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

циент Пуассона р остаются практически постоянными для всех,

сталей.

Расчеты по формулам (255) и (257) показывают, что для толстостенных труб меньшее значение р1ф, получается при рас­ чете на прочность, а для тонкостенных — из условия устойчи­ вости. Граничное значение к определяется из совместного ре­ шения уравнений (255) и (257)

При условии /с>к2 трубы следует рассчитывать на проч­ ность, а при к<.к2— на устойчивость.

Расчет овальных и разностенных труб

Обсадные трубы в силу особенности производства имеют отклонения от идеальной формы, т. е. имеют овальность и разностенность. Наличие в трубе этих дефектов приводит к сни­ жению сопротивляемости ее наружному давлению. Исследова­ ниями установлено, что влияние овальности на сопротивляемость трубы наружному давлению намного больше, чем разностенности. Поэтому первые работы по сопротивляемости наружно­ му давлению относятся к расчету овальных труб. Причем, одни авторы считают, что расчет овальных труб должен вестись на прочность и устойчивость раздельно, другие — по объединенной формуле, предусматривающей расчет на прочность и устой­ чивость.

К работам по расчету овальных труб на прочность можно . отнести работу Ф. И. Яковлева, в которой

тено перемещение точек приложения внешних сил, а для тонко­ стенных труб, какими являются обсадные, это имеет существен­ ное значение.

Для расчета овальных труб на устойчивость имеется фор­ мула

(260)

145

Томасом была предложена следующая формула, объеди­ няющая расчет на прочность и устойчивость овальных труб, подверженных наружному давлению,

где рь = 2кот (по формуле Ляме). А по формуле Эйлера

рк = ^-ЕкЮ .

Неточность формулы (261) заключается в замене Томасом значения рк по формуле Эйлера вместо формулы Леви для пря­ молинейного стержня.

Формула для расчета овальных труб на прочность и устой­ чивость, выведенная Б. В. Булгаковым методом теории упруго­ сти, а также методом аналогии, предложенным Л. С. Лейбензоном, имеет вид

Р«? = к \°р + Ек* (\ + ~ ) -

Б. В. Булгаковым обработано большое число эксперименталь­ ных данных по испытанию обсадных труб на наружное давле­ ние и установлено, что критическое давление, подсчитанное по формуле (262), примерно на 13% меньше фактического сми­ нающего давления. Вследствие этого им было рекомендовано увеличить величину критического давления на 1,13 раза.

Кроме того, формула (262) выведена для кольца длиной, равной единице, поэтому при переходе к трубе из стали с моду­ лем упругости Е должно заменяться цилиндрической жестко­ стью, что даст коэффициент равный 1,1. Умножая эти коэффи­ циенты, Б. В. Булгаков получил общий коэффициент равный 1,24, который предложил для определения величины сминаю­ щего давления. Тогда формула для расчета труб на смятие по­ лучит вид

146

До 1950 г. эта формула под названием формулы ГИНИ ши­ роко применялась в практике для расчетов обсадных колонн на сопротивляемость смятию.

В 1943 г. Г. М. Саркисовым была разработана формула АзНИИ для определения величины сминающего давления, ко­ торая имеет вид

ностенной трубе в формулах ГИНИ и АзНИИ имеется расхож­ дение в двучлене, который по ГИНИ равен l+3e/2/c, а по АзНИИ 1+Зе/4/с.

Как показывает Г. С. Саркисов, величины давлений, полу­ чаемые по формуле АзНИИ для частного случая равностенной трубы, на 10—17% выше соответствующих значений критических давлений по формуле (262) Б. В. Булгакова и примерно совпа­ дает со сминающими давлениями по формуле (263) ГИНИ. Благодаря этому расхождение в двучленах как-бы компенси­ руется коэффициентом 1,13 из формулы ГИНИ. На этом осно­

147

Это говорит о том, что определение величины критического давления овально-разностенной трубы формула (265) более строгая, чем формула (264).

В работе С. Б. Гусейнова [22] приводится сравнение резуль­

грузка, найденная по формуле (265), на 16—27% меньше, чем рассчитанные по формуле (264). По мнению С. Б. Гусейнова, ввиду значительной заниженности величин критических давле­ ний, подсчитанных по формуле (265), и с целью определения величин сминающих давлений для овально-разностенных труб формула (265) нуждается в постоянном коэффициенте, подоб­ ном коэффициенту Б. В. Булгакова, выведенным им в форму­ лу (262).

На базе проведенных обширных опытов по установлению

ввести постоянный коэффициент 1,14108 и расчет обсадных труб на смятие производить по формуле

Рем l-26Kmin |а „ + Ек1 р (

исследования по сопротивляемости смятию обсадных труб про­ ведены Т. Е. Еременко [31]. На основе опытных данных им уста­ новлено, что в сечениях испытанных труб в зависимости от овальности их возникают два основных вида напряженно-дефор­ мированного состояния. В случае е>0,5°/о трубы теряют свою несущую способность в области пластических деформаций, а при е < 0 ,5 °/о — в области упругих деформаций.

Кроме этого, Т. Е. Еременко решена упруго-пластическая за­ дача сжатого стержня постоянного сечения и полученные резуль­ таты применены к овальной равностенной трубе. В результате этих исследований автор рекомендует сминающее давление для труб, имеющих е<с0,5%, рассчитывать по формуле Б. В. Бул­

J48

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ НАРУШЕНИИ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ПУТЕМ ДЕФЕКТОСКОПИИ ТРУБ

Промысловые исследования показывают, что значительная часть аварий с обсадными колоннами вызывается действием внутреннего давления при низком качестве труб.

Разрушение труб происходит в упругой области в резуль­ тате дефектов металлургического происхождения: наличия в теле труб плен, закатов, трещин и т. д. Попадание дефектных труб на нефтепромыслы можно объяснить невыполнением тре­ бования ГОСТ 632—64 об отсутствии дефектов в трубах и ма­ лой эффективностью существующей системы контроля труб.

Для определения пригодности обсадных труб при эксплуа­ тации необходимо осуществлять эффективный контроль их пу­ тем дефектоскопии.

ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРОМЫСЛОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

В работе С. А. Ширин-Заде на основе изучения аварийной статистики приведены виды нагрузок, вызывающие нарушения обсадных колонн, и относительные количества нарушений, со­ ответствующих этим нагрузкам. Установлено, что под дейст­ вием внутреннего давления произошло 43,6% всех нарушений.

На внутреннее давление, как на одну из основных причин нарушения обсадных колонн, указано в работе [48], где рассмот­ рены 24 случая аварий, происшедших при освоении и эксплуа­ тации газовых и газоконденсатных скважин. Из них в пяти слу­ чаях произошло разрушение обсадных труб по образующей под действием внутреннего давления, что составляет 21% от об­ щего количества.

Все 12 нарушений обсадных колонн, описанных в работе [44], также являются следствием разрушения обсадных труб, нагру­ женных внутренним давлением.

Примеры разрушения обсадных труб от внутреннего давле­ ния приведены также в работах [5, 16, 35, 83, 88]. В этих рабо­ тах, помимо основных сведений о размерах и прочности мате­ риала аварийных труб, указаны: внутреннее давление, при кото­ ром произошло разрушение; внутреннее давление, при котором напряжения в теле трубы достигают предела текучести мате-

150

риала, соотношение этих давлений, а также вид операции, при выполнении которой труба разрушилась.

Из указанных работ видно, что разрушению подвергаются ■обсадные трубы всех наиболее применяемых групп прочности: Д, К, Е. Аварийные трубы имеют диаметры 146 и 168 мм, тол­ щины стенок от 7 до 14 мм, что соответствует размерам экс­ плуатационных колонн.

Обращают на себя внимание величины давлений, при кото­ рых происходят разрушения аварийных труб: расчетные давле­ ния в 2—4 раза превосходят разрушающие. Имеются также трубы, у которых отношение расчетного давления к разрушаю­ щему равно 5,8; 7,7; 8,6; 12,0.

В связи с тем, что нагрузки, вызывающие аварии с обсад­ ными трубами, относительно малы, при изучении разрушив­ шихся труб всегда возникало предположение о низких прочно­ стных свойствах их материала. Для проверки правильности это­ го предположения из аварийных труб в продольном направле­ нии вырезали образцы, с помощью которых определялись ме­ ханические свойства материала. Наибольший интерес пред­ ставляют значения предела текучести, так как последний вхо­

удлинения материала аварийных труб с значениями относи­ тельного удлинения для материала труб, отобранных случайно из серийной продукции, то можно увидеть, что отклонения от норм стандарта имеются <в обоих случаях.

При изучении причин разрушения аварийных труб помимо характеристик, обусловленных стандартом, как правило, до­ полнительно определяются величины окружных остаточных на­ пряжений и относительного сужения материала.

Для указанных аварийных обсадных труб также определили значения окружных остаточных напряжений. Величины окруж­ ных остаточных напряжений этих труб имеют большие рас­ хождения. Так, например, у труб группы прочности Е из стали марки 38ХНМ величины окружных остаточных напряжений не превосходят 300 кгс/см2. Это объясняется тем, что указанные трубы проходят термическую обработку, благодаря чему оста­

151