Тепловой расчет обсадных колонн

Незацементированная часть обсадных колонн во все периоды жизни скважины должна находиться в растянутом состоянии, т.е. должна быть натянута. Величина натяжки колонны должна быть равна весу незацементированной части, т.е.

.

Увеличение глубины скважины сопровождается повышением забойных температур, а в случае фонтанирования нефтью или газом повышению температуры подвергается вся колонна. Нагрев колонны может привести к возникновению осевых сжимающих сил и к деформации колонны, особенно на участке, расположенном выше зацементированной зоны.

Помимо повышения температуры по колонне возможно обратное явление - понижение температуры в колонне. Такое явление происходит, например, в нагнетательной скважине, когда холодная жидкость закачивается в скважину. В этом случае колонна охлаждается и в ней возникают дополнительные растягивающие силы и деформация растяжения, которая может привести к разрыву колонны.

В процессе эксплуатации скважины также возникает необходимость создания дополнительного внутреннего давления (например, при ремонтно-изоляционных работах), что также приводит к возникновению осевых напряжений. При разности удельных весов в затрубном и трубном пространствах также возникают растягивающие силы, вызывающие дополнительные напряжения.

Устранения указанных причин возникновения деформаций можно достичь определенным натягом колонны или частичной ее посадкой. Определение величины натяжки обсадной колонны должно производиться с учетом изменения температуры и давления, действующих на обсадную колонну в процессе ее эксплуатации. Для обеспечения необходимой прочности обсадной колонны величина натяжки должна учитываться при расчете колонны, поэтому помимо подбора равнопрочной колонны по сминающей и страгивающей нагрузке, следует определять усилие натяжения. Если запас на страгивающую нагрузку не обеспечивается, необходимо в верхней части колонны установить более прочные трубы или увеличить высоту подъема цементного раствора, т.е. уменьшить вес незацементированной части обсадной колонны. Величина натяжения может быть определена для трех основных случаев:

а) обсадная колонна подвергается воздействию от разности внешних и внутренних гидростатических давлений.

Величина натяжки в этом случае может быть определена по следующей зависимости

,

где Q - вес незацементированной части колонны

,

Р₁ - осевое усилие, возникающее в колонне в результате воздействия внешних и внутренних гидростатических давлений, т.е. давлений за счет разности удельных весов жидкостей, находящихся в колонне и затрубном пространстве

h - длина свободной части колонны, м;

D_н и d_вн - наружный и внутренний диаметры колонны, см;

g_р и g_ж - удельные веса жидкости за колонной и внутри нее в процессе эксплуатации, г/см³.

В процессе натяжки должно сохраняться условие прочности

,

б) в случае, когда обсадная колонна подвергается, кроме пункта а), нагреву или охлаждению.

Величина натяжки определится по следующей зависимости

,

где Р₂ - дополнительная нагрузка, сжимающая колонну за счет нагрева (берется со знаком +) или растягивающая колонну за счет охлаждения (берется со знаком -).

,

где a - коэффициент линейного расширения, для стали a=12× 10^-6 1/⁰С;

Е - модуль упругости 2, 1× 10^-6 кг/см²;

Dt - средняя температура нагрева (охлаждения), ⁰С.

Рис.46 Температурная эпюра

, t1 и t2 - температуры колонны до эксплуатации, t2 обычно принимаются по геотермическому градиенту; t3 и t4 - температуры жидкости, движущейся по колонне и в месте «головы» цемента. Величина натяжки колонны должна удовлетворять условию прочности

.

в) в случае, когда колонна, кроме пунктов а и б испытывает и внутреннее давление, натяжка определяется по следующей зависимости

,

где Р₃ - дополнительная растягивающая нагрузка за счет внутреннего давления

,

Р - внутреннее давление в эксплуатационной колонне у устья.

Условие прочности при натяжке колонны в этом случае определится

.