Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ:
Зав кафедрой БС
_____В.Д. Евсеев
«__» ________ 2010
Расчет обсадных колонн на прочность
Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Заканчивание скважин» для студентов специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» очного обучения
Выполнил: студент группы 2Б03
Шороховецкий С.Е.
Томск 2013
ОБЩИЙ ПОРЯДОК СОСТАВЛЕНИЯ СХЕМ И ФОРМУЛ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РНИ
Определиться с категорией скважины (добывающая, нагнетательная, нефтяная или газовая, поисковая или разведочная);
Построить схему расположения всех возможных (геолого-технологических) уровней за колонной и внутри колонны и по этой схеме выбрать расчётные точки;
Определяем наличие текучих пород. При отсутствии таких пород исключить из расчёта интервалы действия горного давления;
Определяем расчётным путём соотношение между РПЛ и åРГС (если РПЛ £ åРГС, то определяем по åРГС);
Для выбранной схемы определяем РНИ:
конец продавки тампонажной смеси;
проверка герметичности снижением уровня;
для операции вызова притока;
период конца эксплуатации.
Для каждого случая перечисленного в п.5 строятся графики РНИ в координатах «глубина – РНИ». Изменение давления по глубине между расчётными точками принимается прямолинейным. Пример такого графика и соответствующей схемы при вызове притока снижением уровня приведён на рисунке:
Строится обобщённый график по точкам с наибольшими значениями РНИ Этот график используется в дальнейшем для расчёта ОК.
На практике РНИ достигает максимума в конце эксплуатации.
РАСЧЁТ НАРУЖНЫХ ИЗБЫТОЧНЫХ ДАВЛЕНИЙ
Первый случай.
На ОК скважины действует давление со стороны кольцевого пространства, называемое РН (наружное давление) и действует давление внутри колонны РВ (внутреннее давление), разность этих давлений составляет РНИ.
Рни = 0
Рни = ρбуф*g*h1 – ρпрод*g*h1
Рни = ρбуф*g*h1 + ρобл*g*h2 – ρпрод*g*(h1+h2)
Рни = ρбуф*g*h1 + ρобл*g*h2 + ρн*g*h3 – ρпрод*g*(h1+h2+h3)
Рни = ρбуф*g*h1 + ρобл*g*h2 + ρн*g*(H-h2-h1) - ρпрод*g*(H-h4) - ρн*g*h4
Рни = 0
Рни = 1050*9,8*820 – 1000*9,8*820 = 0,4018 МПа
Рни = 1050*9,8*820 + 1400*9,8*1600 – 1000*9,8*2420 = =6,6738 МПа
Рни = 1050*9,8*820 + 1400*9,8*1600 + 1850*9,8*100 – -1000*9,8*2520 = 7,5068 МПа
Рни = 1050*9,8*820 + 1400*9,8*1600 + 1850*9,8*125 – 1000*9,8*2520 - 1850*9,8*25 = 7,5068 МПа
Второй случай.
соответствующий концу эксплуатации скважины.
Dэк = 146 мм
k = 0.25 – коэффициент разгрузки
hдин = 2/3 * Н = 1697 м
Рни = 0
Рни = ρбуф*g*h1
Рни = ρобл.ц.к*(1-k)*g*(h2-(h1+h2-hдин)) + ρбуф*g*h1
Рни = ρбуф*g*h1 + ρобл.ц.к.*(1-k)*g*h2 – - ρнеф*g*(h1+h2-hдин)
Рни = ρбуф*g*h1 + ρобл.ц.к.*(1-k)*g*h2 +
+ ρц.к*(1-k)*g*h3 – ρнеф*g*(H-hдин)
Рни = 0
Рни = 1050*9,8*820 = 8,4378 МПа
Рни = 1400*0,75*9,8*877 + 1050*9,8*820 = =17,46213 МПа
Рни = 1050*9,8*820 + 1400*0,75*9,8*1600 – 620*9,8*723 = 20,51 МПа
Рни = 1050*9,8*820 + 1400*0,75*9,8*1600 + 1850*0,75*9,8*125 – 620*9,8*848 = 21,449 МПа
I – График наружных избыточных давлений, соответствующий первому случаю
II – График н.и. давлений, соответствующий второму случаю.
РАСЧЁТ ВНУТРЕННИХ ИЗБЫТОЧНЫХ ДАВЛЕНИЙ
Расчёт внутренних избыточных давлений производится, как и для внешних избыточных давлений для периода времени, когда они достигают максимальных давлений. РВИ = РВ – РН; РВИ Þ max. Имеются два таких случая.
1 случай:
Конец продавки тампонажной смеси при цементировании, когда давление на цементировочной головке достигает максимального значения.
2 случай:
Опрессовка колонны с целью проверки её герметичности.
первый случай
который встречается в период цементирования в конце продавки ТС. Известно, что при цементировании максимальные давления в цементировочной головке РЦГ возникают в конце процесса при посадке разделительной пробки на стоп-кольцо. Величина этого давления составит:
РЦГ = ΔРГС + РГД + РСТ
где: ΔРГС – разность гидростатических давлений, возникающих из-за разности плотностей жидкости в затрубном пространстве и внутри колонны;
РГД – гидродинамическое давление, необходимое для преодоления
гидравлических сопротивлений жидкости при движении её внутри
колонны и в затрубном пространстве;
РСТ – дополнительное давление, возникающее при получении сигнала
“стоп”.
Гидродинамическое давление ориентировочно может быть найдено по эмпирической формуле:
РГД = 0,002 L + 1,6, МПа.
Величина ΔРГС для случая цементирования до устья равна (ρТР - ρБР) g L, в противном случае равна (ρТР - ρБР) g (L-h), где h – уровень тампонажного раствора.
Рцг = dPгс + Ргд + Рстоп
dРгс = ρбуф*g*h1 + ρобл*g*h2 + ρн*g*(H-h2-h1) - ρпрод*g*(H-h4) - ρн*g*h4
dРгс = 1050*9,8*820 + 1400*9,8*1600 + 1850*9,8*125 – 1000*9,8*2520 - 1850*9,8*25 = 7,5068 МПа
Pгд = 0,002*L + 1.6 = 0.002*2670 + 1.6 = 6.94 МПа
Рстоп = 3 МПа
Рцг = 7,5068 + 6,94 + 3 = 17,4468 МПа
Рви = Р цг
Рви = ρпрод*g*h1 + Рцг – ρбуф*g*h1
Рви = ρпрод*g*(h1+h2) + Рцг – ρбуф*g*h1 – ρобл*g*h2
Рви = ρпрод*g*(Н-hст) + Рцг – ρбуф*g*h1 – ρобл*g*h2 – ρн*g*(H-h1-h2-hст)
Рви = ρпрод*g*(Н-hст) + Рцг + ρн*g*hст – ρбуф*g*h1 – ρобл*g*h2 – ρн*g*h3
Рви = 17,4468 МПа
Рви = 17,4468 – 0,4018 = 17,045 МПа
Рви = 23,716 + 17,4468 – 8,4378 – 21,952 = 10,773 МПа
Рви = 24,696 + 17,4468 – 8,4378 – 21,952 – 1,813 = 9,94
Рви = 24,969 + 17,4468 + 0,45325 – 8,4378 – 21,952 – 2,26625 = 10,213 МПа
Второй случай
Соответствует опрессовке колонны после цементирования.
Ропр = 1.1*Русть
Русть = Рпл – ρнеф*g*H=25.45 + 620*9.81*2545 = 25.45–15.48 = 9.97 МПа
Ропр = 1,1*9,97 = 10,967 МПа
Совмещенный график наружных и внутренних избыточных давлений
Расчёт параметров обсадных колон
К параметрам обсадной колонны при заданном диаметре, который уже нами выбран при разработке конструкции скважины, относятся группа прочности материала труб, толщина стенок и длина секций с соответствующей группы прочности и толщиной стенки.
Рекомендуется использовать по возможности наиболее дешёвые обсадные трубы, поэтому для начала расчёта выбираются трубы группы прочности «Д» и вид исполнения «А» с типом соединения ОТТМ.
Секция №1
1) Определяется требуемая прочность трубы на смятие для 1-ой секции Р1см, которая удовлетворяет условию:
Р1СМ ≥ nСМ · Р1НИ
где Р1НИ - величина наружного избыточного давления в начале 1-ой секции (на забое);
nСМ - коэффициент запаса на смятие внешним избыточным давлением. Для секций, находящихся в пределах эксплуатационного объекта 1,0 - 1,3 выбираем nСМ1 =1,1.
Р1СМ ≥ 1,1 · 21,45 = 23,595 МПа
2) По найденной прочности обсадной колоны выбираем колону с толщиной стенки 7,7 мм, группы прочности „Д“ исполнения А с критическим давлением 26,70 МПа.
3) Из условия перекрытия продуктивного пласта на 150 м проектируем L1 - глубину установки первой секции 2335 м по вертикали.
4) По эпюре наружных избыточных давлений в верхнем конце 1-ой секции Р2НИ=20,9 МПа, по таблице находим трубы с толщиной стенки δ2=7 мм с критическим давлением 22,40 МПа.
5) Определяется предварительная длина 1-ой секции l1
l1 = L - L1,
где L - глубина скважины по стволу, м;
L1 - глубина установки первой секции по стволу, м;
l1= L – L1= 2670 – 2335 = 335 м;
6) Рассчитывается предварительный вес 1-ой секции G1,
G1 = 11 · q1,
где q1 - вес 1 м. труб 1-ой секции с толщиной стенки δ1 = 7,7 мм (находится в таблице основных характеристик выбранных обсадных труб).
q1=0,265 кН
G1 =335 · 0,265= 88,775 кН
7) Корректируется прочность на смятие труб для 2-ой секции с учетом двухосного нагружения от наружного избыточного давления и растяжения от веса 1-ой секции по выражению
*Р2СМ = Р2СМ · (1-0,3 G1 / Q2Т ),
где *Р2СМ - прочность на смятие труб 2-ой секции при двухосном нагружении;
Р2СМ - прочность на смятие труб 2-ой секции при радиальном нагружении ( табличное значение);
G1 - растягивающая нагрузка на 2-ю секцию, равная весу 1-ой секции;
Q2Т - растягивающая нагрузка для 2-ой секции, при которой напряжение в теле трубы достигает предела текучести (находится по таблице в инструкции ).
*Р2СМ=22,4 · (1-0,3 · 88,775/1156)=21,88 МПа
Коэффициент запаса определяется по формуле:
nс=*Р2СМ/P2НИ ≥1.
Тогда:
nс =21,88/20,9=1.05≥1,
следовательно, принимаются рассчитанные параметры труб первой секции.
рассчитываются коэффициенты запаса прочности для трубы 2-й секции в голове 1-й секции:
На внутренне давление по формуле (4.20):
nР = Р2Р / Р2ВИ≥1,15, (4.20)
где Р2Р - прочность труб 2-ой секции на внутреннее давление с толщиной стенки δ2 = 7мм – 31,8 МПа;
Р2ВИ - внутреннее избыточное давление в голове 1-й секции скважины – 11 МПа.
Тогда:
nР = 31,8 / 11=2.89≥1,15.
На страгивание в резьбовом соединении по формуле (4.21):
nСТР = Q2СТР / *G1>1,30, (4.21)
где Q2СТР - прочность на страгивающие нагрузки для труб 2-ой секции с толщиной стенок δ2 – 931 кН.
Σ*G –вес 1-й секции
*L2=335 м
Σ*G=335*0,265=88,775 кН
nСТР =931/88,775=10,48>1,30
В связи с тем что условия прочности для 1-й секции соблюдаются, принимаем ее параметры за окончательные.
Секция №2
1) Группа прочности материала труб для 2-ой секции принимается такой же, как для 1-ой.
2) Толщина стенок труб для 2-ой секции принята равной δ2 = 7 мм при определении параметров 1-ой секции.
Трубы с толщиной стенки δ2 могут быть установлены до глубины, на которой действующее наружное избыточное давление обеспечат трубы со следующей меньшей толщиной стенки δ3 < δ2.
3) Находится значение наружного избыточного давления Р3НИ из условия
Р3НИ = Р3СМ / nСМ
где *Р3СМ - прочность труб на смятие для толщины труб δ3 = 6,5 мм (значение из таблицы для критических давлений в инструкции)
P3НИ=19,4/1=19,4 МПа
4) На графике наружных избыточных давлений находится глубина L2=2040 м, на которой действует Р3НИ (предварительная глубина установки 2-ой секции).
5) Определяется предварительная длина 2-ой секции l2
l2 =*L1-L2
где *L1 - откорректированная глубина установки 1-ой секции.
L2=2335-2040=295 м
6) Рассчитывается предварительный вес 2-ой секции G2
G2 = l2 · q2,
где q2 - вес 1 м труб с толщиной стенки δ2 = 7 мм (значение из таблицы сортамента выбранных обсадных труб).
G2=295 · 0,243=71,685 кН
7) Корректируется прочность на смятие труб 3-ей секции с толщиной стенок δ3 в условиях двухосного нагружения
*Р3СМ = Р3СМ · (1-0,3 · ΣG2 / Q3Т ),
где *Р3СМ - прочность на смятие труб 3-ей секции при двухосном нагружении;
Р3СМ - прочность на смятие труб 3-ей секции при радиальном нагружении (критические давления из инструкции);
ΣG2 - нагрузка растяжения на 3-ю секцию, равная сумме откорректированного веса 1-ой секции *G1 и предварительного веса 2-ой секции;
Q3Т - нагрузка растяжения на пределе текучести для труб 3-ей секции (значение из таблицы в инструкции).
*PСМ=19,4 · (1-0,3 · 160,46/1078)=18,53 МПа
Корректируем длину 2-й секции:
l2 =*L1-L2
где *L1 - откорректированная глубина установки 1-ой секции.
L2=2335-1885=450 м
С учетом наклонно-направленого профиля для этого интервала:
L2=450*1,049=472м
Находим вес 2-й секции:
G2 = l2 · q2,
где q2 - вес 1 м труб с толщиной стенки δ2 (значение из таблицы сортамента выбранных обсадных труб).
G2=472 · 0,243=114,7 кН
При Р2НИ=18,53 МПа определяется фактический коэффициент запаса
nР = Р3Р / Р3ВИ
nР=29,5/18,53=1,59
на страгивание в резьбовом соединении:
nСТР = Q3СТР / Σ*G2,
где Q3СТР - прочность на страгивающие нагрузки для труб 3-eй секции с толщиной стенок δ3 (определено по таблице в инструкции);
Σ*G2 - растягивающая нагрузка на 3 -ую секцию от откорректированного веса 2-х секций.
Рассчитанные коэффициенты должны быть больше допустимых коэффициентов запаса прочности.
nСТР=863/203,475=4,24
т.к. nР=1,59>1,2 и nСТР=4,24>1,15,.
на внутреннее давление:
nР = Р3Р / Р3ВИ
где: Р3Р - прочность труб 3-й секции на внутреннее давление с толщиной стенки δ3 (найдено по таблице в Инструкции Р3Р=29,5 МПа);
Р3ВИ - внутреннее избыточное давление на устье (Р3ВИ=17,46 МПа).
nР=29,5/17,46=1.69>1,15
Соблюдаются условия прочности для третьей секции, откорректированные параметры 2-ой секции принимаются за окончательные
Параметры 2-ой секции:
группа прочности "Д"
толщина стенок δ2=7 мм;
длина секции *l2=472 м;
интервал установки 2335-1885 м;
вес секции *G2=114,7 кН.
суммарный вес секций ΣG=203,475 кН.
Секция №3
1) Проектируются трубы с толщиной стенки δ3=6,5мм. Определим, возможно ли установить трубы с δ2=6,5мм до устья.
2) Длина 3-ой секции l3=1885 м.
С учетом наклонно-направленного профиля l3=1977 м.
3) Рассчитывается вес 3-ей секции G1
G2 = l3*q3 =1977 · 0,226=446,8 кН;
ΣG= G1+ G2+ G3=88,775+114,7+446,8=650,275 кН.
4) Определяются фактические коэффициенты запаса прочности для 3-ой секции:
nР=Р2Р / Р2ВИ
nР=29,5/17,46=1,69
на страгивание в резьбовом соединении:
nСТР = Q3СТР / ΣG
nСТР =863/650,275=1,33
т.к. nР=1,69>1,15 и nСТР=1,33>1,15, то параметры третьей секции принимаются окончательными.
Параметры 3-ой секции:
группа прочности "Д"
толщина стенок δ3=6,5мм;
длина секции *l3=1977м;
интервал установки 1977-0м;
вес секции *G3=446,8 кН.
суммарный вес секций ΣG=650,275 кН.
Результаты расчётов
|
№ секции |
Группа прочности |
Толщина стенки, мм |
Длина, м |
Вес, кН |
Интервал установки |
||
|
1 м трубы |
секции |
суммарный |
|||||
|
1 |
Д |
7,7 |
335 |
0,265 |
88,775 |
650,275 |
2670-2335 |
|
2 |
Д |
7,0 |
472 |
0,243 |
114,7 |
2335-1977 |
|
|
3 |
Д |
6,5 |
1977 |
0,226 |
446,8 |
1977-0 |