» » Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

03.08.2016

Обсадные колонны подвергаются воздействию различных нагрузок, основными из которых являются:
- осевые растягивающие нагрузки от веса колонны;
- осевые сжимающие нагрузки от веса части колонны при ее посадке на уступы или забой;
- динамические нагрузки, возникающие при неустановившемся движении колонны;
- осевые статические нагрузки от избыточного давления и при изменении температуры;
- избыточные наружные и внутренние давления в затрубном пространстве и внутри обсадной колонны;
- изгибающие нагрузки из-за искривления колонны в результате потери устойчивости или при нахождении ее в искривленных участках ствола скважины.
Осевые нагрузки на обсадную колонну
На колонну действуют осевые силы от собственного веса колонны и выталкивающая сила жидкости (Архимедова сила); силы инерции колонны и жидкости; сила трения о стенки скважин; гидродинамические силы, возникающие при вытеснении жидкости и др. На участках искривления ствола скважины на колонну действует также изгибающий момент.
С ростом глубины скважины отмечается тенденция к увеличению сопротивления спуску колонны. Это объясняется изменением сил трения при выходе башмака спускаемой колонны из промежуточной колонны, переходом колонны в необсаженный ствол, увеличением гидравлических сопротивлений в связи с уменьшением диаметра ствола, влиянием искривления скважин.
Наибольшие усилия при приподнимании колонн зависят одновременно от собственного веса, сил трения и инерционных сил. Отмечается существенное уменьшение инерционных нагрузок с глубиной скважины, что связано с уменьшением скоростей подъема колонны (рис. 4.2).
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

При цементировании закачка цементного раствора в обсадную колонну увеличивает растягивающую силу от веса жидкости, а при продавке в заколонное пространство от высокого внутреннего давления. Кроме того, в этих процессах участвуют и гидродинамические силы, особенно при большой скорости течения жидкости в кольцевом пространстве. После окончания цементирования гидродинамические силы перестают действовать, но появляются новые, связанные с изменением температурного режима и порового давления в цементном растворе в процессе твердения. Если колонну разгружают на забой, то в нижнем интервале возможен продольный изгиб.
На рис. 4.3 показан общий характер изменения осевых нагрузок на колонну в скважине. Участки 1 и 3 соответствуют периоду циркуляции бурового раствора при промывке скважины, участки 2 и 4 отсутствию циркуляции, участок 5 цементированию и участок 6-ОЗЦ. Как видно, в процессе циркуляции бурового раствора, во время цементирования и ОЗЦ общая нагрузка на колонну превышает ее собственный вес.
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

В связи с разными термогидродинамическими условиями эксплуатации скважин в обсадных колоннах возникают дополнительные напряжения сжатия и растяжения.
В фонтанных и насосных добывающих скважинах незацементированная часть нагревается, и в ней могут возникнуть дополнительные напряжения сжатия.
В нагнетательных и газлифтных скважинах, особенно в зимний период, свободная часть колонны может охлаждаться и укорачиваться, что приводит к возникновению дополнительных растягивающих усилий. Аналогично может изменяться напряженное состояние колонны в период освоения скважины, когда раствор в скважине меняют на воду. При этом возможно повышение напряжения в растянутой колонне из-за ее охлаждения водой и повышения внутреннего давления.
Величина натяжения жестко закрепленной колонны при обвязке устья, должна соответствовать разгрузке на цементное кольцо. Для колонны, которая не разгружается на цементное кольцо, ее натяжение также определяется, но оно должно быть не меньше собственного веса колонны.
Таким образом, обсадная колонна воспринимает следующие осевые усилия:
• осевые усилия от собственного веса;
• сжимающая архимедова сила (выталкивающая сила жидкости);
• сила трения между колонной и стенками скважины;
• осевые силы инерции колонны и жидкости, находящейся в колонне и в заколонном пространстве;
• гидродинамическая осевая сила, возникающая вследствие движения промывочной или тампонажной жидкости при циркуляции;
• выталкивающая сила после вытеснения тампонажного раствора за колонну;
• гидравлический удар в момент посадки пробки на стоп-кольцо при цементировании;
• растягивающее или сжимающее усилие в незацементированной части колонны из-за перепада температур.
Рассматривая осевые усилия, следует учитывать возникновения:
• изгибающего момента от составляющей собственного веса наклонно расположенных участков колонны и от разности давлений жидкости на верхнюю и нижнюю поверхности;
• изгибающего момента в местах изменения зенитного или азимутального углов скважины.
Внутренние и наружные давления на обсадную колонну.
При цементировании на обсадную колонну действуют внутренние и внешние давления жидкостей (рис. 4.4). Критических значений внутренние и наружные давления достигают при опрессовке (рис. 4.5).
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

В процессах освоения и эксплуатации нефтяных скважин внутреннее давление в эксплуатационной колонне значительно снижают. В этом случае возникает избыточное наружное давление, которое может привести к смятию колонны (рис. 4.6).
Избыточное наружное давление на обсадную колонну возникает и в тех случаях, когда за колонной находятся пластичные породы (вязкопластичные глины, солевые отложения и т.д.).
В скважинах, в которых в процессе эксплуатации тампонажный камень разрушается, в фильтровой части обсадная колонна испытывает действие вертикальной осевой силы.
Опасное сечение - тело трубы с минимальной толщиной стенки.
При эксплуатации скважины на эксплуатационную колонну действующий комплекс сил изменяется (рис. 4.7).
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

Температура колонны увеличивается и тем сильнее, чем выше геостатическая температура на забое и дебит скважины.
В фонтанирующих, нагнетательных и особенно в газовых (рис. 4.8) скважинах повышено внутреннее давление в верхнем участке эксплуатационной колонны.
В нагнетательных скважинах температура колонны может как увеличиваться (при закачивании горячей жидкости), так и уменьшаться (при закачивании холодной воды) по сравнению с температурой перед обвязкой обсадных колонн.
Кроме того, вследствие повышения температуры колонны от нагрева газа и жидкости в верхней части ее могут возникнуть осевые напряжения сжатия с последующим продольным изгибом (жесткая обвязка колонн на устье скважины препятствует свободному перемещению верхнего конца эксплуатационной колонны). То же наблюдается в нагнетательных скважинах при закачке нагретого пара. При закачке холодной воды в пласт в верхних трубах колонны возникают осевые растягивающие силы.
Соотношение внутренних и наружных давлений зависит от относительного расположения уровней жидкостей и газов внутри колонны и расположения цементного камня за колонной.
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

Варианты соотношений давлений внутри колонны и в заколонном пространстве зависят от горно-геологических условий и состава флюидов, заполняющих скважину. Обычно для расчётов используется один из типовых вариантов схем (рис. 4.9), уровней в нефтяных (а, б, в), газовых (г) и газожидкостных (д) скважинах, для построения эпюр избыточных давлений при расчётах обсадных колонн на прочность.
Наиболее опасными нагрузками для обсадных колонн являются:
• осевые растягивающие,
• наружные избыточные давления,
• внутренние избыточные давления.
Необходимо иметь в виду, что в разные моменты времени они могут иметь разные значения, поэтому при расчётах на прочность обсадных колонн (Инструкция по расчету обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин, 1997 г.) определяются опасные ситуации, при которых нагрузки на обсадные колонны достигают критических значений.
Коэффициенты запаса прочности при расчётах принимаются с учётом рекомендаций руководящей документации и условий работы, длины и диаметра, прочностных характеристик обсадных труб и варианта их исполнения.
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

Использование обсадных труб в крепи скважины
• Обсадные трубы резьбового соединения диаметром 351; 377 и 426 мм и электросварные трубы диаметром 473 мм допускаются к использованию в качестве направлений и кондукторов. Для промежуточных колонн, кондукторов и направлений без установки противовыбросового оборудования рекомендуются трубы с треугольной резьбой или трубы OTTM на смазке Р-2 или P-4G2, допускается применение графитовой смазки по ГОСТ 3333-80.
Для остальной части обсадной колонны допускается использование труб с треугольной резьбой и труб OTTM со смазкой Р-2 или Р-402.
• При выборе обсадных труб с треугольной резьбой надо учитывать, что они могут иметь удлиненную и короткую резьбы, кроме того, ГОСТ 632-80 предусматривает два варианта исполнения труб - А и Б, различающихся требованиями по качеству изготовления (для исполнения А требования по точности соблюдения размеров более жесткие).
• Для интервалов, где трубы выбираются по условию прочности на растяжение, а также в интервалах с интенсивностью искривления более 1,5° на 10 м рекомендуется применять трубы с трапецеидальной резьбой.
• В интервалах, где обсадная колонна формируется по расчету на смятие, предпочтение отдается трубам из сталей низкой группы прочности с максимальной толщиной стенки.
• Трубы с резьбой треугольного профиля по ГОСТ 632-80 могут использоваться при внешнем избыточном давлении до 15 МПа в газовых средах и до 20 МПа в жидких средах при условии уплотнения резьб лентой ФУМ.
• В интервалах, представленных высокопластичными породами (глинистые или хемогенные отложения), предпочтение отдается трубам с максимальной толщиной стенки либо трубам с повышенным сопротивлением смятию.
• В интервалах с повышенной интенсивностью протирания обсадных колонн следует применять трубы с максимальной толщиной стенки. В подобных условиях могут также применяться сменные обсадные колонны ил и колонны из труб сталей групп прочности M (или N80 для импортных труб) и выше.
• Обсадные колонны могут подвергаться воздействию агрессивных сред, что должно учитываться при выборе марки стали обсадных труб.
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

Обсадные колонны комплектуются обсадными трубами определённого типа, марки стали и толщины стенок в следующей последовательности из расчета на (рис. 4.10):
• смятие (от действия наружного избыточного давления),
• разрыв (от действия внутреннего избыточного давления),
• страгивание резьбы в соединительных элементах труб (от действия растягивающих нагрузок).
Расчёты на прочность обсадных колонн ведутся на следующие нагрузки:
- на сопротивляемость смятию при действии на них избыточного наружного давления рин:
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

- на сопротивляемость разрыву при действии избыточного внутреннего давления рив
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

- на сопротивляемость расстройству резьбовых соединений и обрыву труб в наиболее ослабленном сечении под действием осевых растягивающих сил Poc
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

где [рСМ], [рБ] и Pраст.- прочностные характеристики обсадных труб, Pн - наружное давление на колонну в рассматриваемом сечении, Па; рв - внутреннее давление в колонне в том же сечении, Па; q -приведенная масса трубы с данной толщиной стенки (с учетом массы соединительной муфты), кг/м; li - длина секции, составленной из таких труб, м; i - порядковый номер секции (счет секций ведут снизу вверх); Pc - дополнительные растягивающие усилия на колонну; kСМ, kВН и kраст. - коэффициенты запаса прочности.
- на сопротивления перемещению нижерасположенного участка колонны, Н; такие силы могут действовать, например, при расхаживании колонны в наклонной или искривленной скважине.
Исследование изменения нагрузки при статическом состоянии колонны перед спуском по сравнению с нагрузкой в процессе спуска позволяют оценить величину силы трения. Величина эта в основном колеблется в пределах 5-8% от собственного веса в воздухе и зависит от размера колонн, соотношения обсаженного и необсаженного участков скважины, состояния необсаженного ствола и т.д. В наклонных и искривленных скважинах величина эта доходит до 25% и более.
Бурение скважин обычно связано с различной степенью искривления ствола, поэтому, говоря о вертикальных скважинах, имеются в виду допустимые углы отклонения. Обычно принято считать скважины вертикальными, если местные отклонения не превышают 2° на 10 м и общие отклонения по всему стволу находятся в пределах 5°.
В то же время во многих случаях отмечаются значительные искривления ствола, не считая специально пробуренных наклонно направленных скважин с заданной величиной искривления. Искривление ствола приводит к изгибающим напряжениям, для оценки которых необходимо знание радиуса искривления. В общем случае положение оси скважины в пространстве определяется зенитным (угол наклона оси к вертикали в рассматриваемой точке) и азимутным углами.
Разница между собственным весом колонны и фактическим весом в растворе может достичь значительных величин.
Максимальная длина нецементируемой верхней части обсадной колонны должна приниматься с учётом возможности временной полной ее разгрузки во время монтажа на устье колонной головки.
Наиболее опасным моментом такой операции является потеря устойчивости и изгиб разгружаемой колонны, в результате чего возможен слом труб.
В этой ситуации необходимо осуществлять проверочный расчет для нижних труб каждой секции колонны данного типоразмера по зависимости
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

где Li - длина нецементируемой части колонны от устья до рассматриваемого сечения, м; σTi, FiDoi, Wi - соответственно предел текучести материала труб, кг/см2, площадь сечения тела трубы, см2, наружный диаметр труб, см, осевой момент сопротивления труб, см3, в рассматриваемом сечении; к - коэффициент запаса прочности, принимается к = 1,25; q, - средневзвешенная на участке г, масса 1 м труб, кг/м; Dci - диаметр ствола скважины в рассматриваемом сечении, см;
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

где doi — внутренний диаметр труб в рассматриваемом сечении, см.
При удовлетворении неравенства нарушения прочности незацементированной части обсадной колонны не произойдёт.
Динамические нагрузки
Инерционные нагрузки возникают в обсадных трубах в связи с изменением скорости и ускорения при спуске и подъеме колонн. Наибольшие растягивающие нагрузки возникают в начале спуска, когда колонна приподнимается с целью освобождения её из клинового захвата или элеватора. Инерционные нагрузки возникают также при спуске в процессе торможения.
С увеличением глубины скважины статические напряжения растут, а динамические, как правило, снижаются в связи с уменьшением скорости спуска. Расчеты показывают, что для колонн более 3000 м динамическая нагрузка составляет всего несколько процентов от статической.
В процессе спуска обсадной колонны создаются условия для изменения гидродинамического давления в скважине, зависящего от параметров бурового раствора, скорости спуска, размера трубы, скважины и длины колонны.
Для практических расчетов гидродинамического давления используется формула
Δp = Δр1 + Δр2,

где ΔPp1 - изменение давления, учитывающее влияния вязкости раствора (Н. Гукасов), Δp2 - изменение давления, учитывающее пластичность раствора (К. Царевич)
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

Осевые нагрузки в период промывки скважины
Осевые нагрузки в период промывки скважины возможны при наличии прихвата в нижней части и связаны с понижением температуры колонны в процессе теплообмена с закачиваемым раствором и горными породами. Для колонны, закрепленной у устья и в нижней части, растягивающая нагрузка, вызванная увеличением внутреннего давления, определится из выражения:
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

где d - внутренний диаметр трубы, см; р - давление, МПа, μ - коэф. Пуассона для стали.
Для колонны 168 мм х10 мм при давлении 20 МПа
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

Внутреннее избыточное давление приводит также к изгибающим напряжением. Если пренебречь влиянием плотности бурового раствора, которая обычно одинакова внутри и снаружи колонны, то изгибающий момент будет равен:
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

где j - возможный прогиб колонны, мм.
При диаметре предыдущей колонны 245x10 мм
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

Общее растягивающее напряжение от осевого усилия и изгибающего момента составит значительную величину. Для регулирования внутреннего давления устанавливается регулирующий клапан с манометром в цементировочной головке.
Влияние растяжения на сопротивление труб наружному давлению
Наружное давление на колонну в направлении от забоя к устью обычно уменьшается, а растягивающие осевые нагрузки увеличиваются. В каждом сечении колонны будут действовать как сжимающие, так и растягивающие напряжение.
При необходимости расчет на двухосное нагружение можно проводить, исходя из условия прочности
Нагрузки, воспринимаемые обсадными колоннами

где σ1 - растягивающее напряжение,
σ2 - сжимающее напряжение от наружного давления.
Заметное влияние растяжения на сминающую нагрузку должно сказываться на участке перехода, где обе нагрузки достигают значительных величин.
Ho наибольшее избыточное наружное давление по времени не совпадает с наибольшими осевыми нагрузками для каждого сечения. Осевые нагрузки изменяются в связи с тем, что после цементирования колонны в процессе оборудования устья скважины колонна обычно разгружается на цемент. Поэтому расчет на двухосное напряжение следует рекомендовать для колонн, растягивающие напряжения в которых не изменяются к моменту, когда избыточные наружные давления достигают наибольшего значения (например, если обвязка устья скважины произведена без разгрузки колонны или натяжение колонны равно нагрузке в конце её спуска).
В остальных случаях разгрузка колонны перед обвязкой устья приводит либо к сжатию части колонны, находящейся в цементе, либо частичному растяжению в зависимости от возможности совместной деформации системы цемент-колонна.
Силы трения и инерции, действующие на обсадную колонну
В момент приподнимания колонны с ротора силы трения и инерции колонны являются растягивающими.
При перемещении колонны вниз - сжимающими.
При спуске колонны без расхаживания в вертикальную скважину сумма осевых сил обычно не превышает собственного веса труб, а в наклонную - даже меньше их веса в жидкости.
Если колонну приходится расхаживать или приподнимать на несколько метров, сумма осевых сил может быть больше собственного веса труб и тем значительнее, чем больше искривлена скважина, чем больше длина участка, оказавшегося в необсаженном стволе скважины, чем больше мощность проницаемых пород на этом участке, чем меньше зазор между стенками скважины и колонной.
Пример: При приподнимании обсадных колонн диаметром 146 и 168 мм в процессе спуска в необсаженные наклонные скважины диаметром 190 и 214 мм со смещением забоев на 270-350 м относительно устья сумма осевых сил, приложенных к верхнему сечению, превышает вес колонны на 80-90%.