Обсадные трубы, типы
Обсадные трубы и муфты к ним изготавливаются по ГОСТ 632 – 80 следующих размеров (условный диаметр трубы, мм): 114; 127; 140; 146; 168; 178; 194; 219; 245; 273; 299; 324; 340; 351; 377; 406; 426; 473; 508. Толщина стенки от 5,2 до 16,7 мм. Поставляют трубы длиной от 9,5 до 13,0 м, однако в поставляемой партии труб допускается до 20% труб длиной 8...9,5 и до 10% – длиной 5...8 м. На один конец трубы навинчена и закреплена муфта, резьба другого конца защищена предохранительным кольцом.
Обсадные трубы соединяются на резьбе, которые бывают треугольные (короткие и удлиненные) и трапецеидальные (ОТТМ, ОТТГ, ТБО). Трапецеидальный профиль резьбы обеспечивает прочное и высокогерметичное соединение.
Обсадные трубы с трапецеидальной резьбой труб и муфт к ним получили шифр ОТТМ. В трубах марки ОТТГ прочность достигается трапецеидальной резьбой, а герметичность – специальными коническими уплотнительными поверхностями, расположенными со стороны торца труб. Трубы обсадные и безмуфтовые (ТБО) идентичны и взаимозаменяемы с трубами ОТТГ. Отличаются они только способом выполнения. Трубы ОТТГ соединяются с помощью муфт, а трубы ТБО являются безмуфтовыми, резьбы у них выполнены по наружной высадке.
Направляющая пробка, изготовляемая из цемента или чугуна, служит для направления обсадной колонны при спуске ее в скважину.
Цементные пробки легко разбуриваются и поэтому их применяют при спуске промежуточных колонн. Чугунные пробки в последние годы нашли широкое распространение. Они имеют одно центральное отверстие и четыре боковых. Эти пробки обладают высокой прочностью и в то же время сравнительно легко разбуриваются.
Башмак представляет собой толстостенный стальной патрубок длиной 300-600 мм, на верхнем конце которого нарезана резьба для соединения с обсадными трубами, а на нижнем – резьба для соединения с чугунной направляющей пробкой. Иногда внутренняя часть остается гладкой (в случае применения цементной направляющей пробки).
Башмачный патрубок изготовляется из толстостенной обсадной трубы длиной около 1,5 м с резьбой на концах. Нижний конец патрубка свинчивается с башмаком, а на верхний конец навинчивают удлиненную муфту, внутри которой помещают обратный клапан. В башмачном патрубке просверливаются отверстия по винтовой линии для выхода из обсадной колонны промывочной жидкости и цементного раствора при цементировании скважины.
Обратный клапан служит для циркуляции жидкости в направлении сверху вниз. При спуске обсадной колонны жидкость из скважины в колонну не проникает, что уменьшает нагрузку на резьбовые соединения, а также на талевую систему и вышку. Поэтому обратный клапан необходимо применять при спуске тяжелых обсадных колонн. В промежуточных, а иногда и в эксплуатационных колоннах обратный клапан после окончания цементирования скважины необходимо разбуривать. Поэтому обратный клапан изготовляют из чугуна.
К удлиненной муфте, в которой устанавливается обратный клапан, привинчивается обсадная труба, соединенная со следующей обсадной трубой с помощью стандартной муфты, в которой устанавливается чугунное упорное кольцо толщиной 15 – 20 мм с внутренним диаметром на 60 – 80 мм меньше внутреннего диаметра муфты обсадной трубы. Упорное кольцо предназначено для задержания цементировочных пробок, перемещающихся по обсадной колонне в процессе цементирования скважины.
Конструкция обсадной колонны должна обеспечивать возможность установки клапанов отсекателей и, пакерующих и др устройств.Целью технического рачсета является определение диаметра, толщины стенок и марки труб стали, обеспечивающих прочность и сопротивляемость разрушениям.Составление равнопрочной колонны во многом предопределяет и предотвращает разрыв труб
В скважину спускают следующие ряды обсадных труб:
1. Направление – для предотвращения размыва устья.
2. Кондуктор – для крепления верхних неустойчивых интервалов разреза, изоляции горизонтов с грунтовыми водами, установки на устье противовыбросового оборудования.
3. Промежуточная обсадная колонна (одна или несколько) - для предотвращения возможных осложнений при бурении более глубоких интервалов (при бурении однотипного разреза прочных пород обсадная колонна может отсутствовать).
4. Эксплуатационная колонна – для изоляции горизонтов и извлечения нефти и газа из пласта на поверхность. Эксплуатационную колонну оборудуют элементами колонной и заколонной оснастки (пакеры, башмак, обратный клапан, центратор, упорное кольцо и т. п.).
Обсадные трубы выпускаются следующих диаметров и толщины (рис. 4.2)
| Некоторые параметры обсадных труб | |||||
| Диаметр трубы, мм | 168…508 | ||||
| Толщина стенки, мм | 5,2  10,2
| 5,6 10,2
| 6,2 10,5
| 6,5 9,5
| 7,3 12,2... 11,1 16,1
|
Трубы маркируются клеймением и краской. Изготавливаются из стали разной группы прочности: Д, К, Е, Л, М, Т. При спуске в скважину обсадные трубы шаблонируют, т. е. проверяют внутренний диаметр
Конструкция скважин называется одноколонной, если она состоит только из эксплуатационной колонны, двухколонной – при наличии одной промежуточной и эксплуатационной колонны и т. д.
Устье скважины оснащено колонной головкой (колонная обвязка). Колонная головка предназначена для разобщения межколонных пространств и контроля за давлением в них. Ее устанавливают на резьбе или посредством сварки на кондукторе. Промежуточные и эксплуатационные колонны подвешивают на клиньях или муфте. Основные технические характеристики колонных головок отражены в их шифрах.
Обсадные трубы выпускаются по наружному диаметру от 114 до 508 мм, длиной 9,5-13 м. Толщина стенок труб в зависимости от диаметров 5-16 мм. Различают семь групп прочностиобсадных труб: Д, К, Е, Л, М, R, Т с пределом текучести 379-1065 МПа. На каждой трубе наносится маркировка с указанием диаметра, группы прочности, толщины стенки, номера трубы и даты выпуска.
При испытании колонны в один прием без пакера
Р`вz = Роп + rож. gz, (6.20)
где: Роп = 1,1 Рву при 1,1 Рву > Роп.норм.;
Роп = Роп.норм. при 1,1 Рву < Роп.норм.;
Роп.норм. - минимально допустимое (нормативное) внутреннее давление при опрессовке колонны (табл. 6.1).
Для скважин с нормальными условиями бурения и эксплуатации расчет избыточных внутренних давлений в зацементированной зоне продуктивного пласта производят с учетом разгрузки цементного камня по формуле:
Рви = {(1,1Ру + rож. gL) – [rц. g. (L – h) + gпж. gh]} (1 – K) (6.21)
устьевое давление при испытании на герметичность (Роп.норм.)
| Наружный диаметр колонны, мм | Значение Роп.норм, МПа |
| 114…127 140…146 178…194 219…245 273…351 377…508 | 15,0 12,5 11,5 9,5 9,0 7,5 6,5 |
Конструируют (рассчитывают) обсадную колонну, как правило, расчет ведут снизу вверх, начиная подбор секций труб с расчета на наружное избыточное давление и проверяя подобранные секции на внутреннее давление и растяжение. Прочностные характеристики обсадных труб приведены в [18,25]. При использовании в расчетах ЭВМ необходимо сделать несколько вариантов расчета и выбрать из них оптимальный.
Основные принципы расчета обсадных колонн состоят в следующем.
1. Расчет на действие наружного избыточного давления.
Избыточное наружное давление Рниz для труб рассчитываемой секции не должно превышать допустимого с учетом запаса прочности:
Рниz £ Ркр / n1 ; Рниz £ Р¢кр / n1,
где: n1 - коэффициент запаса прочности на смятие;
Ркр – критическое наружное давление, при котором напряжения в теле трубы достигают предела текучести. Определяются по формуле Саркисова
Р¢кр – критическое давление для труб с учетом растягивающих нагрузок Р¢кр = Ркр (1 – 0,3 . Q/Qт).
Q – осевая растягивающая нагрузка от веса (в воздухе) нижерасположенной части колонны;
Qт – растягивающая нагрузка, при которой напряжения в теле трубы достигают предела текучести, приведена в[18] и приложении 3.
2. Расчет на внутреннее избыточное давление.
Избыточное внутреннее давление Рвиz на любом участке обсадной колонны не должно превышать допустимого Рт, определенного по формуле Барлоу, с учетом запаса прочности.
Рвиz £ Рт / n2 ,
где n2 - коэффициент запаса прочности на внутреннее давление.
3. Расчет на растяжение.
В любом сечении вес нижерасположенной части обсадной колонны Q не должен превышать допустимого с учетом запаса прочности:
Q £ [ Р ], (6.24)
где: - [ Р ] = Рст / n3;
Рст – страгивающая нагрузка, при которой напряжения в опасном сечении резьбового соединения достигают предела текучести, рассчитанная по формуле Яковлева
- n3 - коэффициент запаса прочности на страгивание для труб с тре угольной резьбой.
Для труб с резьбой трапецеидального профиля допустимая растягивающая нагрузка [Р], рассчитанная с учетом коэффициента запаса прочности,
Если в задании на проектировании не оговорены коэффициенты запасов прочности, то при расчетах можно использовать следующие данные, приведенные в табл. 6.2, 6.3. Для секций, находящихся в пределах эксплуатационного объекта n 1 = 1,0 –1,3 в зависимости от устойчивости коллектора и n 1 = 1,0 для остальных секций.
Все значения указанных коэффициентов можно использовать при расчетах как эксплуатационных, так и промежуточных колонн.
Значения коэффициента запаса прочности на внутреннее давление (n2)
| Диаметр труб, мм | Исполнение Б | Исполнение А |
| 114-219 | 1,15 | 1,15 |
| >219 | 1,45 | 1,15 |
Таблица
Значения коэффициента запаса прочности на страгивание
для труб с треугольной резьбой (n3)
| Диаметр колонны, мм. | Длина колонны, м. | n3 для вертикальной скважины |
| 114-168 | £ 3000 | 1,15 |
| 114-168 | > 3000 | 1,30 |
| 178-245 | £ 1500 | 1,30 |
| 178-245 | > 1500 | 1,45 |
| 273-324 | £ 1500 | 1,45 |
| 273-324 | > 1500 | 1,60 |
| >324 | £ 1500 | 1,60 |
| >324 | > 1500 | 1,75 |
Избыточное наружное давление на глубине z (Рниz) в общем случае определяют как разность между наружным и внутренним давлениями:
Рниz = Pнz - Рвz
Его определяют графическим или расчетным путем для характерных точек с учетом формул для определения наружного и внутреннего давлений на время, когда наружные избыточные давления достигают максимальных значений, а именно:
- при окончании цементирования;
- при испытании колонн на герметичность снижением уровня;
- при окончании эксплуатации скважины.
При определении наружного давления в зацементированной зоне согласно «Инструкции…» приняты следующие допущения:
- схватывание и твердение тампонажного раствора происходит без объемных изменений, поэтому наружное давление на колонну во весь период твердения тампонажного раствора остается неизменным;
- цементный камень и окружающие породы являются упругими телами с одинаковыми модулями упругости и коэффициентами Пуассона, поэтому рассматриваются как единая оболочка вокруг колонны;
- при уменьшении давления внутри колонны, снижается и наружное давление, однако, радиальная деформация колонны происходит без нарушения ее сцепления с цементной оболочкой.
Для учета этих допущений при расчете наружного избыточного давления в продуктивной части разреза вводится коэффициент разгрузки цементного камня (К).
При этом для скважин с нормальными условиями бурения и эксплуатации расчет избыточных наружных давлений в зацементированной зоне производят по составному столбу бурового и цементного растворов с учетом коэффициента разгрузки для сечения, расположенного у башмака обсадной колонны, по формуле:
РниL = [(Pгст.ц.р. + Ргст.пр.ж.) – Ргст.нефт.] . (1-К),
где: Pгст.ц.р – гидростатическое давление цементного раствора за
обсадной колонной;
Ргст.пр.ж. - гидростатическое давление цементной жидкости за
обсадной колонной;
Ргст.нефт. – гидростатическое давление столба нефти в скважине;
К - коэффициент разгрузки цементного кольца.
Для колонн диаметром 114 – 178 мм: К = 0,25
194- 245 мм: К = 0,30;
273- 324 мм: К = 0,35;
340 и более К = 0,40.
Избыточное внутреннее давление на глубине z (Рвиz) в общем случае определяют как разность между внутренним и наружным давлениями, установленными для одного и того же момента времени.
Рвиz = Р`вz - Pнz,
Как правило, оно максимально при испытании колонны на герметичность опрессовкой. Поэтому в формуле принято:
Р`вz - внутреннее давление при испытании колонн на герметичность;
Pнz - наружное давление (учет горного давления не производится).
Внутренние избыточные давления рассчитываются для характерных точек, а распределение давления между ними принимается линейным.
Расчет колонны по внутреннему избыточному давлению производят по разному для двух случаев испытания колонн на герметичность: в один прием без пакера; в два или несколько приемов с установкой пакера.