Расчет обсадных колонн

 

К обсадным трубам, используемых для строительства эксплуатационных скважин на Астраханском газоконденсатном месторождении, вследствие особо сложных геологических условий бурения в эксплуатации, предъявляются повышенные требования.

Определяющим фактором при выборе типа обсадных труб для 2 промежуточной колонны следует считать высокую коррозионную способность газообразных продуктов эксплуатационных объектов.

Для промежуточной колонны Ø244,5 мм, согласно «Протокола технического совещания по рассмотрению конструкции скважин на Астраханском ГКМ» от 8 июля 1982 года, утвержденном заместителем Министра газовой промышленности т. М.И. Агапчевым 19 июля 1982 года, используются импортные трубы марки SM-95ТS или NT-95HS и трубы марки SM-90SS-И, как наиболее устойчивые к сероводородной агрессии.

Так как эксплуатационная колонна будет подвергаться аномально высокому давлению газа с большим содержанием сероводорода, она компонуется импортными трубами марки SM-90SS.

Для 2 промежуточной колонны могут быть приняты трубы с резьбой Батресс и тефлоновыми уплотнительными кольцами в нижней части, в верхней части – обсадные трубы с высоко герметичными резьбовыми соединениями VMA. Для эксплуатационной колонны необходимо применять обсадные трубы с резьбовым Батресс и тефлоновыми кольцами. Такие трубы выпускаются под шифром ”super”.

С целью предупреждения истирания технических обсадных колонн и потеря из прочностных характеристик на бурильные трубы устанавливаются кольца Бетиса. После спуска обсадных колонн производится центрирование вышки.

Трубы по ГОСТ 632-64 подбираются согласно номенклатуре обсадных труб, выпускаемых отечественной промышленностью. Расчет обсадных колонн ведем согласно «Инструкции по расчету обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин» технологического регламента к расчету обсадных колонн для эксплуатационных скважин на АГКМ (11).

Направление 630 м.

Глубина спуска 50м

ГОСТ10706-63

Принимаем трубы с толщиной стенки 9 мм.

Вес 1 п.м. трубы 0,138 т

Общий вес направления Q=0,138х50=6,9 т.

кондуктов Ø 426 мм

Глубина спуска400м

ГОСТ632-64

Кондуктор рассчитываемы на сминающее давление и страгивающие нагрузки. На внутреннее давление колонну не рассчитываем, так как при бурении нижнего интервала отсутствует высоконапорные горизонты.

а) определяем избыточное наружное давление

 

             (1)

 

Этому давлению соответствует трубы группы прочности «Д» овальность 0,015 с толщиной стенки σ=12 мм., для которых P кр.см. = 54 кгс/см². Запас прочности на смятие будет равен:

Для 2 секции берем трубы группы прочности Д с толщиной стенки 10 мм., для которых Ркр.см. = 34 кгс/см². С учетом запаса прочности эти трубы могут быть спущены на глубину 375 м. тогда длина 1 секции l1=400-375 м=25 м.

Вес Q₁=126,3x25=3157 кг. Длину 2 секции определим из расчета на страгивание : L2=275 м. Q=106,5х275 = 29287 кгс.

Коэффициент запаса прочности на растяжение:

, что достаточно

В целях предупреждения протирания колонны у устья устанавливаются 100 м труб с толщиной стенки σ=12 мм.

Проверим на страгивание:

, что достаточно.

 

Таблица 9. Кондуктор 426 мм

№ секции	Интервал, м	Длина секции, м	Группа прочности	Толщина стенки, мм.	Коэффициент на		Вес секции
					Смятие	Страгиван
1	400-375	25	Д	12	1, 45	-	3157
2	375-100	275	Д	10	-	7, 7	29287
3	100-0	100	Д	12	-	7, 09	12630
							45074

 

Расчет промежуточной колонны

Ø324 мм – 2000 м

1 секция – 2000-1100 м

Для первой секции определим по формуле 2.

 

Рниz =0,1(γ_ц-γ_о)(1-к)(x₀-l₀)   (2)

 

Pни2000 = 0,1(1, 81-1, 27)(1-0, 35)х2000=70, 2 кгс/см²

Pни1700 = 0,1(1, 81-1, 27)(1-0, 35)х1700=59, 7 кгс/см²

Pни1100 = 0,1(1, 81-1, 27)(1-0, 35)х1100=17, 8 кгс/см²

2 секция – 1100 – 0 м.

Для второй секции определим по формуле 3 с учетом разгрузки в зацементированных зонах:

Рниl =0,1(γ_ц-γ_о)xz      (3)

 

Рни1100=0,1(1,81-1,27)(1-0,35)x1100=38,6 кгс/см²

Рни800=0,1(1,81-1,27)(1-0,35)x800=28,0 кгс/см²

Рни800=0,1(1,52-1,27)(1-0,35)x1100=13,0 кгс/см²

Рни0=0

Внутренние избыточные давления

Для первой секции (2000-1300 м.) определяем по формуле 4 с учетом пластового давления:

 

Рви=Рон+0, 1*γж*z-Рплz     (4)

 

Рплz=1, 2х200=240 ккгс/см² – на глубине 2000 м.

Рплz=1,2х110=132 кгс/см² – на глубине 1100 м.

Рви2000=60+0, 1х1, 27х2000-240=74 кгс/см²

Рви1100=60+0, 1х1, 27х1100-240=67, 7 кгс/см²

Для второй секции (1100-0 м) определяем по формуле 5:

 

Рвцl={1.1Рн-0,1[γ_ц-γ_ж]-(γ_ц-γ_р)l₁}(1-k)            (5)

 

Py1100=Pплц/l^s, где S=0,1х10^-3(l-z)=0,1х10^-3х1, 121х1100=0, 133

Ру = 132/l 0,133=132/1, 142=116 кгс/см²

Рви1100=1, 1х116-0.1(1, 81-1, 27)х1100х0, 65=44.3 кгс/см³

Ру800=96/l 0,0969=96/1,1=87,2 кгс/см²

S =0,1х10^-3х1,212х800=0,0969

Рви 800=[1.1х87.2-0.1(1.81-1.27)х800]0.65=34.3 кгс/см²

Рви 800=[1.1х87.2-0.1(1.52-1.27)х800]0.65=49.4 кгс/см²

При проявлении скважины давление на устье составит:

Рви=639-0.1х1.27х3850=150 кгс/см²

Расчет 324 мм колонны

1 секция (2000-1100 м)

=70,2 кгс/см². Этому давлению соответствуют трубы группы прочности Д с σ=12 мм, для которых Р_кр.см = 105 кгс/см² овальность 0, 015.

Для 2 секции принимаем трубы с σ=10 м м группы прочности Д, Р_кр.см =68 кгс/см². По эпюре этому давлению соответствует глубина L₁ = 1930 м.

Следовательно, длина 1-й секции:

L₁ = 2000-1930=70м.

Все 1 секции:

Q1=95,3х70=6671 кг.

Проверим запас прочности на внутреннее давление, по эпюре давление на этой глубине P_ви = 74кгс/см².

n₂ = 246/74 =3.32, что достаточно

n₁ = 105/70, 2 =1, 49>(п1)

Запас прочности по внутреннему избыточному давлению для труб с σ = 10 м на глубине 1100 м. составит:

n₂ = 205/67, 7 =3.03, что достаточно

n₂ = 68/17, 8 =3.82, что достаточно

следовательно, длину второй секции можно принять:

l₂ = 1930-1100=830 м.

Q₂=80, 3х830=666649 кг.

II секция (1100-0 м.)

Поскольку наружное давление выше глубины 1300 м. незначительно, то следующие секции подбираем из расчета на внутреннее давление.

Длину 1 секции принимаем

L=50 м., с σ=10 мм.

Вес секции: Q₁ = 80, 3*50=4015 кг.

n2=205/44, 3=4, 62>(n2)

для 2 секции принимаем трубы с σ=12 мм.

п₂ = 246/150=1, 64 >(п₂)

тогда длина 2 секции труб

l₂ = 1100-50=1050 м.

все 2 секции труб

Q₂= 95, 3*1050=100065 кг.

 

Таблица 10. Конструкция 324 мм колонны

№	Интервал, м	Длина секции, м	Группа прочности	Толщина стенки, мм	Запасы прочности		Вес секции
					На смятие	На внутреннее давление
1 секция 2000-1100 м.
1	2000-1930	70	Д	12	1, 49	3, 32	6671
2	1930-1100	830	Д	10	3, 82	3, 03	66649
2 секция 1100-0 м.
1	1100-1050	50	Д	10	-	4, 62	4015
2	1050-0	1050	Д	12	-	1, 64	100065
							1777400

 

Расчет 2 промежуточной колонны 244,5 м.

Исходные данные:

Глубина, м.: L=3850, h=0

Удельный вес, гс/см³: γ_ж=1,0, γ_к=1, 74

γ_ц=1, 9 в интервале 200-3850 м.

γ_ц=1, 87 в интервале 0-2000 м.

Относительная плотность газа по возрасту γ=1,212.

Пластовое давление на глубине 3850 м. Р_пл = 639 кгс/см²

Запасы прочности для обсадных труб по стандарту АНИ:

п₁=1,125, п₂=1,1, п₃=1,75

Ввиду ограниченного предела прочности антикоррозионных труб SМ-90SSU в виду текучих солей расчет труб производится согласно (6) по выражению, учитывающему возможность поддержания внутреннего давления (Py) в промежуточной колонне на соответствующем уровне, путем регулируемого штуцера.

Рн= 0,1γ₀z≤Ркр/п₁*п₂+Ру, где Рн=(γп*z/10)λ             (6)

 

Интервал расчета по горному давлению

[(2800-25)-(3800+25)]M, т.е. 2775-3825 м.

Ру=0,1 (2,23-1,0)3825-350,3/1,125*1,1=283 кгс/см²

Внутренние давления

Определяем по формуле (6) методики (IO)

Р_вz = 639/l^s=639/2.3*0.467= 639/1.595=401 кгс/см²

S = 0, 1*10^-3γ(н-z)=0,1*10^-3*1, 212*3850=0, 467

Избыточное наружное давление

Определяем при минимальных внутренних во время проявления при открытом устье по формуле 7.

 

Z=0 Рни₀ = 0,1 (γ_ц-γ₀)(1-к)               (7)

 

Z=3850 м. Р_ни3850=0,1(1, 9-1,0)(1-0,3)3850=243 кгс/см²

В интервале (2775-3825) м. избыточные наружные давления определяем с учетом горного давления

Р_{н.и. 3825}=0, 1(2, 23-1, 0)3825-283=188 кгс/см²

Р_{н.и. 2775}=0, 1(2, 23-1, 0)2775-283=59 кгс/см²

Р_{н.и. 3825}=0, 1(1, 9-1, 0)(1-0, 3)3825=240 кгс/см²

Р_{н.и. 2000}=0, 1(1, 9-1, 0)(1-0, 3)2000=126 кгс/см²

Р_{н.и. 2000}=0, 1(1, 87-1, 0)(1-0, 3)2000=122 кгс/см²

Избыточные внутренние давления

Определяем по формуле 8.

 

Рвиz= {1.1Pу-0,1[γц-γж]L-γц-γр}(1-k)           (8)

 

Рви3850=1, 1*401-0, 1(1, 9-1, 0)*3850(1-0, 3)=66 кгс/см²

Рви2000= (1, 1*401-0, 1(0, 1(1, 87-1, 0)2000)(1-0, 3)=186 кгс/см²

Рви0=1, 1*Ру=1, 1*401 кгс/см²

Расчет 244 мм колонны

Расчет ведем по наружным избыточным и внутренним давлениям

Рниl=243 кгс/см²

Рниl=243*1.125=273 кгс/см²

Этому давлению соответствует трубы марки стали SM-95SS и о толщиной стенки σ=11,05 мм (Ркр=290 кгс/см², Рт=528 кгс/см²q=64,73кгс). Для следующей секции принимаем трубы марки SM-90SSИ с σ=10, 03 мм (Ркр=229 кгс/см², Рт=454 кгс/см², q=59, 52 кгс), для которых

 кгс/см², что соответствует глубине 1900 м.

В связи с производственной необходимостью принимаем нижние 250 м., составленные из труб марки стали SM-95SSU с σ=11, 99 мм, q=69.94

L1=11.95=17485 кгс

L2=11.05=90622 кгс

На глубине 2200 м делается переход на трубы марки стали SM-90SS согласно регламенту.

Дальнейший расчет ведем из расчета на внутреннее давление, так как наружное давление незначительно. И делаем проверочный расчет на страгивание:

=412 кгс/см², что

Соответствует глубине L=260 м. Тогда длина

L3=10,03=2200-260=1940 м=1940 59, 52=115469 кгс

Следующую секцию принимаем из труб марки стали SM-90SSN с σ=11, 05 ( =500 кг/см² q=64, 73 кгс)

=154 кгс/см², что удовлетворяет устьевым условиям.

Верхние 150 м принимаем с σ=11, 99 мм ввиду наличия в газе сероводорода и согласно п.2.7.4 /10/, тогда

L4=11,05=110 м=110 64, 73=7120 кгс

L5=11,99=150 м=150 64, 94=10491 кгс

 

Таблица 11. Конструкция 244,5 мм колонны

№ п/п	Интервал, м	Длина, м	Группа прочности	Толщина стенки, мм	Запасы прочности			Вес секции кгс
					На смятие	На внутр. давление	На страгивание
1	3850-3600	250	SM-95TS	11, 99	1, 125		-	17485
2	3600-2200	1400	SM-95TS	11, 05	1, 125		-	90622
3	2200-260	1940	SM-90SS	10, 03	-	1, 1	2, 7	115469
4	260-150	110	SM-90SS	11, 05	-	1, 1	2, 65	7120
5	150-0	150	SM-90SS	11, 99	-	1, 1	2, 62	10491

 

Эксплуатационная колонна 177, 8 мм

Исходные данные:

Глубина, м, L=4100, h=0

Удельный вес, г/см³, γ_ж=1, 0

γ_ц = 1, 77 в интервале 3750-4100м

γ_ц = 1, 87 – в интервале 0-3750 м.

γ_к=1, 74

пластовое давление, кгс/см²: Рпл = 644 (в период ввода скважины в эксплуатацию).

Коэффициент разгрузки цементного кольца – 0, 25

Запасы прочности для обсадных труб по стандарту АНИ:

п1 = 1, 36 п2=1, 33 п3=1, 75

Внутреннее давление

В период ввода скважины в эксплуатацию внутреннего давления определяется по формуле 9.

 

а) Рвz=Рплl/l^s          (9)

где S=0,1*10^-3 *1.212*410=0.496

l^s =1.6421

Pвz=644/.6421=392 кгс/см²

б) по окончании эксплуатации

Pвz=Pплz=120 кгс/см²

Избыточные наружные давления

Определим по формуле 10.

 

Рни=(0, 1(γ_ц*h-(γ_ц-γ_р)h)-Pmin)(1-k)           (10)

 

При z=0Pниz=0

При h=4100 Рниz=(0.1*1.77*4100-120)(1-0.25)=454 кгс/см²

При h=3750 Рниz=(0.1*1.77*3750-120)(1-0.25)=408 кгс/см²

При h=3750 Рниz=(0.1*1.87*3750-120)(1-0.25)=436 кгс/см²

Избыточное внутреннее давление

Давление на устье z=0 Ру=1, 1 Рв= 1, 1, 392=432 кгс/см²

Давление на глубине L определим по формуле 11:

 

Рви = (Роп-0, 1(γ_ц-γ_ж)L-(γ_ц-γ_р)h)(1-к)          (11)

 

Рви4100=(432-0, 1(1, 77-1, 00)4100)(1-0, 25)=87, 2 кгс/см²

Рви3750=(432-0, 1(1, 77-1, 00)3750)(1-0, 25)=107, 4 кгс/см²

Рви3750=(432-0, 1(1, 77-1, 00)3750)(1-0, 25)=79, 3 кгс/см²

Расчет 177,8 мм колонны

Расчет ведем по избыточным наружным и внутренним давлением.

Рни= 454*1, 36=617 кгс/см²

Этому давлению соответствуют трубы марки стали SM90-SSU

σ=11, 51 мм (Ркр=659 кгс/см²); Рт=718 кгс/см²

q=47, 62кг.

Для второй секции принимаем трубы с толщиной стенки σ=10, 36 мм

(Ркр=532 кгс/см², Рт=646 кгс/см²; q=43, 15 кг.), для которых

, что соответствует глубине L₁ =3380м.

Тогда длина 1 секции:

L₁ = 4100-3380 = 720 м.

Q₁=47, 62х720=34286, 4 кг.

Для третьей секции принимаем трубы с толщиной стенки σ=9, 19 м.

(Ркр=404кгс/см², Рт=574 кгс/см², q = 38.69 кг).

, что способствует глубине

h₂=2560 м.

L₂= 3380-2560=820 м.

Q₂=43, 15*820=35383 кг.

Длину 3-й секции определим из расчета на страгивание и проверим на внутреннее давление

 что удовлетворяет

Q₃ = 38, 69*2000=77380 кг.

Для 2-й секции принимаем трубы с σ=10, 36мм.

Q₄=43, 15*430=1854, 5 кг.

Запас прочности:

Для 5-й секции принимаем трубы с σ=11, 51 мм

 720 м, что достаточно

Принимаем,

L5=130 м=47,62 130=6190, 6 кг

 

Таблица 12. Конструкция 177,8 мм колонны

№ п/п	Интервал, м	Длина, м	Группа прочности	Толщина стенки, мм	Вес секций, кгс
1	4100-3380	720	SM-90SSLL	11,51	34286, 4
2	3380-2560	820	-	10, 36	35383
3	2560-560	2000	-	9, 19	77380
4	560-130	430	-	10, 36	18554, 5
5	130-0	130	-	11, 51	6190, 6

 

Так как в настоящее время в наличии имеются обсадные трубы φ 177, 8 мм с толщинами стенок только σ=11, 51 мм и 12, 65 мм, принимаем всю колонну, составленную из труб с σ=11, 51 мм

L=4100 м=4100 47, 62=195242 кгс

Делаем проверочный расчет на страгивание и на внутреннее давление на смятие.

= =1, 79>1, 75

= =1, 66>1, 33

= =1,45>1,36

 

Таблица 13. Окончательная конструкция 177,8 мм колонн

Интервал	Длина, м	Группа прочности	Толщина стенки, мм	Запасы прочности			Вес секции
4100-0	4100	SM-90SSU	11,51	1,36	1,66	1,79	195242