Определение наружных избыточных давлений

Наружные избыточные давления определяются по формуле:

Р_ни_z=Р_н_z –Р_в_z.

Для случая окончания цементирования, когда жидкий тампонажный раствор воздействует на обсадную колонну.

В незацементированной зоне в интервале 0≤z≤h.

Как изнутри, так и снаружи колонны находится буровой раствор, поэтому на всем интервале избыточное давление равно нулю.

В зацементированной зоне h ≤z≤L в затрубном пространстве находится цементный раствор, и из-за разности удельных весов возникает избыточное давление.

Р_ни_z=(γ_ц-γ_р)∙(z-h)·10^-6

При z=700м Р_ни_z=0

При z=900м Р_ни_z=(1870-1180)∙9,81∙(900-700)·10^-6=1,35МПа

При z=950м Р_ни_z=(1870-1180)∙9,81∙(950-700)·10^-6=1,7МПа

При z=1000м Р_ни_z=(1870-1180)∙9,81∙(1000-700)·10^-6=2МПа

При z=1500м Р_ни_z=(1870-1180)∙9,81∙(1500-700)·10^-6=5,4МПа

При z=2450м Р_ни_z=(1870-1180)∙9,81∙(2450-700)·10^-6=11,8МПа

При z=2500м Р_ни_z=(1870-1180)∙9,81∙(2500-700)·10^-6=12,2МПа

При испытании на герметичность снижением уровня.

В незацементированной зоне в интервале 0≤z≤H_г.

Поскольку колонна в этом интервале изнутри пустая, избыточное давление равно наружному:

P_ни_z= P_н_z

При z=0 P_ни=0;

При z=700м Р_ни=1180∙9,81∙700=8,1МПа

В зацементированной зоне:

При z=900м P_ни=10,3МПа

В интервале H_г≤z≤L

P_ни_z= P_н_z-Р_в_z

При z=950м P_ни=10,85МПа-0,49МПа=10,36МПа

При z=1000м P_ни=11,4МПа-0,98МПа=10,42МПа

При z=1500м P_ни=20МПа-5,89МПа=14,11МПа

При z=2450м P_ни=30МПа-15,2МПа=14,8МПа

При z=2500м P_ни=30,5МПа-15,7МПа=14,8МПа

При освоении скважины:

P_ни_z= P_н_z-Р_в_z

При z=950м P_ни=10,85МПа

При z=1000м P_ни=11,4МПа-0,52МПа=10,88МПа

При z=1500м P_ни=20МПа-5,67МПа=14,33МПа

При z=2450м P_ни=30МПа-15,45МПа=14,5МПа

При z=2500м P_ни=30,5МПа-15,9МПа=14,6МПа

При окончании эксплуатации:

P_ни_z= P_н_z-Р_в_z

При z=700м P_ни=8,1МПа

При z=900м P_ни=10,3МПа-1,6МПа=8,7МПа

При z=950м P_ни=10,85МПа-2МПа=8,85МПа

При z=1000м P_ни=11,4МПа-2,4МПа=9МПа

При z=1500м P_ни=20МПа-6,44МПа=13,56МПа

При z=2450м P_H=30МПа-14,1МПа=15,9МПа

При z=2500м P_H=30,5МПа-14,5МПа=16МПа

Полученные данные сведем в табл.6 и построим эпюру избыточных наружных давлений рис.1.

Таблица 6

Избыточные наружные давления, действующие на обсадную колонну.

Глубина,м	Операции				Максимум
Глубина,м	Окончание цементирования	Испытание на герметичность	Освоение	Окончание эксплуатации	Максимум
0	0	0	0	0	0
700	0	8,1	8,1	8,1	8,1
900	1,35	10,3	10,3	8,7	10,3
950	1,7	10,36	10,85	8,85	10,85
1000	2	10,42	10,88	9	10,88
1500	5,4	14,11	14,33	13,56	14,33
2450	11,8	14,8	14,5	15,9	15,9
2500	12,2	14,8	14,6	16	16

Расчет избыточных внутренних давлений.

Согласно определению, избыточные внутренние давления равны разности:

Р_ви_z=Р^`_в_z –Р_и_z.

При расчете обсадных колонн избыточные внутренние давления определяются при испытании колонны опрессовкой или при вводе скважины в эксплуатацию с закрытой задвижкой. Определим давление на устье скважины. Согласно формуле при z=0

Р_ву=Р_пл_L-γ_ж(L-H_г)·10^-6=30,5-1000∙9,81·(2500-900)·10^-6=14,8МПа

Что больше минимально необходимого давления при опрессовке, равного, 9,5МПа: 1,1·14,8>9,5.

Р_ви_z=Р_ву+Р_в_z-Р_н_z

При z=950м Р_ви=1,1·14,8+0,49-10,85=5,92МПа

При z=1000м Р_ви=1,1·14,8+0,98-11,4=5,86МПа

При z=1500м Р_ви=1,1·14,8+5,89-20=2,17МПа

При z=2450м Р_ви=1,1·14,8+15,2-30=1,48МПа

При z=2500м Р_ви=1,1·14,8+15,7-30,5=1,47МПа

По полученным данным построим эпюру избыточных внутренних давлений рис.1.

Рисунок 1. Эпюры давлений

Расчет эксплуатационной колонны

Проектирование колонны

Составим таблицу труб диаметром 178мм, которые могут быть использованы при проектировании колонны (трубы исполнения А с треугольной резьбой ГОСТ 632-80) (табл.7).

Таблица 7.

Параметры обсадных труб диаметром 178мм для расчета колонны.

δ, мм	Группа прочности	Р_кр, МПа	Р_m, МПа	Q_m, кН	Q_cm, кН	q, кН/м
5,9	Д	9,8	22,1	1216	617	0,252
6,9	Д	14,4	25,8	1412	823	0,293
8,1	Д	20,3	30,3	1626	1010	0,338
9,2	Д	25,9	34,3	1842	1176	0,382
10,4	Д	31,7	38,8	2078	1333	0,427

Выбираем трубы для 1-й секции. В зоне продуктивного пласта максимальное наружное избыточное давление Р_ни_L=16МПа, расчетное критическое давление:

Р_кр= [n₁]∙P_ни_L=1,2·16=19,2МПа.

По критическому давлению выбираем для 1-й секции трубы 178х8,1 группы прочности Д с параметрами:

Р_кр=20,3МПа; Р_m=30,3МПа; Q_m=1626кН; q=0,338кН/м.

Принимаем ориентировочно длину первой секции L₁=100м (50м мощность продуктивного пласта и на 50м выше его кровли). Вес первой секции:

Q₁=q∙L₁=0,338∙100=33,8кН

Длину 1-й секции уточняем из условия обеспечения прочности нижнего сечения 2-й секции. Оно находится на глубине z:

Z=L-L₁=2500-100=2400м,

Где согласно эпюре, избыточное наружное давление Р_ни2=15,3МПа. Запас прочности выше продуктивного пласта n₁=1. Для 2-й секции выбираем трубы 178х8,1 группы прочности Д с параметрами:

Р_кр=20,3МПа; Р_m=30,3МПа; Q_m=1626кН; q=0,338кН/м.

На нижнее сечение 2-й секции действуют две нагрузки: давление и вес 1-й секции. Определим его прочность с учетом двухосного напряженного состояния:

>Р_ни2=15,3МПа

Следовательно, трубы 178х8,1 обеспечивают прочность колонны на этой глубине.

Для определения длины 2-й секции следует выбрать трубы для 3-й секции. Это будут трубы меньшей прочности 178х6,9 группы прочности Д с параметрами:

Р_кр=14,4МПа; Р_m=25,8МПа; Q_m=1412кН; q=0,293кН/м.

По эпюре определяем, что давление 14,4МПа действует на глубине 1450м. Определяем ориентировочную длину 2-й секции:

L₂=L-l₁-z=2500-100-1450=950м

Ориентировочный вес 2-й секции

Q₂=q₂∙L₂=0,338∙950=321,1кН

Допускаемое критическое давление на нижнее сечение трубы 3-й секции с учетом этой нагрузки:

По эпюре определяем, что давление Р_ни_z=13,3МПа действует на глубине z=1400м

Определяем уточненную длину 2-й секции:

l₂=L-l₁-z=2500-100-1400=1000м

Поскольку первая и вторая секции состоят из одинаковых труб 178х6,9 группы прочности Д мы можем объединить их в одну секцию (в дальнейших расчетах она будет называться 1-й секцией), тогда длина этой секции будет равна:

l_1,2=l₁+l₂=100+1000=1100м

А вес:

Q_1,2=q_1,2∙l_1,2=0,338∙1100=371,8кН

Проверим прочность верхнего сечения 1-й секции на действие внутреннего давления. По эпюре Р_ви140₀=2,3МПа, что намного меньше Р_m=30,3МПа.

Проверим прочность этого сечения на страгивание:

>1,15

Следовательно, прочность 1-й секции по внутреннему давлению и усилию страгивания обеспечиваются с большим запасом.

Длину 3-й секции выбираем из условия обеспечения прочности нижнего сечения 4-й секции. По таблице выбираем для 4=й секции трубы 178х5,9 группы прочности Д с параметрами:

Р_кр=9,8МПа; Р_m=22,1МПа; Q_m=1216кН; q=0,252кН/м.

По эпюре определяем, что давление 9,8МПа действует на глубине 870м. Определяем ориентировочную длину 3-й секции:

L₃=L-l_1,2-z=2500-1100-870=530м

Ориентировочный вес 3-й секции

Q₃=q₃∙L₃=0,293∙530=155,3кН

Допускаемое критическое давление на нижнее сечение трубы 4-й секции с учетом этой нагрузки:

По эпюре определяем, что давление Р_ни_z=8,5МПа действует на глубине z=800м

Определяем уточненную длину 3-й секции

l₃=L-l_1,2-z=2500-1100-800=600м

Уточненный вес 3-й секции

Q₃=q₃∙l₃=0,293∙600=175,8кН

Проверим прочность верхнего сечения 3-й секции на действие внутреннего давления. По эпюре Р_ви800=10МПа, что намного меньше Р_m=25,8МПа.

Проверим прочность этого сечения на страгивание:

>1,15

Следовательно, прочность 3-й секции по внутреннему давлению и усилию страгивания обеспечиваются.

Хотя предельная прочность колонны по наружному избыточному давлению не достигнута, дальнейшие расчеты проводим из условий прочности на страгивание, так как более слабых труб по Р_кр не существует.

Длинна 4-й секции согласно формуле: