Конструирование равнопрочной обсадной колонны

1. ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИНЫ И ПЛОТНОСТИ БУРОВОГО РАСТВОРА.

1.1. Определение совместимых интервалов бурения.

Геологический разрез скважины представлен пластами значительной толщины. Верхняя граница пласта называется кровлей, нижняя – подошвой пласта. Замеры пластового давления и давления гидроразрыва осуществляются лишь в отдельных точках. При проведении расчетов принимается, что относительные давления в пределах пласта постоянны

где относительные пластовое давление и давление гидроразрыва,

       давление столба воды на глубине замера соответствующих давлений.

где - плотность воды.

      - ускорение силы тяжести.

      - глубина бурения, на которой проведен замер соответствующего давления.

Минимально допустимая плотность бурового раствора, рассчитанная по пластовому давлению:

где - коэффициент запаса, учитывающий возможные колебания давления в скважине.

Экологические требования предусматривают ограничение избыточного статического давления бурового раствора на пласты с пресной водой  и продуктивные пласты величиной .

Полученные в результате расчетов данные сведем в таблицу.

Таблица 1.1. Результаты расчетов относительных давлений и требуемых плотностей бурового раствора.

По результатам расчетов строим совмещенные графики относительных плотностей бурового раствора. Допустимый диапазон изменения плотности бурового раствора показан штриховкой. Из графика следует, что первый и второй интервалы совместимы, т.к. диапазоны допустимых плотностей бурового раствора перекрываются, и можно применить общий буровой раствор. Но первый интервал содержит пресную воду и должен быть перекрыт экологической колонной – кондуктором. Второй, третий и четвертый интервалы совместимы,  пятый, шестой и седьмой интервалы  совместимы. Второй, третий и четвертый интервалы следует перекрыть второй колонной обсадных труб. Пятый, шестой и седьмой интервалы перекрываем третьей колонной.

1.2. Конструирование скважины и выбор  плотности бурового раствора для совместимых интервалов бурения.

Первая обязательная колонна – кондуктор – должна быть опущена ниже кровли второго интервала на 50 м. Глубина спуска кондуктора равна

Вторая колонна обсадных труб спускается от устья до кровли пятого интервала т.е. до 1960 м. Голова третьей колонны обсадных труб должна быть выше башмака второй колонны на 100 – 300 м.(т.е. 1760 м), а башмак на глубине 3350 м.

Далее принимаем решение о плотностях бурового раствора. Плотность бурового раствора должна быть минимально возможной, но обеспечивать нормальные условия бурения.

Первый интервал содержит пресную воду, поэтому он выделяется как отдельный и исключается из сопоставления с последующими интервалами.

1.3. Расчет диаметров долот и обсадных колонн.

Расчет ведется снизу вверх для всей конструкции скважины. Расчет начинается с определения диаметра долота D для бурения последнего интервала:

- диаметр муфты обсадных труб хвостовика.

- величина зазора между стенкой скважины и муфтой.

Полученный диаметр округляется до ближайшего большего диаметра долота по ГОСТ 20692-75, т.е. до 190,5 мм.

Далее рассчитываем диаметр эксплуатационной колонны

- запас, обеспечивающий спуск долота в скважину через эту колонну:

- ожидаемая толщина стенки обсадной трубы, принимаем

Диаметр трубы округляем до ближайшего большего по ГОСТ 632-80

Диаметр долота  250,8 мм.

Далее рассчитываем диаметр  кондуктора

- запас, обеспечивающий спуск долота в скважину через кондуктор:

- ожидаемая толщина стенки обсадной трубы, принимаем

Диаметр трубы округляем до ближайшего большего по ГОСТ 632-80

Диаметр долота  393,7 мм.

2.РАСЧЕТ РАВНОПРОЧНОЙ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ.

Выполняются два расчета: на момент окончания продавки цементного раствора и на время после затвердения цемента.

Расчетная схема обсадной колонны.

Где: эксплуатационная колонна 1, кондуктор 2. Вверху за эксплуатационной колонной находится буровой раствор 3, а ниже цемент 4. Внизу в колонне пластовый флюид 5.

Принимаем: − глубина уровня жидкости в колонне; − глубина скважины; плотность цементного раствора ; плотность пластового флюида .

  2.1. Определение внутреннего давления. В конце цементирования выполняется в соответствии со схемой:

в обсадной колонне 1 находится столб продавочной жидкости 2, на который действует устьевое давление , измеряемое манометром 4. За колонной находится открытый сверху составной столб жидкостей, состоящий из промывочной жидкости 2 и цементного раствора 3. Принимается, что продавка цементного раствора осуществлена той же промывочной жидкостью, на которой закончено бурение под рассчитываемую колонну.

2.2.Определение внутреннего давления в конце испытания скважины выполняется в соответствии со схемой

Скважина путем перфорации гидравлически сообщена с продуктивным пластом с пластовым давлением , измеренным на глубине замера . Это давление уравновешивается давлением столба нефти в колонне и устьевым давлением . Из этого условия определяем :

где − плотность нефти.

Полученные величины сопоставляем с нормативным

2.3.Распределение внутреннего избыточного давления в колонне

по глубине скважины при опрессовке давлением находим из условия:

где − внутреннее избыточное давление; − внутреннее давление в колонне; − наружное давление жидкостей на колонну.

Находим суммарное внутреннее давление

   откладываем это значение на графике на отметке , соединяем эту точку с точкой , в результате получаем прямую 2 изменения внутреннего давления в колонне с глубиной.

На правой стороне графика строим зависимость наружного давления от глубины. При наружное давление ; при     

при

Строим прямые 3 и 4. Точки 0 и − прямая 3, а точки − прямая 4. Внутреннее избыточное давление  определяем путем вычитания графика (прямые 3  и  4) из графика ( прямая  2), в результате чего получается зависимость ( график  5).

Из графика 5 видно, что наружное избыточное давление наибольшее в верхней части скважины и наименьшее на глубине , что обуславливает возможность использования труб с разной толщиной стенки.

Определение интервалов спуска труб с разной толщиной стенки проводится следующим образом. Рассчитываем величины допустимого внутреннего давления для трубы  Ø146 мм

где      предельное внутреннее давление для трубы с i-той толщиной стенки; - допустимый запас прочности при действии внутреннего давления.

Проводим вертикальную прямую из точки .Т.к. прямая не пересекается с прямой 5, можно использовать трубу с толщиной стенки 6,5мм по всей высоте скважины.

2.3. Конструирование равнопрочной обсадной колонны.

После расчета обсадной колонны на внутреннее избыточное давление производится ее расчет на смятие наружным избыточным давлением и на растяжение. Поскольку из условия предупреждения смятия наибольшая толщина стенки труб получается в нижней части колонны, то расчет производится снизу вверх на смятие с учетом растяжения и результатов расчета на внутреннее давление. Отличительными особенностями расчета является то, что колонна заполнена жидкостью лишь частично, а за колонной в интервал цементирования находится цементный камень.

2.3.1.Расчет наружного избыточного давления на обсадную колонну.

Наружное избыточное давление равно

где - давление пластового флюида в колонне.

Последовательность расчета следующая. На график нанести зависимость давления воды 1 от глубины z по данным табл.

Затем нанести давление бурового раствора в интервале от 0 до z1; (линию 2), рассчитанное по формуле . Ниже ординаты  z1 наружное давление на колонну будет определяться величинами порового давления в цементном камне и пластовым давлением. Последнее учитывается только в интервалах, неперекрытых другими колоннами.

Для построения зависимости порового давления от глубины рассчитать его величину на глубине zK по формуле:

где − плотность поровой жидкости.

Полученную величину отложить на глубине и провести прямую 3 от этой точки до точки . Далее делается проверка на наличие аномалий пластовых давлений в интервалах перекрытых только рассчитываемой колонной. Для этого на график нанесем точки с координатами пластовое давление-глубина замера (по заданию). Наносим границы третьего интервала, т.к. пластовое давление в этом интервале выше порового. Через точку пластового давления проводим прямую  параллельно линии давления воды до границ интервала. Верхний конец полученного отрезка соединяем прямой с точкой линии 3 на глубине спуска предыдущей колонны.

Далее рассчитываем внутреннее давление на глубине , создаваемое столбом пластового флюида в колонне

3. КОНСТРУИРОВАНИЕ РАВНОПРОЧНОЙ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ.

Формирование первой секции.

Давлению 27,3 МПа соответствуют ближайшие трубы с толщиной стенки  (). Обсадные трубы предполагаем сделать из стали группы прочности D. Вторая секция будет составлена из труб (), так как с уменьшением глубины снижается . На чертеже проводим вертикаль с абсциссой  . По точке пересечения находим предварительную глубину спуска второй секции труб  .

Трубы секции надо проверить на соответствие внутреннему избыточному давлению. .

Предварительная длина первой секции 3350 − 2230 = 1120м

Предварительный вес первой секции

где вес погонного метра трубы первой секции.

Растяжение труб под действием собственного веса снижает их сопротивление смятию. Уточнение

где нагрузка, соответствующая пределу текучести трубы на растяжения.

Графически с использованием величины определяем уточненную глубину спуска труб второй секции, которая составит . Соответственно уточняем длину первой секции

Уточненный вес первой секции составит

Трубы на границе секций надо проверить на страгивание резьбы. Рассчитаем запас прочности резьбы второй секции, т.е. резьбы трубы на границе секций с меньшей толщиной стенки:

На этом формирование первой секции заканчиваем.

Формирование второй секции.

С глубины и выше ставим трубы с меньшей толщиной стенки (), т.к. величина с уменьшением глубины снижается. Графически по величине рсм3 = 20,1 МПа определяем предварительную глубину спуска труб третьей секции (), которая составит