Расчет эксплуатационной колонны для газовой скважины

Исходные данные. Скважина вертикальная добывающая; диаметр обсадной колонны d=177,8мм; диаметр ствола скважины D=215,9 мм; глубина спуска обсадной колонны h=2700м; плотность бурового раствора при вскрытии продуктивного пласта ρ_б.р= 1700кг/м .

Сведения о цементировании колонны: высота подъема цемента -до устья; плотность цементного раствора ρ_ц.р=1930 кг/м3; глубина спуска промежуточной колонны h_пр=2100м; интервал продуктивного пласта 2500-2700 м.

Давление в продуктивном пласте при вводе в эксплуатацию р_пл=43 МПа; давление в колонне в конце эксплуатации р_кон=1,0 МПа.
Относительная плотность природного газа по воздуху ρ =0,65; коэффициент сверхсжимаемости газа m=0,8. Температура у забоя 100 °С, у устья при эксплуатации 55 °С.

Испытание колонны на герметичность с водой в одни прием без пакера.

Интервал залегания высокопластичных глин 2200-2350 м; средняя плотность горных пород 2500 кг/м3.

Решение. Построение эпюры наружного давления.

Расчет наружного давления в характерных точках эпюры. В зацементированном интервале у устья р_н.у =0, у кровли пластичных глин

на глубине 2200 м р_н2200=1100·9,8·2200·10^-6=23,7 Мпа,

в интервале залегания пластичных глин в кровле на глубине 2200 м р'_н.2200=ρ_г.пgh_кр=2500·9,8·2200·10^-6=53,9МПа,

в подошве на глубине 2350 м  р'_н.2350=2500·9,8·2350·10^-6=57,6МПа.

Так как толщина пласта 150 м<200 м, принимается  р_ср=(53,9+57,6)/2≈55,8МПа.

В зацементированном интервале:

у подошвы глин на глубине 2350 м р_н.2350=1100·9.8·2350·10^-6=25,3 МПа;

у кровли газового пласта на глубине 2500 м р_н.2500=1100·9,8·2500·10^-6=27,0МПа.

В продуктивном пласте р_н=43,0МПа.

Построение эпюры внутреннего давления.

Расчет внутреннего давления в колонне в характерных точках эпюры.

При завершении цементирования:

на устье скважины р_в.у=(ρ_ц.р-ρ_б.р)gh=( 1930-1700)9,8·2700·10^-6=6,1 Мпа

(буровой раствор использован в качестве продавочной жидкости); у забоя на глубине 2700 м

р_в2700=р_в.у+ρ_б.рgh=6,1+1700·9,8·2700·10^-6=6,1 +45,0=51,1 МПа.

Перед началом эксплуатации:

против интервала продуктивного пласта р_в=р_пл=43 МПа;

на устье p_ву=p_пл/е^s

где S =-0,03415ρh/mT; Y - средняя абсолютная температура по стволу.

При опрессовке обсадной колонны с водой:

у устья р_оп.у=1.1р_ву=1,1·34,7=38,2МПа;

у забоя р_оп.з=р_оп.у+ρ_вgh=38,2+1000·9,8·2700·10^-6=38,2+26,5=64,7 Мпа.

При окончании добычи газа внутреннее давление р_в= 1,0 МПа принимается постоянным по всей колонне.

Построение эпюры наружного избыточного давления.

Расчет наружного избыточного давления в характерных точках эпюры для самых неблагоприятных условий нагружения обсадной колонны, когда в конце эксплуатации внутреннее противодавление снизится до 10 МПа:

у устья р_н.и.у=р_н.у-р_в.у=0 - 1,0= -1,0 МПа;

давление в интервале пластичных глин постоянно (р_н.и=55,8-1,0=54,8 МПа) и распространяется на 50 м выше и ниже интервале глин, т.е. в интервале 2150-2400 м;

в зацементированном интервале на отметке 2150 м

р_н.и=1100·9,8·2150·10^-6-1,0=23,2-1,0=22.2 Мпа;

в зацементированном интервале на глубине 2400 м

р_н.и=100·9,8·2400·10^-6-1,0=23,2-1,0=22,2 Мпа;

в зацементированной части против продуктивного пласта и на 50 м т.выше его кровли, т.е. в интервале 2450-2700 м,

р_н.и=43,0-1,0=42,0МПа.

Построение эпюры внутреннего избыточного давления.

Расчет внутреннего избыточного давления в характерных точках эпюры при опрессовке колонны, когда внутреннее давление максимально:

у устья

р_в.и.у=р_оп.у-р_н=38,2-0=38,2МПа;

на глубине 2200 м против кровли глин

р_в.н2200=р_оп.у+ρ_вg2200·10^-6-рн2200=38,2+1000·9.8-2200·10^-6 - 23,7= =38,2+21,6 - 23,7=36,1 МПа;

на глубине 2200 м против пластичных глин

р'_в.и2200=38,2+21,6-53,9=5,9 Мпа;

на глубине 2350 м против пластичных глин

р_в.и2350=38,2+1000·9,8·2350·10^-6-57,6=38,2+23,0-57,6=3,6МПа;  

на глубине 2350 м у подошвы пластичных глин

р_в.и2350=38,2+1000·9.8·2350·10^-6-25,3=38,2+23,0-25,3=35,9МПа;

р_в.и2500=38,2+1000·9,8·2500·10^-6-27,0=38,2+24,5-27,0=35,7МПа;

на глубине 2500 м в продуктивном пласте

р'_в.т2500=38,2+24,5-43,0= 19,7МПа;

на глубине 2700 м в продуктивном пласте

р_в.и2700=38,2+1000·9,8·2700·10^-6-43,0=38,2+26,5-43,0=21,7МПа.

Выбор типа обсадных труб для комплектования эксплуатационной колонны.

Тип резьбовых соединений обсадных труб и уплотнительные материалы подбираются по табл. 10.2 по внутреннему избыточному давлению, превышающему 30 МПа. Принимаем трубы с трапецеидальной резьбой типа ОПТ и уплотнительный материал Р-2МВП, так как температура в скважине не превышает 100 °С.

Расчет эксплуатационной колонны на прочность.

Расчет начинается с самой нижней секции. Для нижней секции подбираются трубы по наибольшему наружному избыточному давлению с учетом коэффициента запаса прочности. Для интервала продуктивного пласта принимаем коэффициент запаса k₃=l,3. Выбираем трубы ОТТГ из стали группы прочности Е с толщиной стенки 12,7 мм, р_кр=58,7МПа>42,0-1,3=54,6МПа, р_в=68,9МПа, [Р_рас]=2285кН.

Длина 1-й секции l₁=(2700-2500)+50=250м.

Вес 1-й секции Р₁=0,515·250= 128,75кН.

Секция 2 располагается в интервале 2400-2450 м. На глубине 2450 м наружное избыточное давление по эпюре 35,8 МПа. Коэффициент запаса прочности k₃ = 1,0. Выбираем трубы из стали группы прочности Д с толщиной стенки 11,5 мм-р_кр=36,9 МПа, р_в=42,9, [Р_рас]= 1814кН.

Скорректированное критическое давление для труб секции 2 с учетом веса нижней секции

Так как 36,2 МПа>35,8 МПа, секцию 2 в интервале 2400-2450 м можно комплектовать трубами из стали Д с толщиной стенки 11,5 мм.

Длина 2-й секции l₂=50м, вес Р₂=0,473·50=23,65кН.

Суммарный вес двух секций Р_1-2 = 128.75+ 23.65 = 152.4кН.

В интервале 2150-2400 м наружное избыточное давление р_н.и=54,9МПа. Для этого интервала годятся трубы из стали группы прочности Л с толщиной стенки 11,5 мм - р_кр=57,0 Мпа>54,9МПа.

Скорректированное значение критического давления для труб секции 3

где Р_т3=3922кН.

Для комплектования секции 3 принимаем трубы из стали группы прочности Л с толщиной стенки 11,5 мм.

Длина секции 3 по протяженности интервала l₃=2400-2150=250м, вес Р₃=0,473-250=118,25кН.

Суммарный вес трех секций Р_1-3=152,4+118,25=270,65кН.

На глубине 2150м избыточное наружное давление 22,2 МПа.

Для секции 4 выбираем трубы из стали группы прочности Д с толщиной стенки 9,2 мм -р_кр=25,9МПа>22,2 МПа.

Скорректированное критическое давление для труб секции 4

Трубы ОТТГ-178 с толщиной стенки менее 9,2 мм не выпускаются, следовательно, до поверхности пока следует оставить трубы из стали группы прочности Д с толщиной стенки 9,2 мм.

Проверка нижнего конца секции 4 на растяжение. Допустимая нагрузка растяжения для труб секции 4 [Р_рас]=1480кН. Весовая нагрузка от трех секций значительно ниже допустимой.

Проверка верхнего конца секции 4: вес Р₄=q₄l₄=0,385·2150=827,75кН; суммарный вес четырех секций Р_1-4=270,65+827,75= 1098,4кН; суммарный вес менее допустимой нагрузки растяжения.

Проверка труб секции на внутреннее избыточное давление: коэффициент запаса прочности на внутреннее давление k₃=1,15;
внутреннее избыточное давление у нижнего конца секции 4

р_в.и2150=р_оп.у+1000·9,8·2150·10^-6-р_н=38,2+21,1-23,2=36,1 МПа.

Предельное внутреннее давление для труб ОТТГ-178 из стали группы прочности Д с толщиной стенки 9,2 мм р_в=34,3 МПа.

С учетом коэффициента запаса прочности для труб исполнения А необходимы трубы с р_в>1,15·36,1 =41,5МПа.

Для комплектования секции 4 по внутреннему давлению выбираем трубы из стали группы прочности Е с толщиной стенки 9,2 мм р_в=49,9МПа и [Р_в]=49,9/1,15=43,4МПа. Оно превышает давление на устье 38,2 МПа, создаваемое при опрессовке. Следовательно, для секции 4 подходят трубы из стали группы прочности Е с толщиной стенки 9,2 мм в интервале 0-2150 м.

Проверка труб секции 4 на растяжение: вес Р₄=0,385·2150=827,75кН; суммарный вес четырех секций Р_1-4=270,65+827,75= 1098кН; суммарная нагрузка растяжения для труб секции 4 [Р_рас]=1676кН, вес обсадной колонны 1098,4 кН значительно меньше допустимой нагрузки.

Рассчитанная конструкция из четырех секций принимается следующей (табл. 10.5).

Таблица 10.5 Конструкция эксплуатационной колонны диаметром 177,8 мм из труб ОТТГ

Номер секции (снизу вверх)	Интервал установки, м	Длина секции, м	Толщина стенки, мм	Группа прочности стали	Испол- нение	Вес секции, кН	Нарас- тающий вес колонны, кН
1	2700- 2450	250	12,7	Е	А	128,75	128,75
2	2450- 2400	50	11,5	Д	А	23,65	152,40
3	2400- 2150	250	11,5	Л	А	118,25	270,65
4	2150-0	2150	9,2	Е	А	827,75	1098,4