Обсадная колонна нефтяной скважины – формулы расчета

Важную роль в бурении скважин по добыче нефти и газа играет создание обсадной колонны – элемента, необходимого для фиксации горизонтов по разработке и удержанию в правильном положении всей скважины. При создании данного элемента крайне важны все параметры для установления правильной длины, диаметра, толщины стенок, поэтому предварительно проводится расчет обсадной колонны, который включает вычисление давления, проверку прочности и герметичности, а также ряд других действий. Правильно выполненная работа позволит создать колонну, максимально защищенную от внешних воздействий и способную обеспечить продуктивный забор нефти и газа.

Назначение обсадных колонн в бурении

Основная задача данного элемента заключается в надежной фиксации скважин бурового типа и герметизации продуктивных слоев от попадания шлака и внешних элементов в момент разработки. Обсадная колонна имеет составную структуру: ее делают из труб, скрепляя друг с другом последовательно при помощи винтов либо сварки (последний метод применяется реже, когда скважину планируется разрабатывать в течение долгого времени, не внося в конструкцию изменений). Резьба труб для обсадных колонн может иметь форму конуса, треугольника или идти по трапеции, при необходимости создать максимально герметичное соединение используют элементы уплотнения. Толщина стенки трубы для обсадочной колонны варьируется в пределах 0,5-1,6 см. сами трубы классифицируются в зависимости от пределов прочности и текучести.

Чаще всего обсадная колонна делается из стальных ниппельных либо безниппельных труб: они отличаются толщиной стенок и внутренним диаметром. Резьбовое соединение имеет защиту от механических повреждений, поэтому готовая конструкция отличается высокой степенью прочности. Безниппельные трубы имеют диаметр от 3,3 до 8,9 см, а ниппельные – от 2,5 до 14,5 см (изделия подбираются, исходя из глубины залегания плодородных пластов, продуктивности и назначения, для чего необходимо выполнять расчет обсадной колонны.

Особенности устройства колонны

• Труба-направление, закрепляющая приустьевую зону и не дающая буровому раствору и шлаку размыть эту область. Чаще всего в стволе устанавливается одно такое направление, но при сыпучих грунтах могут применяться две колонны. Данный тип обсадной колонны бетонируется по всей длине. Трубы могут быть шахтовыми и удлиненными (второй тип встречается реже и применяется при установке нескольких направлений). Эти виды колонн не нуждаются в опрессовке.
• Кондуктор. Данная колонна труб необходима для изоляции грунта, содержащего пресную воду, от попадания грязи, а также при монтаже специальных противовыбросовых устройств и установке следующих сегментов. Глубина кондуктора доходит до 600 метров, а диаметр составляет от 17 до 50 см. Сегмент необходимо опрессовывать.
• Промежуточные колонны. Они необходимы для разделения пластов, которые несовместимы друг с другом при разработке скважины и ее углублении. К промежуточным трубам относятся сплошные сегменты, хвостовые части (фиксируют только необсаженный участок скважины, перекрывая предыдущую трубу) и летучки, или лайнеры, которые перекрывают затрудненную область и не связаны каким-либо образом с другими элементами. Спуск отдельных секций колонны и использование хвостовиков позволяет решить проблему создания колонн высокой тяжести, упростить общую конструкцию, уменьшить внутренний диаметр обсадной трубы, а также избавиться от щелей и сократить расход материалов для тампонирования. В результате общая стоимость бурения снижается, и добыча нефти/газа будет более выгодной.
• Эксплуатационная колонна замыкает конструкцию, и ее фиксируют для того, чтобы отделить конечный продукт от пластов и обеспечить нагнетание жидкости.

Диаметр обсадной колонны высчитывается, начиная с габаритов последнего сегмента (эксплуатационная труба), расчет которых, в свою очередь, производится, исходя из предполагаемой продуктивности скважины. Увеличение внутреннего диаметра делает возможным работать с более мощным оборудованием, в том числе разрабатывать несколько горизонтов и осуществить ремонт ствола. Тем не менее, большой диаметр колонны предпочтителен не всегда, поскольку при большом объеме возрастают и затраты на буровой раствор, цементирование и другие работы и материалы.

Формулы расчета обсадных труб

Расчет обсадной колонны – это комплекс процедур, направленных на установление габаритов, особенностей конструкции и других факторов, которые могут влиять на качество скважины, продуктивность и эффективность эксплуатации. Готовая конструкция должна полностью соответствовать нормам ГОСТ и правилам техники безопасности.

Одной из главной задач в расчете обсадной колонны является определение сминающего давления, для чего специалисты используют формулу Саркисова:

В данной формуле Р_си – это показатель давления, D – внешний диаметр труб, a_min – толщина стенок обсадной колонны, Е – показатель степени упругости материала, из которого сделана труба.

Собственно расчет обсадной колонны производится на этапе проектирования скважины, чтобы сразу выбрать толщину трубочных стенок, вид материала, общий диаметр и учесть другие аспекты. Процесс может отличаться в зависимости от типа колонны. Так, для наклонных газовых или нефтяных скважин с соответствующими обсадными колоннами следует брать в расчет параметр прочности на растяжение (запас делается в зависимости от того, какую форму имеет ствол и под каким углом он уходит в глубину). Также важно учесть давление внутри трубы и снаружи, осевые нагрузки.

Расчеты производятся с учетом профиля на этапе планирования, в них должны также учитываться прочностные характеристики конкретных материалов, определяются конкретные испытания перед опусканием трубы в ствол. Основные методы по расчету складываются из учета разности давлений, дополнительных нагрузок и свойств цементирующего состава.

Основные данные для проведения расчета обсадных труб:

• Глубина спуска.
• Интервал проведения перфорирования.
• Степень опорожненности колонны.
• Давление на пласты.
• Температурный режим.
• Показатели кавернометра.
• Средняя температура нейтрального пласта.
• Особенности жидкости для осуществления промывки.

При проведении расчета обсадной колонны необходимо принимать во внимание усилия на растяжение, сминающее давление (формула рассмотрена выше)¸ а также общую нагрузку на сжатие. После того, как работы будут завершены, потребуется провести испытания готовой колонны на прочность, для чего могут применяться различные типы механического и химического воздействия.

Выводы

Обсадная колонна является неотъемлемым элементом любой скважины для добычи полезных ископаемых. Грамотно проведенные расчеты позволят соорудить оптимальную по функциональности и стоимости конструкцию, которая будет требовать минимального обслуживания.

Строение обсадной колоны

Читайте также: