Документ: Трубы нефтяного сортамента, страницы 276-280

возникающие из-за изменения температуры и давления в колонне,

.не приводили к искривлению колонны из-за потери устойчивости. Для обеспечения необходимой прочности обсадной колонны ве личину натяжения следует учитывать при ее расчете. На первом

этапе расчет колонн выполняют по изложенной выше методике

.(расчет на растяжение, наружное и внутреннее избыточные давле ния) '. на втором э:rапе определяют у~илие натяжения, необходимое

.для удовлетворительной работы колонны. Если при полученной

величине натяжения обсадные трубы не удовлетворяют условию

прочности, то необходимо или применить более ПРОЧНрlе трубы,

.или уменьшить собственный вес незацементированного участка ко

лонны, увеличив высоту столба цементного раствора.

Определим натяжение для зацементированной обсадной кодон

ны, жестко закрепленной у устья.

В общем случае, когда колонна подвержена в процессе -эксплу-

8тации изменению температуры и давления, усилие натяжения на

ходят из условий

QH :). Q;

QH >Q+P, + ~		(l-2~) (Pb d2 -Рн D2) 10-3_
	4
-1,2 -.:: (l-~) 1 (D2)'H - d2 )'В) 10-3.			(1 1.46)
.	4
Большее значение QH принимается за усилие натяжения.
Здесь Q - вес		свободной части колонны, кН;	P t - осевая	на
грузка,	возникающая вследствие температурных		изменений,	KH~
РвРн -	внутреннее	и наружное устьевые давления	в колонне	и за

./r-----::;-+-\

'~

j

колонной при эксплуатации, Па; [ - длина 'сво бодной час'Ги колонны, м; D" d - наружный и

внутренний диаметры колонны, м; )'н, ),В

уделыные веса жидкости соответственно за ко

лонной и внутри ,колонны в п:роце,ссе эксплуата

ции, НJмЗ:
Р, = aEFtJ.f·10-3 ,			(11.47)
где а -,коэффициент		линейного	расширения;
F - площадь	сечения	'fiрубы, м2;	llt - ср·едняя
темпе,ратура	на,грева	колонны, ОС;	Е - модуль

У'пругости, Н(м2• Приближ'ен'ное значение ,средней температу

ры нагрева (или охлаждения) можно определить из зависимости -(рис. 11.2)

tJ.f= (/3-/1)+(14-/2) ,

2

Рис. 11.2. Эпюра

'распределения тем

.нератур в сква

жине

где t 1, { 2 - тем:пературы колонны по геотермиче скому 'градиенту; fз, { 4 - температуры жидкости

за колонной (при отсутствии данных принима ются по температуре жидко,сти 'в Iюлонне).

;:lб

В нормальных условиях Ри=О, 11=0,3. Тогда усилие натяжения

определится из условий:

QH >- Q;

QH	Q:- аЕ F f),t.10-3 + 0,31 РВ d2 .10-3 _
-	0,6551 (D2 Ун - d2 Ув) 10-3.	(11.48)

Определив натяжение, необходимо проверить прочность колон НЫ исходя из условия ее работы в процессе освоения и эксплуата

ции.

В процессе эксплуатации скважины влияние температуры и

давлеНJlЯ приводит к изменению усилия натяжения Qи. Колонна

будет удовлетворять требованиям прочности при соблюдении сле

дующего условия:

Qи -	Q,)-Pt + Рр -Ру -< [Р];
Qи -	Qo -< [Р] ,	(11.49)

где Qo - вес колонны от устья до рассматриваемого сечения, кН;

[Р] - допускаемая осевая нагрузка, кН; Рр - осевая растягиваю

щая нагрузка, возникающая в колонне в результате воздействия

внутреннего и внешнего избыточных давлений у устья в процессе эксплуатации,кН:

Рр = ; ~t (Рв d2- РН D2) 10-3 = 0,47 (Рв d2- РН D2) 10-3 ;

(11.50)

P-v - осевая нагрузка, возникающая в колонне в результате воз действия внешнего и внутреннего гидростатических давлений жид

кости при эксплуатации:

Ру =	:	~t 1 (D2 ~ УН -		d2 ~ Ув) 10-3 =
= 0,2351(D2~'Ун-d2f),ув)					10-3;	(11.51)
~ 'Ун	=	Ун -	Y~; ~ Ув	= Ув -	Y~ ,
где ,2,		'\'~ -	удельные веса		жидкрсти в	скважине после спуска и

цементирования колонны.

В ряде случаев для увеличения запаса прочности значение P t (при нагреве) не учитывают.

Так как колонна состоит из отдельных секций, различающихся толщиной стенки труб, то для F следует принимать среднее зна

чение

F=	F1 l 1 +F2 l 2 +...	(11.52)
	11+ l 2-L '"
где	Р], Р2 - площади сечения труб каждой секции; 11, 12 -	длины

секций.

При отсутствии внутреннего избыточного давления и нагрева

колонны, а также в случае, когда условия работы колонны не из

вестны, натяжение колонны находят из выражения Qи= Q.

277

Условие прочности Qи:::::;{Р].

Если обвязка устья производится без разгрузки и из условия (11.46) Qи не более веса колонны Qи, то натяжение следует прини

мать равным Qи.

Проверять прочность необходимо для наиболее нагруженных

секций колонны. Если проверка прочности колонны покажет удов

летворительные результаты, то надо проверить также напряжен ное состояние колонны в процессе опрессовки и освоения сква

жины.

При освоении скважин раствор заменяется водой. Нагнетание внутрь колонны жидкости, имеющей низкую температуру, может

привести к охлаждению колонны и, как следствие, к дополнитель

ным растягивающим напряжениям. Для обеспечения прочности труб необходимо, чтобы после натяжения колонны, обвязки устья

скважины и нагнетания жидкости напряжения, возникающие в

трубах, были в пределах допускаемых величин. Для этого должно

быть выдержано условие

QH - Pt + Рр - Ру <: [Р],

(11.53)

где Pt, Рр, Ру определяются из выражений (11.47), (11.49), (11.50)

применительно к процессу освоения.

Наиболее благоприятно с точки зрения прочности колонны при

замещении раствора нагнетание жидкости ~ спущенные насосно

компрессорные трубы, а не в кольцевое пространство между насос но-компрессорными и обсадными трубами.

П ,р и м е р. определить натяжение обсадной колонны в фонтанирующей сква

жине при следующих условиях: глубина скважины L=360(} м; высота подъема

цементною раствора h=700 м; удельный вес жидкости vи='1,4·104 НJмЗ ; ув=

=0,9·10~ Н/м'.!; температура на забое to=90°C; температура жидкости tз=600С;

внутреннее устьевое давление р=20 МПа; удельный liec раствора в скважине

после

спуска колонны

'\'.=11,4 ·10i

Н/мЗ•

Обсадная колонна состоит 'из четырех секций, трубы IIЗ стаЛi! группы проч

ности к: И Е (табл. 11.3).

Натяжение колонны производят после разгрузк'и на

забой.

Натяжение

Qи определим

из

выражения (11.46).

Предварительно

найдем

среднюю площадь .сечения труб F и дt.

Площадь сечения труб получим из формулы

F =

650·54,2 + 800· 49,6 + 1350·45 с::а 49 5 см2.

800 + 1350 + 650

'

Таблица

11.3

Номер

Диаметр

трубы ~

Длина

Страгиваю-

Масса

I

м

/'маСС8 секци/).

I

и толщина

сеКЦИIi

стенки, М_М

секции 1, м Iщаяк~грузка,I

труб q,

кг

т

1

1,68Х11

700

1900

43,5

30,'5

2

168Х1(}

'800

1700

39,9

32,0

3

168Х9

1350

1600

36,2

49,0

4

168Х11

650

1900

43,5

28,3

При м е ч а н 11

е. Счет

се,кций

ведется снизу

вверх.

278

Средний внутренний диаметр d, соответствующий площади 49,5 см2, равен

14,8 см.

Среднюю температуру нагрева колонны определим по рис. 11.2. Примем:

t1 = 15 0 С;

t =t +(lo-t			)	~=15+(90-15) _2800 =75 0С.
2	1	1		L		3500'
				L		3500'
. t 4	= tз + ио-	tз)		_1 = 60 +	30 .J800	= 84 ос ;
				L	3500
~t= (60-15)+(84-75)					=27 0С.
			2
	Определим	слагаемые формулы (11.48):
Q=g~ql=9,8.109,3·103= 1070 кН;
Р!	= 12.10-6.2.1011.49,5.27.10-7 =					320 кН;

0,31.10-3 Рв d2 = 0,31.10-3.20.106.14,82.10-4 = 135 кН;

0,655 [ (D2 Ун ~ d2 ув)·10-3 = 0,655·2800 (16,82.1,4- 14,82.0,9) Х

х 10-3 = 363 кН.

Подставив полученные величины в выражение (11.46), получим из второго

условия Qн=llБО кН, что больше Q. Следовательно, Qи=1160 кН.

Проверим прочность колонны, наТЯiНУТОЙ с усилием Qи, в процессе эксплуа

тации.

Для верхнего сечения трубы, расположенной у устья (четвертая секция),

прочность определим из выражения (11.49). Расчет прочности произведем без

учета влияния Pt при Qo=O.

Из первого условия

QH + Рр-Ру= 1160+0,47.10-3.20.106.14.82.10-4-

-0,235·2800.14,82.0,5.10-3 = 1294 кН.

Тогда коэффициент запаса прочности, учитывая, что [Р] =Рстр/n, будет

равен				1900
	РСТР			1900
n=	----- = -- = 146
n=	Qи + Рр	-	Рv	1294 "

т. е. составит достаточную величину.

Из второго	условия
n = PCTp/QH =	1,65.

Проверим условие прочности для верхней трубы третьей секции. Коэффи

циент запаса прочности из первого условия

Рстр

n=

Qи - Qo + Рр - Рv

Qo = g [4 q4 = 283 кН.

Из предыдущих вычислений

Рр = 206 кН; P~ = 74 кН.

Тогда

279

n=	1600		= 1600 =	1 58.
	1160 - 283	+ 206 - 74	1048	'

Расчет допускаемого внутреннего избыточного давления

Освоение, ремонтные работы, гидроразрывы и другие работы,

проводимые в скважине, связаны--€--воздействием значительного внутреннего давления на колонну. Определять допускаемое внут

реннее давление должны с учетом как осевых, так и радиальных

нагрузок, действующих на колонну. .

Для жестко закрепленной на устье колонны, натяжение кото

рой превышает вес свободной (незацементированной) части (QH>

>Q),	внутреннее _допускаемое устьевое давление (Па) находят
из выражений
[Р] -QII+Qо+Рt +Ру				(11.54)
	0,47.10-3 d2			(11.54)
	0,47.10-3 d2
				(11.55)
где 'ун -	удельный вес раствора за		колонной, Н/м3 ; 'ув -	удельный
вес жидкости		в колонне в процессе проведения указанных выше
работ,	Н/м3;	Pt , Pv определяют	из (11.47), (11.50),	а Рt-из

(11.41); [-расстояние от ~стья до рассматриваемого сечения. Расчет на внутреннее давление проводится для каждой секции

колонны и за допускаемое давление принимается наименьшее зна

чение. Коэффициент запаса прочности n2 принимается в зависимо сти от размера труб и условий работы.

Расчет сварных колонн

Сварные обсадные колонны рассчитывают на прочность с уче

том воздействия на нее растягивающих нагрузок, наружного и

внутреннего давлений. В отдельных случаях проверка на прочность учитывает также и действие на колонну изгибающих усилцЙ.

Изложенная ниже методика расчета сварных обсадных колонн

распространяется на конструкцию обсадных труб с центрирующим кольцом и проточкой под хомут. Расчет на растяжение сварной об садной колонны сводится к проверке прочности сварного шва, се чений под цементирующее кольцо и хомут.

Прочность сварного шва на растяжение проверяют по формуле

Р1 = о,g.103 ·F1 ~к '	(11.56)
где Р1 - допускаемая растягивающая нагрузка, кН; Р1 -	наимень

шая площадь сечения по сварному шву, м2,; 0'11 ~ временное сопро

тивление материала труб, МПа.

Коэффициент запаса прочности сварного шва

280

Материал: Трубы нефтяного сортамента

Смотрите также: