книги / Практические расчеты крепления нефтяных и газовых скважин

в колонне при испытании скважины на герметичность должен как минимум на50 м превышатьуровеньприосвоении скважины (табл. 3.1);

в момент окончания эксплуатации скважины.

Таблица 3 . 1 Наименьшая глубина снижения уровней жидкости в скважинах

Примечание. По окончании эксплуатации нефтяной скважины уровень опорожнения колонны не должен превышать 2/3 ее глубины.

Избыточное наружное давление (Рн.и) в общем случае определяют как разность между наружным (Рн) и внутренним (Рв) давлением:

При этом наружное и внутреннее давления определяются для одного и того же момента времени для одной и той же глубины.

Всоответствии с Инструкцией [9] при расчете наружных давлений следует учитывать следующие положения.

До окончания затвердевания цементного раствора (ОЗЦ) наружное давление рассчитывается по плотности бурового и цементного растворов.

После затвердевания цементного раствора наружное давление при испытании колонн на герметичность, освоении скважины рассчитывается следующим образом.

Впределах предыдущей колонны – по плотности бурового рас-

твора и жидкости, заполняющей поры цементного камня (пластовая вода, минерализованная жидкость затворения), но не менее

1,1·103 кг/м3.

31

На участке ствола скважины ниже башмака предыдущей колонны:

в интервалах флюидосодержащих горизонтов с повышенным

эквивалентом градиента пластового давления ( пл 1,1) наружное давление принимается равным пластовому, если оно превышает давление столба бурового раствора и жидкости, заполняющей поры цементного камня. В этом случае при толщине пласта до 200 м расчет наружного давления проводится для середины пласта, при толщине пласта более 200 м наружное давление рассчитывается для кровли и подошвы пласта отдельно;

в интервалах пластов, склонных к пластическому течению, выше и ниже этих пластов на 50 м наружное давление принимается равным горному;

в интервалах, где в флюидосодержащих горизонтах пл 1,1

иотсутствуют пласты, склонные к пластической деформации, наружное давление рассчитывается по плотности бурового раствора

ижидкости, заполняющей поры цементного камня (пластовой воды,

жидкости затворения плотностью не ниже 1,1 103 кг/м3);в остальных интервалах считают, что наружное давление

распределяется по линейному закону от одной характерной точки (глубины) до другой.

Вконце эксплуатации скважины обычно пластовое давление

впродуктивном пласте снижается ( пл 1,1), поэтому наружное давление на эксплуатационную колонну рассчитывают также по плотности бурового раствора и жидкости, заполняющей поры цементного камня.

Вмомент окончания цементирования обсадной колонны сми-

нающее давление (Рн.и, МПа) на глубине Z рассчитывается следующим образом:

При снижении уровня жидкости в колонне в процессе испытания

ее на герметичность избыточное наружное давление в интервале предыдущейобсаднойколонныопределяется по следующимформулам:

32

В интервале открытого ствола скважины (ниже башмака предыдущей обсадной колонны (Z Нo) при снижении уровня жидкости в колонне в процессе испытания ее на герметичность наружное избыточное давление может быть рассчитано следующим образом.

При отсутствии флюидосодержащих пластов с пл 1,1 и пла-

стов, склонных к пластическому течению:при Hу Но

Рн.и z = 10–6·g ρр h + ρгс(Z h) ρж(Z Hу) , Нo Z Н; (3.12)

Рн.и z = 10–6·g ρр h + ρгс(Z h) ρж(Z Hу) , Hу Z Н. (3.14)

33

для интервала залегания (i + 1)-го пласта 50 м

Рн.и пл (i+1) = Pпл (i+1) 10–6·gρж(Нпл (i+1) Hу), Z = Нпл (i+1); (3.16)

и т.д. для остальных нижезалегающих высоконапорных пластов.

ПРИМЕЧАНИЕ 1. Расчет Рн.и пл i ведется для середины пласта, если его толщина не превышает 200 м. При большей толщине пласта расчет Рн.и плi производится как для кровли, так и для подошвы пласта.

В остальных интервалах открытого ствола:при HУ Но:

при HУ Но

В выражениях (3.17)–(3.19) Pн.иНо – наружное избыточное дав-

ление, рассчитанное по формуле (3.11) при Z = Нo. В интервале между высоконапорными пластами

Аналогично проводятся расчеты Рн.и и для остальных флюидосодержащих пластов и в интервалах между ними.

ПРИМЕЧАНИЕ 2. Для скважин с нормальными условиями бурения и эксплуатации (при отсутствии пластов с пл 1,1) расчет избыточных наружных давлений в зацементированной зоне (как в закрепленном, так и в открытом

34

стволе) допускается производить по составному столбу бурового и цементного растворов с учетом разгрузки цементного камня по формуле

Рн.и z = 10–6g (ρц – ρж)Z – (ρц – ρр)h + ρжHу](1 – К),

где К – коэффициент разгрузки цементного кольца, для колонн диа-

метром 114–178 мм К = 0,25; 194–245 мм К = 0,30; 273–324 мм

К= 0,35; 340–508 мм К = 0,40.

Винтервалах пластов, склонных к пластическому течению, выше и ниже этих пластов на 50 м наружное давление принимается равным горному. Тогда наружное избыточное давление для этих интервалов определится следующим образом:

здесь ρг.п – плотность вышележащих горных пород (для осадочных пород можно принять 2,6·103 кг/м3).

В интервалах между этим пластом и близлежащими характерными точками ствола скважины наружное избыточное давление может быть рассчитано с использованием выражений (3.17)–(3.20), в которых вместо значений пластовых давлений подставляются соответствующие значения горных давлений.

Для момента окончания эксплуатации нефтяной скважины ве-

личина пластового давления обычно бывает меньше гидростатического, поэтому уровень жидкости в эксплуатационной колонне находится значительно ниже устья скважины. Для этого случая избыточные наружные давления для обсадной колонны могут быть рассчитаны по формулам (3.4)–(3.14), а для интервалов залегания пластичных пород – по формуле (3.21). При этом надо учесть, что эксплуатационная колонна в этот период времени, как правило, заполнена обводненной нефтью (ρж в проектных расчетах можно прини-

мать равной (0,93–0,97) 103 кг/м3).

В проектных расчетах глубину снижения уровня жидкости в колонне при различных операциях можно принимать согласно нормативным документам [6] (см. табл. 3.1).

По результатам расчетов в выбранном масштабе строят эпюры сминающих давлений для моментов окончания цементирования (линия 1 на рис. 3.1), испытания на герметичность снижением уров-

35

ня жидкости в колонне (линия 2 на рис. 3.1) и для окончания эксплуатации (линия 3 на рис. 3.1). Затем строят обобщенную эпюру сминающих давлений по максимальным значениям давлений в различных интервалах. В приведенном на рис. 3.1 примере обобщенная эпюра совпадает с эпюрой избыточного наружного давления для момента окончания эксплуатации скважины (линия 3).

Рис. 3.1. Эпюры избыточных наружных давлений на обсадную колонну: 1 – эпюра давлений на момент окончания цементирования;

2 – эпюра давлений при испытании колонны снижением уровня; 3 – эпюра давлений для конца эксплуатации

Коэффициент запаса прочности при расчете на смятие nсм принимается равным 1,0–1,3 для секций, находящихся в пределах эксплуатационного объекта в зависимости от устойчивости коллектора. Зона эксплуатационного объекта включает в себя толщину (мощность) пласта, увеличенную на 100 м (по 50 м выше кровли и ниже подошвы пласта). Для остальных интервалов коэффициент запаса прочности на смятие принимается равным 1,0 [9].

Интервалы, где требуется повысить коэффициент запаса прочности на смятие (более 1,0), выделяются на обобщенной эпюре избыточных наружных давлений путем построения дополнительных

36

выступов (линия 4 на рис. 3.1), характеризующих избыточное наружное давление, которое должна выдержать обсадная колонна с учетом принятого коэффициента запаса прочности.

Выбор компоновки эксплуатационной колонны из расчета на смятие рекомендуется проводить снизу вверх в следующем порядке.

Для компоновки первой (нижней) секции рекомендуется к использованию в первую очередь трубы из стали более низкой группы прочности, например группы прочности Д, как менее дорогие. Толщина стенки нижней секции может быть повышенной. Толщину стенки этой секции подбирают такой, чтобы выполнялось условие

где Рн.и Н – максимальное наружное избыточное давление у башмака обсадной колонны.

Для второй секции выбирают трубы, которые могут иметь сминающее давление ниже, чем трубы первой секции, так как с уменьшением глубины наружное избыточное давление уменьшается (см. рис. 3.1). Первоначально глубину перехода от первой секции ко второй можно определить, узнав по эпюре, на какой глубине сминающее давление для труб второй секции будет равно наружному избыточному давлению с учетом принятого коэффициента запаса прочности (Рсм = nсм Рн.и Z). Графически эту точку можно получить при пересечении вертикальной линии, соответствующей Рсм для труб второй секции (см. прил. 1), с обобщающей эпюрой избыточного наружного давления (линии 3, 4). Затем следует уточнить критическое сминающее давление для низа второй секции с учетом того, что на низ второй секции действуетрастягивающая нагрузка, равная весу первой секции:

где Qp – вес первой секции без учета коэффициента облегчения; Qт – растягивающая нагрузка для второй секции, при которой напряжение в теле труб становится равным пределу текучести.

Критическое сминающее давление для обсадных труб без учета осевого растяжения (Рсм), вес 1 пог. м (qi) можно взять из справочника [17] или в прил. 1.

37

В соответствии с величиной Рсм' уточняют глубину установки низа

второй секции, длину и вес первой секции. Часто длину первой секции первоначальнопринимают равнойдлине эксплуатационногообъекта.

Для определения длины второй секции необходимо выбрать трубы для третьей секции с меньшей сопротивляемостью наружному избыточному давлению (с меньшей толщиной стенки по сравнению с толщиной стенки второй секции, или из труб более низкой группы прочности).

По величине критического сминающего давления (Рсм) для труб третьей секции по эпюре избыточных наружных давлений определяют ориентировочную глубину установки низа этой секции (аналогично выбору низа второй секции), первоначальную длину и вес

второй секции. Затем рассчитывают величину Рсм' для нижних труб

третьей секции и уточняют глубину, на которую они могут быть спущены. После чего уточняют длину и вес второй секции. При

этом нужно учесть, что при расчете Рсм' [формула (3.23)] для труб

третьей секции в качестве растягивающей нагрузки необходимо брать суммарный вес двух первых секций.

Аналогично выбирают трубы для компоновки последующих секций обсадной колонны. Результаты расчетов можно представить в виде табл. 3.2.

Таблица 3 . 2

Компоновка эксплуатационной колонны из расчета на избыточное наружное давление

3.1.2. Расчет эксплуатационной колонны на растяжение

Выбранную из расчета на избыточное наружное давление компоновку эксплуатационной колонны (см. табл. 3.2) необходимо проверить на осевые растягивающие нагрузки. Для этого последова-

38

тельно (снизу вверх) для верха каждой секции рассчитывают коэффициент запаса прочности на растяжение (страгивание) для различных типов труб.

1. Для труб с треугольной резьбой (НОРМ):

В выражении (3.24) за qi li берется суммарный вес рассчитываемой и нижележащих секций обсадной колонны в воздухе.

Страгивающая нагрузка для труб, соединяемых треугольной резьбой (Qстр), рассчитанная по формуле Яковлева–Шумилова, приведена в справочнике [17] и прил. 1.

Значения нормативного коэффициента запаса прочности на страгивание длятрубстреугольнойрезьбой nстр приведены в табл. 3.3.

Таблица 3 . 3

Значения коэффициента запаса прочности на страгивание [8] (для труб с треугольной резьбой)

2. Для труб с трапецеидальной резьбой (ОТТМ, ОТТГ, ТБО) условие прочности обсадной колонны на растяжение запишется в виде

Значения допускаемых растягивающих нагрузок Qр для труб

страпецеидальной резьбой приведены в справочнике [17], прил. 1,

скоэффициентами запаса прочности 1,75–1,80.

Если при проверке для очередной секции труб не будет выполнено условие (3.24) или (3.25), то длину этой секции необходимо определить исходя из расчета на страгивание (растяжение):

39

для труб с трапецеидальной резьбой (ОТТМ, ОТТГ, ТБО):

где Qi – вес нижележащих секций (без учета рассчитываемой). Эта секция обсадной колонны будет разграничивающей, так как

следующие (вышележащие) секции должны быть более прочными, а их длины подбирают из расчета на страгивание (растяжение) по вы-

ражениям (3.26), (3.27).

Полученную компоновку обсадной колонны, которая выдерживает сминающие давления и растягивающие (страгивающие) нагрузки, приводят в таблице, аналогичной табл. 3.2.

3.1.3. Расчет эксплуатационной колонны на избыточное внутреннее давление

Расчет колонны на избыточное внутреннее давление проводят, как правило, для момента ее испытания гидравлической опрессовкой в один прием без пакера.

Избыточное внутреннее давление в общем случае определится как разность между внутренним и наружным давлением для одного и того же момента времени:

где РвZ и РнZ – внутреннее и наружное давления при испытании колонны на герметичность на соответствующей глубине (Z).

Давление на устье при опрессовке колонны должно как минимум на 10 % превышать ожидаемое рабочее давление (Ру) и должно быть не ниже установленного минимального опрессовочного давления для данного диаметра обсадной колонны (Ропр min) [6]:

40