Крепление паронагнетательных скважин

Надежность и долговечность работы паронагнетательной скважины во многом зависит от ее крепления. Применяя различные технологические приемы крепления скважин, добиваются увеличения сопротивляемости паронагнетательных скважин термическим нагрузкам. Этому предшествует тщательное изучение геологического строения залежи, возможные поглощения буровых растворов во время бурения, проявление скважин, а также изучение технических условий эксплуатации паронагнетательных скважин, систему воздействия на пласт (импульсно-дозированное воздействие, термоциклическое воздействие, паротепловое воздействие и т.д.). С учетом изложенного выбирается технология крепления скважин. В плане на крепление паронагнетательной скважины должны быть подробно изложены сведения о ее конструкции и методы снижения температурных напряжений.

Расчет обсадных колонн паронагнетательных скважин следует производить с учетом температурных условий и цикличности тепловой нагрузки. Если при разработке месторождения используется теплоноситель с температурой 300°С и более, то при расчете обсадных колонн паронагнетательных скважин следует учитывать явление ползучести металла. При значительных механических напряжениях, которые испытывают обсадные колонны паронагнетательных скважин, ползучесть металла может кратно сократить срок службы скважин. В этой связи расчет обсадных колонн на ползучесть надо обязательно проводить. Технология крепления паронагнетательных скважин должна предусматривать методы снижения температуры нагрева обсадных колонн и температурных напряжений. Эти методы разделяют на две группы. Применяя первую группу методов, снижают температуру нагрева обсадной колонны, соответствующие температурные напряжения, за счет оборудования паронагнетательных скважин термостойким внутрискважинным оборудованием (термоизолированные НКТ, термостойкие пакеры, термоизоляция затрубного пространства скважин и т.д.).

При этом сокращаются и теплопотери. Применяя вторую группу, снижают уровень температурных напряжений за счет снижения условий свободной деформации или создания в обсадной колонне предварительных механических напряжений знака, обратного знаку температурных напряжений.

Крепь паронагнетательных скважин испытывает большие термические нагрузки, поэтому важное место в креплении скважин занимает расчет на прочность обсадных колонн. Для расчета обсадных колонн пользуются методикой НПО «Союзтермнефть» СТП-39-3.0-015-84 «Расчетные схемы для термонапряженных обсадных колонн».

На любом сечении обсадной колонны точки находятся в плоском напряженном состоянии. По IV теории прочности определяется эквивалентное напряжение:

где σ₁, σ₃ - главные напряжения; σ₁ = р_нd/2S; р_и - избыточное давление,

 

где р_пл - пластовое давление; р_t - контактное давление, возникающее на поверхности обсадной колонны при расширении; p_в - внутреннее давление в обсадной колонне; d- диаметр обсадной колонны; S - толщина стенки обсадной колонны. Контактное давление определяется из выражения

где а - коэффициент линейного расширения стали; Е, Е_ц - модуль упругости стали и цементного камня; Δt - изменение температуры нагрева обсадной колонны. Главное напряжение:

 

 

Подставив σ₁ и σ₃ в формулу эквивалентного состояния, определяем σ_н.

Затем определяется осевая нагрузка Р_э, действующая в колонне (на резьбовые соединения):

Таким образом, определяют действующие нагрузки в сечениях обсадной колонны паронагнетательной скважины на устье, в средней части и на забое, после чего строится эпюра усилий. По значению σ_э, выбирают группу прочности, а по значению Р_э определяют грузоподъемность резьбового соединения. Произведя расчет на прочность, вводят изменения прочностной характеристики стали обсадных труб, связанные с нагревом. При большой термической нагрузке необходима также проверка на термическую усталость обсадной колонны (стали).

Главным условием, гарантирующим надежность и долговечность крепи паронагнетательной скважины, является качественное цементирование обсадной колонны с подъемом цементного раствора до устья при тщательном соблюдении технологии цементирования.

Для повышения качества изоляции эксплуатационную колонну цементируют растворами с различными сроками схватывания: интервал продуктивной части пласта цементируют цементным раствором, сроки схватывания которого меньше, чем у остального раствора, на 30-40%.

Эффективным методом снижения уровня термических напряжений в обсадных колоннах, возникающих при их нагреве, является натяжение обсадной колонны. В паронагнетательных скважинах эксплуатационная колонна перед ее цементированием натягивается на расчетное усилие и закрепляется на устье скважины. При этом в сечениях обсадной колонны создаются предварительные напряжения, которые постепенно при нагреве обсадной колонны исчезают («погашаются»).

Закрепление нижней части обсадной колонны с целью ее натяжения производят при помощи забойных якорей или цементированием нижней части обсадной колонны через муфту двухступенчатого цементирования (МСЦ). Якорное закрепление, обсадной колонны применяется при высокой устойчивости ствола скважины. Создание предварительного напряжения обсадной колонны необходимо производить с использованием цементных растворов с минимальными сроками схватывания. При натяжении закрепленной на забое обсадной колонны в ее сечениях создаются осевые напряжения, имеющие знак, противоположный знаку температурных напряжений. Расчетное усилие напряжения (кН) обсадной колонны определяется из уравнения:

где Р - максимальная грузоподъемность резьбового соединения обсадной колонны, кН; α - коэффициент линейного расширения стали при нагреве; Е - модуль упругости на растяжение, МПа, F- площадь сечения обсадной колонны, м²; Δt - уменьшение температуры обсадной колонны при ее охлаждении от первоначальной температуры, в северных районах в среднем Δt = 30°, а для южных районов - Δt = 20° С; Р_из - внутренне избыточное давление, МПа; п₃ - коэффициент безопасности при растяжении d - диаметр обсадной колонны, м; S - толщина стенки обсадной колонны, м.

Температура, влияние которой компенсируется предварительным натяжением обсадной колонны, определяется так:

где Q_z - осевая растягивающая нагрузка в сечении обсадной колонны на глубине z, кН; F- площадь сечения обсадной колонны на глубине z, м².

Учитывая, что для стали аЕ = 2.5

Например, при Q_z = 1000 кН получаем F _z = 0,0040 м.

Компенсируемая температура t = 100° С. Это значит, что если защемленная в цементном камне при нагрузке 1000 кН обсадная колонна будет нагреваться до температуры 300° С, то температурные напряжения сжатия будут соответствовать σ _z = аЕ(300-100). Это указывает на высокую эффективность защиты обсадной колонны путем их предварительного нагружения растягивающими напряжениями. В таблице 21 указаны допустимые усилия при натяжении обсадных колонн.

Таблица 21

Диаметр обсадной колонны, мм	Толщина стенки обсадной колонны, мм	Допускаемое напряжение, кН	Величина погашаемой температуры, °С
Е	Л	М	Р	Е	Л	М	Р
	7,7
9,2
8,8
	8,3
9,5
	8,9

Примечание:

1. Таблица составлена для обсадных труб исполнения А, для труб исполнения Б данные таблицы необходимо уменьшить на 4%.

2. Тип резьбы - ОТГМ, ОТГГ.

3. Е, Л, М, Р - группа прочности стали.

⇐ Предыдущая50515253545556575859Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: