Обсадные трубы, условия работы обсадных колонн в скважинах

Обсадную колонну составляют из стальных цельнокатаных труб, соединяемых друг с другом с помощью резьбы или сварки. По конструкции все трубы можно условно разделить на две группы. Основную группу составляют трубы, изготовляемые в виде полого цилиндра круглого поперечного сечения с постоянной по длине толщиной стенки. Вторую группу — трубы, изготовляемые в форме цилиндра такого же сечения, утолщенного на одном конце наружу.

Трубы с постоянной по длине толщиной стенки соединяют друг с другом в колонну муфтами. Для этого концам каждой трубы путем обработки придают форму усеченного конуса с наклоном образующей к оси под углом 1°47’24”; удвоенный тангенс этого угла, именуемый конусностью, равен ¹/₁₆. На конических поверхностях нарезают резьбу специального профиля.

Муфты к таким трубам выполняют в виде полого цилиндра круглого сечения, внутреннюю поверхность которого обрабатывают в форме двух усеченных конусов, обращенных вершинами друг к другу на которых нарезают резьбы. Конусность и профиль резьб в муфтах такие же, как и на трубах.

Трубы с утолщенными концами соединяют без помощи муфт. Для этого наружную поверхность неутолщенного конца и внутреннюю поверхность утолщенного обрабатывают на конус и на конических поверхностях нарезают резьбы специального профиля. Конусность здесь также равна ¹/₁₆. Трубы соединяют, ввинчивая неутолщенный конец одной в утолщенный конец другой.

Стандартом предусмотрены пять разновидностей соединений обсадных труб, четыре из которых муфтовые: с короткой треугольной резьбой; с удлиненной треугольной резьбой; с трапецеидальной резьбой (ОТТМ); высокогерметичные с трапецеидальной резьбой (ОТТГ). Пятая разновидность — высокогерметичные безмуфтовые соединения ТБО с трапецеидальной резьбой. Две первые разновидности имеют треугольную резьбу такого же профиля, как и соответствующие бурильные, и различаются между собой лишь длиной резьбы.

Трубы могут иметь небольшую овальность, овальностью называют отношение разности наибольшего и наименьшего диаметров трубы к их полусумме. Согласно стандарту, обсадные трубы должны изготовляться из сталей семи групп прочности. После изготовления трубы с навинченными муфтами и безмуфтовые трубы подвергают гидравлическому испытанию.

Условия работы обсадных колонн в скважинах

Обсадные колонны испытывают воздействие многих сил. Величины этих сил и знак некоторых из них изменяются как во времени, так и по длине колонны. Так, при спуске в скважину на колонну действуют растягивающая сила собственного веса труб и жидкости, находящейся в ней; выталкивающая сила давления жидкости, заполняющей скважину; силы инерции колонны и жидкости; сила взаимодействия труб со стенками скважины; гидродинамические силы, возникающие в результате движения вытесняемой колонной жидкости; силы гидростатического давления жидкости на боковые поверхности колонны; изгибающий момент на участках искривления ствола скважины.

По окончании спуска колонны и цементирования инерционные гидродинамические силы и силы взаимодействия со стенками ствола, обусловленные движением труб или жидкости, исчезают; величины других сил могут существенно измениться; возникают также новые силы. Так, при вызове притока в период освоения скважины давление в эксплуатационной колонне снижают значительно ниже пластового; при этом возникает избыточное наружное давление, которое, если оно окажется, достаточно большим, может явиться причиной смятия соответствующего участка колонны.

В газовых и фонтанирующих нефтяных скважинах внутреннее давление в верхнем участке колонны при эксплуатации может быть опасно высоким, особенно после закрытия устьевых задвижек. В верхних участках кондукторов и промежуточных колонн внутреннее давление может опасно возрастать в случае закрытия превентора при газонефтепроявлениях. Высокое внутреннее давление в кондукторе или промежуточной колонне может возникнуть также в случае негерметичности эксплуатационной колонны: через места негерметичности в межколонное пространство, герметизированное на устье, может проникать газ. Опасные избыточные давления могут действовать также в случае перетоков газа в кольцевом пространстве скважины из-за плохого цементирования.

Если обсадная колонна перекрывает пласт породы, склонный к выпучиванию, наружное давление на участок ее против такого пласта может достигать геостатического. Особенно опасная ситуация возникает в тех случаях, когда указанный участок колонны расположен несоосно со стволом скважины, а поперечное сечение ствола далеко не круглое: при выпучивании породы давление распределяется весьма неравномерно по периметру трубы и на участок колонны будет действовать изгибающий момент; это часто приводит к нарушению целостности колонны.

При фонтанной эксплуатации скважины поток пластовой жидкости, поднимаясь от забоя к устью, нагревает колонну. Если зацементирован только нижний участок колонны, а верхний соединен с кондуктором и не может перемещаться относительно последнего, в верхней части колонны вследствие повышения температуры возникают осевые напряжения сжатия, а иногда и напряжения от продольного изгиба. Осевые напряжения растяжения или сжатия могут появиться также в результате изменения внутреннего и или наружного давления в колонне. В нагнетательных скважинах дополнительные осевые напряжения возникают из-за отличия температуры закачиваемой жидкости от температуры той жидкости, которой колонна была заполнена в момент обвязки с кондуктором.

На протяжении многолетней службы в скважине обсадные колонны подвергаются воздействию пластовых жидкостей, которые способны вызвать интенсивную коррозию металла. Промежуточные колонны и кондукторы во время бурения, а эксплуатационные колонны — при эксплуатации, подземных и капитальных ремонтах скважин истираются долотами, замками и муфтами труб, а также другим оборудованием, спускаемым к забою. В результате коррозии и износа прочность обсадных труб может серьезно уменьшиться. Поэтому при конструировании обсадных колонн следует учитывать как специфику их нагружения, так и возможную степень износа; при креплении же и эксплуатации необходимо принимать меры к защите колонн от коррозии и износа.