Расчет цементирования одной из обсадных колонн - Проект крепления скважины

Таблица № 14. Исходные данные для расчета.

Параметры	Условное Обозначение	№ обсадной колонны
1	2	3	4
Диаметр обсадной колонны, мм	426	324	245	168
Расстояние по стволу от устья скважины, м
До башмака колонны	L	50	400	1700	4610
До уровня жидкости в колонне	H	-	-	-	-
До пласта, в котором возможны проявления	I	-	-	1075	4500
до эксплуатируемого объекта	4500
Плотность, г/см3
Опрессовочной жидкости	Ж	-	1,02	1,02	1,02
Жидкости в колонне	В	1,12	1,26	1,19
Давление, МПа
Внутреннее после закрытия устья при нефтегазопроявлениях	PВу	-	4,9	15	402
Пластовое проявляющего пласта	PПл	-	4,9	16,7	45
Минимально необходимое избыточное внутреннее устьевое давление при испытании на герметичность	-	7,7	17	28,5

Таблица № 15. Условия расчета колонн обсадных труб

Показатели

Кондуктор

Техническая

Колонна

Эксплуатационная колонна

Внутреннее избыточное давление

1. При газопроявлениях (после закрытия устья скважины) 2. При ипытании на герметичность.

1. В период ввода скважины в эксплуатацию при закрытом устье. 2. По окончании эксплуатации. 3. При ипытании на герметичность. 4. С учетом давления составного столба тампонажного и бурового растворов по всей длине эксплуатационной колонны, с учетом разгрузки цементного камня. 5. При газопроявлениях (после закрытия устья скважины).

Обсадные колонны должны удовлетворять условиям прочности от сминающих нагрузок (в случае уменьшения давления внутри колонны при газонефтеводопроявлении или эксплуатации скважины) и от внутренних (при опрессовке, работах по интенсификации пласта и т. п.). Распределение наружного и внутреннего давлений между граничными точками принимается линейным. При определение наружных и внутренних давлений в наклонных скважинах (угол > 5 град.) все отметки глубин граничных точек необходимо пересчитывать на вертикальную проекцию траектории ствола.

1. Избыточные внутренние давления. 1) Опрессовка.

Перед опрессовкой жидкость заменяют в колонне на воду. При проверке герметичности давление опрессовки должно на 20 % превышать максимальное устьевое давление, которое может возникнуть при эксплуатации данной скважины.

Колонна считается герметичной, если не наблюдается перелива воды или выделения газа, а также, если за 30 мин. испытания давление снижается не более чем 0,5 МПа при опрессовке давлением более 7 МПа, и не более чем на 0,3 при опрессовке давлением менее 7 МПа. Отсчет времени начинают спустя 5 мин. после создания давления.

В разведочных скважинах герметичность колонны проверяют снижением уровня жидкости, если плотность промывочной жидкости была менее 1280 кг/м3, или заменой более тяжелой промывочной жидкости на воду. Колонна считается выдержавшей испытание, если уровень жидкости в течение 8 ч. поднимается не более чем на 1 м. в 146 и 168-мм колоннах и на 0,5 м. в 194 и 219-мм колоннах и больше (не считая первоначального повышения уровня за счет стока жидкости со стенок скважины).

Рассмотрим интервал H = 0 м.

Рассмотрим интервал h = 1700 м.

2) Ликвидация ГНВП (устье закрыто).

В результате проявления флюида в скважину, одно из первых действий вахты - это герметизация устья скважины. Эта операция осуществляется непосредственно закрытием превентора.

Определим давление на устье:

Рассмотрим интервал h = 1700 м.

2. Избыточные наружные давления. 1) Цементирование (окончание вытеснения тампонажного раствора).

Цементирование промежуточной колонны производится тампонажным раствором: 1,84 г/см3. Рассмотрим самое сложное состояние, при котором внутри промежуточная колонна полностью заполнена тампонажным растворам плотностью 1,84 г/см3:

Рассмотрим интервал h = 1700 м

Построим графики избыточных внутренних и наружных давлений в зависимости от глубины h. Проанализировав графики, мы определили максимальные избыточные давления, которые могут действовать на промежуточную колонну в процессе строительства скважины: МПа, МПа.

№ 4. эпюры избыточных внутренних (а) и наружных (б) давлений

Рисунок № 4. Эпюры избыточных внутренних (а) и наружных (б) давлений

Рассмотрим расчет колонны 245 мм с учетом выпучивания пород в интервале 1015 - 1115 м по методике ВНИИТНЕФТИ.

1. Рассчитаем избыточные наружные давления на рассматриваемую промежуточную колонну скважины.

У устья скважины при, :

На глубине при, давление у башмака колонны равно:

- Коэффициент разгрузки, или пропорцианальности.

На глубине при, близ кровли породы, склонной к выпучиванию:

На глубине при, ниже подошвы той же породы:

По наибольшим значениям строим эпюры избыточных наружных давлений.

Рисунок № 5. Эпюры избыточных наружных и внутренних давлений

Рассчитаем избыточные внутренние давления в колонне в период опрессовки ее за один прием.

Наибольшее давление на устье колонны в случае закрытия превентора после начала нефтегазопроявления:

- Плотность пластового флюида.

Давления на устье при опрессовке колонны вычисляем по формуле:

Из представленного условия проведем опрессовку с запасом при давлении

Избыточное давление у башмака колонны определяется по формуле:

Теперь подберем обсадные трубы, удовлетворяющие критерию прочности в,

Из таблицы "Прочностные характеристики обсадных труб" выбираем обсадную трубу:

Интервал, м	, мм	Группа прочности	, кН	, МПа	, МПа
1700	244,5	10	Д	1870	12,9	27,1

Проверка колонны на страгивание резьб при спуске.

Проверка на страгивание резьбы выполнется согласно условию, приведенному ниже:

- масса 1 м. обсадных труб в спускаемой i-й секции, кг;

- длина спускаемой i-й секции, м;

- допустимая нагрузка на страгивание резьб для труб в проверяемом сечении (по технической характеристике);

- коэффициент запаса прочности на страгивание резьб (для труб с трапецеидальной резьбой = 1,8; для труб с резьбой закругленного профиля диаметром до 168 мм и длиной колонны до 3000 м = 1,15; длиной свыше 3000 м = 1,30; диаметром 178-245 мм и длиной до 1500 м = 1,3, свыше 1500 м = 1,45; диаметром 273-324 мм - соответственно 1,45 и 1,60; диаметром свыше 324 мм - соответственно 1,60 и 1,75). В наклонных скважинах (>10 град.) принимается большее из указанных значений для соответствующего диаметра труб. Для зарубежных труб = 1,8.

Равенство выполняется, следовательно, обсадные трубы выбрали правильно.

Расчет обсадной колонны на проходимость.

Рассчитаем на проходимость эксплуатационную колонну. Проходимость обсадной колонны при спуске в искривленном участке ствола скважины возможна при условии:

Где - составляющая веса колонны длиной, направленная вдоль ее оси; - допустимая нагрузка на колонну весом труб, расположенных выше определяемого участка, при котором начинается продольный изгиб труб (не должна превышать допустимой технологической разгрузки колонны при спуске); ,- силы сопротивления, вызванные соответственно трением колонны по стенке скважины и контактным давлением под действием упругости колонны при прохождении искривленного участка; - сила сопротивления движению башмака колонны в искривленном участке ствола.

Интервал 0 - 1700 м.

Интервал 0 - 2800 м.

Интервал 0 - 4610 м.

Где - масса 1 см обсадных труб с учетом потери массы в промывочной жидкости; - длина участка ствола, в пределах которого определяется проходимость колонны, см; - средний угол наклона ствола скважины в зенитной плоскости на определяемом участке.

Интервал 0 - 1700 м.

Интервал 0 - 2800 м.

Интервал 0 - 4610 м.

Где - модуль Юнга, для стали =2,1*105 МПа; - осевой момент инерции труб.

Где, - наружный и минимальный внутренний диаметры труб, проходящих при спуске через участок.

Интервал 0 - 1700 м.

Интервал 0 - 2800 м.

Интервал 0 - 4610 м.

Где - коэффициент трения стали о породу (=0,05 - 0,6), при наличии смазывающих добавок в буровом растворе, при сухом трении - (в воздухе) .

Интервал 0 - 1700 м.

Интервал 0 - 4610 м.

Где - равномерно распределенная по длине участка колонны удельная сила контактного давления; - длина прямолинейного участка колонны труб, вписывающегося в искривленную часть ствола скважины, в пределах которой проверяется проходимость; - зазор между стенкой скважины и муфтой.

Где - сила нормального давления башмака колонны на стенку скважины,

- радиус искривления, - сила, направленная вдоль оси колонны от воздействия башмака колонны на стенку искривленного ствола скважины,

Интервал 0 - 1700 м.

Интервал 0 - 4610 м.

Проходимость обсадной колонны при спуске в искривленном участке ствола скважины возможна при условии:

Интервал 0 - 1700 м.

Интервал 0 - 4610 м.

При наличии нескольких интервалов с резкими изменениями пространственного угла условие проходимости проверяют на участке с меньшим значением.

Допустимая интенсивность искривления ствола скважины в зависимости от жесткости колонны, величины среднего зенитного угла определяется формулой:

Допустимая интенсивность искривления ствола скважины из условия прочности обсадной колонны определяется формулой :

Где - предел текучести.

Выбор допустимой интенсивности искривления скважины осуществляется по:

Расчет скорости спуска колонны.

При спуске в скважину обсадная колонна вытесняет часть промывочной жидкости. Если колонна оборудована обратным клапаном, то вся вытесняемая жидкость направляется в кольцевое пространство и давление на стенки скважины возрастает за счет гидродинамической составляющей. Во избежание гидроразрыва слабой породы и поглощения промывочной жидкости при спуске колонны гидродинамическое давление должно быть всегда меньше разности давления разрыва породы и статического давления столба промывочной жидкости на нее. Если башмак находится выше такой породы, то предельное гидродинамическое давление у башмака:

Интервал 0 - 1700 м.

Интервал 0 - 2800 м.

Интервал 0 - 4610 м.

Где - давление поглощения слабой породы; - плотность промывочной жидкости; - глубина подошвы слабой породы; - длина по оси скважины от устья до подошвы той же породы; - расстояние от устья до башмака колонны по ее оси; - расстояние от устья до забоя по оси скважины.

Где - гидравлические потери на участке кольцевого пространства.

Где - гидравлические потери в кольцевом пространстве, рассчитываются по формуле:

Интервал 0 - 400 м. (Примем,,, )

Интервал 400 - 1700 м. (Примем,,, )

Интервал 1700 - 4610 м. (Примем,,, )

Где - пластическая вязкость промывочной жидкости; - длина колонны в рассматриваемый момент спуска (или расстояние до подошвы слабого пласта); , - наружный диаметр спускаемой колонны и диаметр скважины; - скорость спуска колонны.

Гидравлическими потерями в местных сопротивлениях (в сужениях кольцевого пространства муфтами обсадных труб, центраторами и т. п.) в большинстве случаев можно пренебречь за малостью. Скорость спуска на длину одной трубы изменяется по сложному закону: сначала возрастает от нуля при трогании колонны с места до некоторого максимума, затем в течение нескольких секунд может быть примерно постоянной, на последнем этапе ее нужно плавно уменьшить до нуля, чтобы при посадке колонны в клиновой захват не возник сильный удар, который может быть причиной аварии.

Ударную нагрузку при резкой остановке колонны в момент посадки в клиновой захват можно оценить по формуле:

Где - масса 1 м колонны в рассматриваемом сечении; = 5100 м/с - скорость распространения упругих волн в колонне; - скорость перемещения колонны перед посадкой в клиновой захват.

Максимальная суммарная растягивающая нагрузка на устьевое сечение колонны в момент посадки:

Где - вес в воздухе всей колонны в рассматриваемый момент спуска ее в скважину; - плотность материала колонны.

При движении колонны с ускорением возникает инерционная составляющая гидродинамического давления в скважине:

Интервал 0 - 1700 м.

Интервал 0 - 2800 м.

Интервал 0 - 4610 м.

Следовательно, во избежание возникновения поглощения жидкости во время спуска колонны в скважину необходимо соблюдать условие:

Интервал 0 - 1700 м.

Интервал 0 - 2800 м.

Интервал 0 - 4610 м.

Разработка технологии спуска обсадной колонны.

Исходя из полученных расчетных данных, определимся с тем, что скорость спуска кондуктора, скорость спуска промежуточной колонны, а скорость спуска эксплутационной колонны определяется как.

Разработка технологии спуска обсадной колонны заключается в расчете скорости спуска обсадной колонны, с учетом того, чтоб при этой скорости спуска не возникло гидроразрыва пород. Предельная скорость спуска обсадной колонны определяется из соотношения:

- гидростатическое давление столба промывочной жидкости на глубине наиболее слабого пласта (пласта с наименьшим индексом давления начала поглощения или гидроразрыва);

- идродинамическое давление в скважине при спуске колонны труб с закрытым нижним концом;

- давление начала поглощения (гидроразрыва) наиболее слабого пласта.

Гидродинамические давления при спуске определяются: при турбулентном течении вытесняемой жидкости по формуле , При ламинарном течении по формуле :

Коэффициент является функцией параметра Сен-Венана Илюшина и находится по графикам или по интерполяционной формуле (для интервала 10 < Sеn < 900):

Скорость течения вытесняемой жидкости при спуске колонны труб с закрытым нижним концом определяется из выражения:

- скорость движения труб, м/с; (по расчетам)

- коэффициент, учитывающий увлечение части жидкости стенками колонны труб. Для практических расчетов можно принимать 0,5.

По приведенным уравнениям строится зависимость и, зная значение, по графику находится предельно допустимая скорость спуска колонны труб.

Величина практической скорости, соответствующей смене режимов течения находится из выражений:

Определим критическое число Рейнольдса по формуле Соловьева:

Определим число Хедстрема:

Для упрощенных расчетов щКр можно определить из выражения:

Интервал, м	Давление, МПа	Давление, МПа	Порода
500	1	1,6	4,9	10,1	-
500	1,06	1,8	4,9	8,82	-
1700	1,06	1,8	16,7	31,3	-
1700	1,05	1,65	16,7	30	-
2800	1,05	1,65	27,3	48,8	-
2800	1,11	1,83	27,3	47,6	-
4540	1,11	1,83	44,1	84,1	-
4540	1,11	1,83	44,1	82,7	-
4610	1,11	1,83	45	84,07	Известняк

Глубина спуска промежуточной колонны по вертикали 1700 м. Кондуктор спущен на глубину 400 м.

Согласно наименьшее значение градиента гидроразрыва наблюдается на интервале 0 - 500 м. и равно 0,0160 МПа/м. Найдем чему равно наименьшее давление гидроразрыва:

- давление гидроразрыва на глубине установки башмака кондуктора.

Начнем расчеты с того, что найдем значение гидростатического давления промывочной жидкости на глубине слабого пласта:

Количество участков кольцевого пространства различного размера от устья до наиболее слабого пласта = 1, так как это интервал спуска кондуктора. Теперь будем рассчитывать вторую составляющую давления в скважине, а именно гидродинамическое давление. Но сперва зададимся скоростью движения.

Определим режим течения, сравнив между собой Re и ReКр:

Определим число Хедстрема:

По формуле Соловьева найдем Рейнольдс критический:

Так как Re <ReКр следовательно это ламинарный режим и рассчитывать гидродинамическую составляющую будем по формуле №2 . Но сперва определим параметр Сен-Венана - Илюшина:

Параметр лежит в пределах 10 < Sеn < 900, следовательно в найдем по интерполяционной формуле:

Определим :

В итоге, получаем:

Определим режим течения, сравнив между собой Re и ReКр:

Определим число Хедстрема:

По формуле Соловьева найдем Рейнольдс критический:

Параметр лежит в пределах 10 < Sеn < 900, следовательно в найдем по интерполяционной формуле:

Определим :

В итоге, получаем:

Определим режим течения, сравнив между собой Re и ReКр:

Определим число Хедстрема:

По формуле Соловьева найдем Рейнольдс критический: