг/м3;
р2=0,235·2300(0-12,742·560)·10-6=-49кН.

Проверка по первому условию

Проверка по второму условию

Верхняя секция при натяжении колонны с усилием рн=834кH удовлетворяет
требованиям по запасу прочности.

Проверим на растяжение наиболее слабую третью секцию из труб группы прочности
Д с толщиной стенки 7,7 мм с рстр=823кН.

Нагрузка на растяжение

Р=Рн-Р4-7 + Р2- Р3=834 — (82,9+98.5+118,8+159,8)+121,3 — 49=446,3кН.

Проверка по второму условию Рн- Р4-7 + Р2- P3≤[P]:

k3=1,3; [Р]=823/1,3=633кН, условие соблюдено.

Подобным образом проверяются все секции незацементированной части обсадной
колонны. Результаты расчета сведены в табл. 10.9.

Таблица 10.9. Конструкция обсадной колонны в интервале 0-2300 м