Файл: Мамедов, А. А. Нарушения обсадных колонн при освоении и эксплуатации скважин и способы их предотвращения.pdf

веса колонны,, и поэтому рассчитывают на страгивапие резьбо­ вые соединения.

Когда внутреннее давление имеет значительные величины, то в этом случае для верхних секций колонны избыточным дав­ лением является внутреннее и, как правило, эти секции прове­ ряются еще на внутреннее давление.

На практике в нагнетательных и фонтанирующих нефтяных и газовых скважинах, а также в процессе производства работ по капитальному ремонту колонн, при гидроразрыве для незацементированной части колонны избыточным давлением яв­ ляется внутреннее. Величину внутреннего давления можно опре­ делить следующим образом:

а также от характера работ, производимых в колонне в случае капитального ремонта, гидроразрыва, величины избыточных давлений, определяемых по формуле (НО), будут различны. Так, в газовых скважинах обычно величину рабочего давления принимают равной пластовому и пренебрегают влиянием ув ввиду незначительной величины плотности газа. Тогда будем иметь

В нагнетательных скважинах, а также при капитальном ре­ монте, гидроразрыве величина рабочего давления будет равна давлению, создаваемому на устье скважины для проведения в колонне этих работ.

Исследование показывает, что под действием внутреннего' рабочего и наружного избыточного гидростатического давлений в теле трубы эксплуатационной колонны возникают тангенци­ альные, радиальные и осевые нормальные напряжения.

Определим величины этих напряжений. Введем обозначения: ot, оу, Oz — тангенциальное, радиальное, осевое нормальные на­ пряжения в кгс/см2; Е, ц — упругие константы материала трубы; Ь, а — наружный и внутренний радиусы трубы в см; D, d — наружный и внутренний диаметры трубы в см; / —длина незацементированной части участка эксплуатационной колонны в м; б — толщина стенки трубы в см; рн— наружное избыточноегидростатическое давление в кгс/см2.

Формула Ляме дает возможность определить величину тан­ генциальных и радиальных напряжений в теле трубы от равно­ мерного внутреннего и наружного давлений.

Практически считают, что для инженерных расчетов в длин­ ных трубах величину гидростатического давления, изменяюще­ гося по прямолинейному закону по длине трубы в виде тре­ угольника, можно принять постоянной, равной половине макси­ мального значения этого давления. Исходя из этого, для экс­

78

плуатационной колонны величина равномерного наружного избыточного гидростатического давления жидкости будет

На поверхности трубы радиусом р величины тангенциальных и радиальных напряжений определяются по формуле Ляме

Так как наибольшие напряжения будут на внутренней по­ верхности трубы при р= а, то

Приведенное напряжение по третьей теории прочности будет

2Ь2

Ь2 — а2 (Р — Р«\

или, учитывая (112), получим

Формула (115) позволяет определить величину внутреннего давления, которую могут выдержать трубы в условиях воздей­ ствия на них внутреннего рабочего и наружного избыточного гидростатического давления. Для этого нужно аПр заменить пределом текучести материала os. Тогда будем иметь

Практика показывает, что внутреннее рабочее давление в колонне при различных периодах освоения и эксплуатации скважины, а также в процессе различных работ, проводимых в колонне, всегда ниже внутреннего давления, которое могут вы­ держать трубы обсадной колонны, подсчитанные по формуле (116). Поэтому тангенциальные и радиальные напряжения, воз­ никающие в теле трубы от внутреннего рабочего и наружного избыточного гидростатического давлений, не могут привести к разрушению труб в виде разрыва по образующей, который ха­ рактерен для разрушений от внутреннего давления.

Имеющиеся на практике случаи разрыва труб в скважине по образующей объясняются попаданием в скважину дефектных труб заводского происхождения, которые обычно дают трещину при намного меньших внутренних давлениях, чем должны вы­ держивать годные трубы данной марки стали. Причиной по­ падания в скважину дефектных труб является применение на трубопрокатных заводах и трубных базах низких опрессовочных внутренних давлений, которые в некоторых случаях недостаточ­

79

ны для выявления в теле трубы того или иного дефекта завод­ ского происхождения.

Исследованиями установлено, что в зависимости от положе­ ния оси колонны величины осевой силы будут различны [65, 73, 74]. В отличие от вертикального участка колонны, в искривлен­ ных участках ее от действия внутреннего и наружного избыточ­ ного давлений кроме осевых сил еще возникает изгибающий момент, в результате чего на этих участках величина и направ­ ление осевой силы меняются.

Поэтому при определении осевой силы нужно рассмотреть два случая.

1. В колонне отсутствуют искривленные участки — такое состояние колонны соответствует положению ее после натяжки.

Напишем относительное осевое удлинение колонны, исходя из обобщенного закона Гука:

Ввиду того, что колонна закреплена на устье и у границы цементного камня и возможность перемещения концов ее ис­ ключена, имеем условие ez = 0. Тогда получим

Так как избыточное наружное гидростатическое давление жидкости возникает от разности наружного и внутреннего гид­ ростатического давлений, величина ot будет состоять из трех, а величина ог из двух слагаемых, т. е.

Умножая oz на величину площади поперечного сечения тру­ бы, находим осевую силу, возникающую в трубах колонны от

80

воздействия внутреннего рабочего и наружного избыточного гид­ ростатического давлений:

ние соответствует моменту, когда колонна еще не натянута.

В этом случае на искривленном участке колонны от воздей­ ствия внутреннего рабочего и наружного избыточного гидро­ статического давления возникает изгибающий момент. Способ определения величины изгибающего момента описан в работах [66, 75]. В середине первой полуволны (с устья), где прогиб имеет максимальное значение, величина изгибающего момента определится формулой

Это говорит о том, что наименьшая величина изгибающего момента будет у границы цементного камня и при этом состоя­ ние эксплуатационной колонны будет более устойчивым.

Можно определить, что осевая сила, которая приводит к возникновению изгибающего момента в искривленных участках колонны, имеет противоположное направление с осевой силой, возникающей в прямолинейном участке колонны.

Таким образом, представив момент как произведение осевой

Осевая сила, действующая на всю длину колонны,

Р = Р1 + Р2,

или, пренебрегая величиной L/2 как малой и заменив Н на I—^кр, будем иметь

р = — f (! - ад ■d2P + f ( l - liV0Л (I - /кр) (D*yH- d*yB\ (126)

где /Кр — критическая длина искривленной части колонны.

81