Расчет обсадной колонны для горизонтальной скважины

Так как горизонтальная скважина представляет собой разновидность наклонно направленной и различие состоит только в том, что ее конечный интервал проходится в горизонтальном направлении или под небольшим углом к нему, поэтому особенности расчета обсадной колонны и выбора обсадных труб в основном относятся к этому конечному интервалу. Наружное избыточное давление определяется по разности

р_н.иz=р_нz-р_вz

где р_нz и р_вz - соответственно наружное и внутреннее давления, рассчитанные по глубине.

Если при расчете обсадной колонны руководствуются ее длиной в наклонном стволе, то приведение глубины по стволу к вертикальной производится расчетным путем по зенитному углу или графическим методом по построенному в масштабе профилю.

Наружное давление на колонну определяется по тем же правилам, что и для вертикальной скважины, а избыточное наружное давление в в цементированной части колонны рассчитывается по разности наружного гидростатического давления бурового и цементного растворов (по ншервалам за колонной) и внутреннего давления с учетом коэффициента разгрузки колонны:

р_н.иz=(р_нz-р_вz)(1-k)            (10.35)

где k - коэффициент разгрузки.

Значение коэффициента k принимается в зависимости от диаметра обсадной колонны:

Диаметр обсадной колонны, мм	114-178	194-245	273-324	340-508
Коэффициент k	0,25	0,30	0,35	0,40

При расчете эксплуатационной колонны на участке ниже башмака предыдущей включая горизонтальный участок наружное избыточное давление определяется по пластовому давлению, причем перфорация обсадных труб не учитывается и перфорированные трубы рассматриваются как целые.

Внутреннее избыточное давление рассчитывается по максимальному внутреннему давлению, которое может возникнуть в колонне. По инструкции рекомендуется за исходное внутреннее давление принимать давление, возникающее в колонне при ее опрессовке, т.е. p_в=1,1р_у+ρ_плgz, а наружное давление рассчитывается по гидростатическому давлению столба цементного и бурового растворов за колонной (по интервалам):

р_н=g.              (10.36)

где _hж - уровень жидкости за колонной.

Внутреннее избыточное давление также определяется с учетом разгрузки:

р_в.иz=(р_вz-p_нz)(1-k),          (10.37)

(значения коэффициента k аналогичны приведенным выше для расчета наружного избыточного давления).

Распределение внутреннего избыточного давления по обсадной колонне в ее зацементированной части принимается линейным от уровня подъема цемента за колонной до башмака колонны.

По полученным значениям давления в характерных точках строятся эпюры наружного и внутреннего избыточных давлений. Они используются, при подборе подходящих труб, по марке стали и толщине стенки и определении длин секций.

Трубы подбираются на основе сопоставления расчетных нагрузок с предельно допускаемыми.

Допускаемое наружное избыточное давление определяется по критическому давлению смятия: [р_н]=р_кp/k₃₁, где k₃₁ - коэффициент запаса прочности. Значение коэффициента запаса прочности в пределах горизонтального участка k₃₁=1,3÷1,5. В зависимости от интенсивности искривления значения коэффициента запаса прочности:

Интенсивность искривления, градус на 10 м	<3	3-5	5-10
k31	1,0	1,05	1,10

В интервале искривления допустимое наружное давление распространяется на 25 м за пределы интервала.

Допускаемое внутреннее давление [р_в]=р_т/k₃₂, где р_т - внутренне давление в трубе, при котором напряжение в опасной точке сечения трубы достигает предела текучести; k₃₂ - коэффициент запаса прочности; его величина зависит от диаметра трубы и качества изготовления (табл. 10.8)

Таблица 10.8 Значения коэффициента запаса на внутреннее давление.

Диаметр колонны, мм	Коэффициент запаса прочности
	Исполнение А	Исполнение Б
114-219 >219	1,15 1,15	1,15 1,45

Расчетная нагрузка растяжения определяется по суммарному весу секций, расположенных ниже рассматриваемого сечения, без учета архимедовых сил по формуле (10.15)

В горизонтальных скважинах в соответствии с инструкцией при длине горизонтального участка не свыше 600 м допускается определять растягивающую нагрузку по весу колонны в воздухе.

Допускаемая нагрузка растяжения для труб с треугольной резьбой устанавливается по страгивающей нагрузке, которая пересчитывается с учетом искривления скважины:

р_ст.и=р_ст(1-Сα₀),         (10.38)

где р_ст - страгивающая нагрузка; С - коэффициент снижения прочности резьбового соединения; α0 - угол искривления на 10 м.

Угол искривления (градус/10 м):

для плоского профиля

α₀=573/R;          (10.39)

для пространственного профиля

         (10.40)

где Δα=|α₁ - α₂ | - изменение зенитного угла, приведенное к длине интервала 10м; α_ср=(α₁+α₂)/2; Δφ=|φ₁-φ₂| - изменение азимутального угла, приведены к 10 м. α₁, φ₁, и  α₂, φ₂ - углы в конце и начале интервала соответственно.

Допускаемая нагрузка

[p]=р_ст.и/k₃,

где k₃ - коэффициент запаса, для 114-168 - мм труб k₃=1,15, для труб диаметром свыше 168 мм k₃=1,30

При расчете допускаемой нагрузки непосредственно по р- коэффициент запаса может быть рассчитан по формуле

k_з=k_зап/(1 -Сα₀).          (10.41)

Во всех случаях, в том числе для вертикального участка наклонно направленной скважины, его значения не могут быть ниже приведенных:

Диаметр труб, мм	114-168	178-245	273-324	>324 мм
kз.и	1,30	1,45	1,60	1,75

Прочность труб с трапецеидальной резьбой и импортных на растяжение с учетом изгиба

р_р.и=р_р-р_и.      (10.42)

где р_р - разрушающая нагрузка для резьбового соединения, кН; р_и - дополнительная нагрузка растяжения вследствие изгиба колонны, кН, р_и=2,32Dqα₀ - вес 1 м обсадной трубы, кН.

С использованием величины р_р.и допускаемая нагрузка растяжения рассчитывается по формуле [р]= p_р.и/k₃, где значение коэффициента запаса принимается по рекомендуемому для вертикальных скважин.

Расчет обсадной колонны для горизонтальной скважины проводится аналогично для наклонно направленной скважины. Следует только учитывать, что в случае расчета колонны по пластовому или горному давлению, протяженность интервала в наклонном стволе должна быть скорректирована с учетом удлинения, т.е. необходим уточненный расчет расположения данного интервала.

Для правильного обоснованного выбора обсадных труб по типу резьбы и уплотнительным материалам, применяемым в резьбовом соединении, в описании конструкции скважины должны быть приведены условия, в которых будет находиться колонна: положение интервалов набора зенитного угла и их протяженность, интенсивность искривления, протяженность горизонтального участка, интервалы цементирования, сведения о пластовых флюидах, пластовых давлениях и температуре.

В горизонтальном стволе рекомендуются использовать обсадные трубы с зрапецеидальной резьбой, причем длина секций этих труб должна устанавливаться с таким расчетом, чтобы верхняя труба находилась в обсаженном стволе (с захождением внутрь на 50 м) и по возможности в прямолинейном интервале. В нижней части колонны рекомендуется применять трубы одной толщины стенки и с увеличенной фаской по концам труб в муфте. Для горизонтального участка рекомендуются трубы наиболее низкой группы прочности и с повышенной толщиной стенки.

Тип резьбового соединения и герметизирующие средства должны соответствовать:

• виду флюида, находящегося в колонне (если в колонне две среды, то длина интервала с газовой средой увеличивается на 100-150 м от расчетной границы сред);
• максимальному внутреннему избыточному давлению (трубы с треугольной резьбой и уплотнением соединений лентой ФУМ могут применяться в газовой среде при давлении до 15 МПа и в жилкой при давлении до 25 МПа при интенсивности искривления не более 2° на 10 м);
• максимальной температуре, под воздействием которой колонна находится в процессе строительства и эксплуатации скважины (при температуре свыше 200°С рекомендуются резьбовые соединения с уплотнением металл - металл).