Расчет обсадной эксплуатационной колонны сводится к определению расчетных нагрузок и их распределения по длине колонны, выявлению наиболее опасной из расчетных нагрузок в рассматриваемом сечении колонны и к подбору труб, соответствующих «данным значениям коэффициента запаса прочности, для комплектования секций обсадной колонны.
Условия нагружения обсадной колонны зависят от глубины ее спуска, сложности строения геологического разреза, назначения скважины и назначения колонны.
Выделяются три расчетные нагрузки:
- наружное избыточное давление смятия;
- осевая нагрузка растяжения от собственного веса колонны;
- внутреннее избыточное давление.
Поскольку условия нагружения обсадной колонны в скважине весьма разнообразны, инструкцией регламентированы правила определения расчетных нагрузок.
 |
При расчетах обсадных колонн, спущенных в нефтяную добывающую скважину, наиболее часто применяется схема I (рис.10.2), для разведочных нефтяных скважин обсадные колонны рассчитывают с использованием схемы II, а для газовых скважин - схема III. Значение внутренних давлений максимально в период ввода скважины в эксплуатацию или при опрессовке колонны (позиции А расчетных схем). Наружные избыточные давления, главным образом, проявляются на стадии окончания эксплуатации скважины (позиции Б расчетных схем). За счет этих давлений может произойти разрыв колонны или ее смятие. Кроме того, на рис. 10.2 точка а, б, в, г - это характерные точки, в которых определяют избыточные наружные давления на стадии окончания эксплуатации, а точки a', б', в' - характерные точки, в которых находят внутренние избыточные давления при испытании колонны на герметичность или при вводе в эксплуатацию. Рис. 10.2. Расчетные схемы при проектировании обсадной колонны для скважин добывающей нефтяной (I). разведочной (II) и добывающей газовой (III): А, Б - в исходном состоянии и на завершающем этапе соответственно, I - буровой раствор за колонной; 2 - цементный раствор-камень; 3 жидкость в колонне; 4 - газ в колонне |
Порядок расчета эксплуатационной колонны на прочность следующий.
По расчетным данным о наружных и внутренних давлениях по характерным точкам строятся эпюры избыточных давлений наружного и внутреннего. В качестве характерных точек для построения эпюры принимают уровни жидкости в колонне и цементного раствора за колонной, положение башмака предыдущей обсадной колонны, отметки кровли и подошвы зон АВПД и интервалов высокопластичных пород, перекрываемых эксплуатационной колонной. Изменение избыточных давлений между указанными точками, как правило, принимается линейным. Исключение составляют пласты с АВПД толщиной до 200 м. для которых давление принимается постоянным по толщине пласта, н внутреннее давление в скважине, заполненной газом, рассчитываемое по формуле Pz=Pпл/es.
При расчете обсадной колонны наружное и внутреннее избыточные давления в любом ее сечении определяются по соответствующим эпюрам.
Действующей инструкцией определен следующий порядок расчета обсадной колонны:
- расчет начинают с самой нижней секции, по наружному избыточному давлению,
для нее подбираются трубы с pкр≥k3pн.и1 где
pн.и1 - наружное избыточное давление на нижней отметке обсадной
колонны;
- затем нижнюю секцию проверяют на внутреннее избыточное давление, и если
коэффициент запаса прочности на внутреннее давление окажется ниже
регламентированного, трубы подбираются по внутреннему избыточному давлению, но
следует заметить, что, как правило, в нижней части колонны внутреннее давление
оказывается в значительной степени уравновешено наружным;
- для комплектования 2-й секции выбирают трубы с показателем наружного
критического давления р2кр ниже, чем для первой секции, и с учетом
коэффициента запаса прочности pн.и2≤p2к.р/k3
определяют возможную глубину h2 спуска 2-й секции;
- вычисляют длину 1-й секции l1=Н - h2 и определяют ее
вес P1=-m1gl1, где m1 - масса 1 м
трубы;
- с учетом веса 1-й секции критическое давление смятия труб 2-й секции
пересчитываетcя по формуле
, где
Р2т -
рястягивающая нагрузка, и по величине Р'2кр уточняется допустимая глубина спуска 2-й секции h2 и соответственно корректируется длина 1 -й секции l'1 = Н-h'2;
- проводят проверку труб 2-й секции на внутреннее избыточное давление;
- подобным образом производят расчет последующих секций обсадной колонны и
одновременно подсчитывают суммарный вес секций; когда он превысит допустимую
нагрузку растяжения для последующей секции и, длину предыдущей секции следует
пересчитать по допустимой нагрузке растяжения, т.е. при
имеем 
, где [Рт] и [Рт+1]
- допустимые нагрузки растяжения соответственно для труб m - й и (m+1)
секций;
- одновременно производится проверка секций на внутреннее давление;
- длины вышерасположенных секций определяют по расчету на растяжение. Поскольку вес колонны возрастает, для верхних секций подбирают все более прочные трубы.
Расчет продолжают до тех пор, пока суммарная длина всех секций не превысит
глубины спуска колонны; в этом случае длина самой верхней секции корректируется
по глубине скважины 
.
