Прочностные характеристики труб и их соединений. Основы технологии спуска обсадных колонн в скважину

Если на наружную поверхность трубы создавать равномерное давление жидкостью, в теле трубы возникнут напряжения сжатия; наибольшими они будут на внутренней поверхности, наименьшими — на наружной. Если труба тонкостенная, то при увеличении напряжений она, деформируясь, при некотором значении напряжения, не превышающем предела пропорциональности, может потерять устойчивость круглой формы поперечного сечения и смяться. Толстостенная же труба, деформируясь, разрушится, как только приведенное напряжение превысит предел прочности материала. В отечественном бурении за характеристику сопротивляемости трубы смятию под действием равномерного наружного давления принимают так называемое критическое давление Р_кр, т. е. такое избыточное наружное давление, при котором напряжение на внутренней поверхности овальной разностенной (т. е. с несколько изменяющейся по периметру толщиной стенки) трубы достигает предела текучести. Его рассчитывают по формуле Г. М. Саркисова

, (13.1)

,

где s_т - предел текучести материала трубы, Па; Е - модуль упругости материала, Па; е - овальность трубы; d_н - наружный диаметр, м; d_м - наименьшая толщина стенки, м; d_м =0,875d; d_о - условная расчетная толщина стенки разностенной трубы, м; d - номинальная толщина стенки трубы, м.

Действительная сопротивляемость всегда несколько больше критического давления. Если одновременно с наружным избыточным давлением на трубу действует значительная осевая растягивающая сила, критическое давление уменьшается.

Если внутреннюю поверхность трубы нагружать равномерным давлением, она может быть разорвана, как только приведенное напряжение превысит предел прочности. За прочностную характеристику сопротивляемости трубы разрыву Р_Б принимают то избыточное давление в ней, при котором приведенное напряжение на внутренней поверхности становится равным пределу текучести, рассчитывают по формуле Барлоу

, (13.2)

числовой коэффициент 0,875 учитывает минусовой допуск на толщину стенки.

В обсадных трубах с треугольной резьбой наиболее опасные напряжения от действия осевой растягивающей силы возникают в сечении по первому витку резьбы полного профиля. За прочностную характеристику таких труб принимают ту осевую силу, при которой приведенное напряжение на наиболее нагруженной стороне профиля резьбы в указанном сечении достигает предела текучести. Эту силу называют страгивающей нагрузкой Р_стр резьбового соединения и рассчитывают по формуле Яковлева – Шумилова

, (13.3)

где d_cp - средний диаметр трубы по впадине первого полного к витка резьбы, м; d_с - толщина стенки трубы по впадине того же 1 витка, м; l_р - длина к резьбы с витками полного профиля, м;k_ш - коэффициент разгрузки, k_ш = d_с/(d_с + d); a - угол наклона стороны профиля резьбы к оси последней, градус; j_т - угол трения, j_т = 7 – 11^о.

Значения прочностных характеристик обсадных труб приведены в справочной литературе.

Основы технологии спуска обсадных колонн в скважину

Крепление некоторого интервала ствола скважины обсадной колонной с последующим ее цементированием - весьма важный и ответственный этап в строительстве скважины. От качества проведения этих работ в значительной степени зависит успешное выполнение последующих работ в скважине, ее надежность и долговечность.

Комплекс подготовительных мероприятий включает подготовку обсадных труб, бурового оборудования и самой скважины.

Подготовка обсадных труб

В подготовку обсадных труб входит проверка качества их изготовления и обеспечение сохранности при транспортировании к месту проведения работ и погрузо-разгрузочных операциях, а также при их перемещении на буровой. Обсадные трубы неоднократно подвергаются проверке и проходят следующие виды контрольных испытаний и обследований:

· гидравлические испытания на заводах-изготовителях;

· обследование наружного вида обсадных труб, проверку резьб и шаблонирование внутреннего диаметра труб на трубно-инструментальной базе бурового предприятия;

· гидравлические испытания обсадных труб на трубно-инструментальной базе бурового предприятия, в отдельных случаях непосредственно на буровой;

· визуальное обследование труб на буровой, промер длины каждой грубы;

· шаблонирование, проверка резьбы трубы над устьем скважины во время спуска обсадной колонны.

На трубно-инструментальной базе бурового предприятия все трубы, прошедшие осмотр и инструментальный контроль, подвергают гидравлическим испытаниям на специальных стендах. Предельное давление при испытании определяют в зависимости от ожидаемых максимальных давлений. Для эксплуатационных и промежуточных колонн оно должно превышать ожидаемое внутреннее избыточное давление на 5 - 20 %. Но при этом давление испытания не должно превышать допустимых значений. Трубу выдерживают под максимальным давлением не менее 10 с и слегка обстукивают ее поверхность вблизи муфты. Труба признается годной, если не обнаруживается никаких следов проникания влаги изнутри. У прошедшей испытания трубы на прочищенные и смазанные резьбы навинчивают специальные предохранительные колпаки для их защиты от повреждения при транспортировке на буровую.

Подготовка бурового оборудования

Обеспечить безотказную работу бурового оборудования и создать наиболее благоприятные условия для буровой бригады на период спуска обсадной колонны - таковы основные задачи подготовки оборудования. Одновременно на буровую должны быть доставлены весь необходимый инструмент и материалы.

Особое внимание обращают на надежность крепления и исправность буровой лебедки и ее тормозной системы, проверяют исправность буровых насосов и заменяют изношенные детали, проверяют состояние вышки и талевой системы. Проверяют состояние контрольно-измерительных приборов на буровой. Подготавливают рабочее место у устья скважины.

В подготовительный период на буровую доставляют достаточное количество (с резервом) дополнительного инструмента, который понадобится при спуске обсадной колонны. Обсадные трубы размещают на стеллажи по секциям в порядке их спуска.

Подготовка ствола скважины

Чтобы избежать осложнений при спуске обсадной колонны, предусматривается комплекс работ по подготовке ствола скважины. Виды работ и их объем зависят от состояния ствола скважины, сложности геологического разреза и протяженности открытой части ствола. О состоянии ствола судят по наблюдениям при спуске и подъеме бурильной колонны (посадки, прихваты, затяжки и т. д.), по прохождению геофизических зондов, по данным кавернометрии и инклинометрии.

Заранее выделяют интервалы, где отмечены затруднения при спуске бурильного инструмента, зоны сужения ствола, образования уступов, участки резкого перегиба оси скважины и т. д. В этих интервалах в подготовительный период проводят выборочную проработку ствола. В скважину спускают новое долото (с центральной промывкой) в сочетании с жесткой компоновкой и, удерживая инструмент на весу, прорабатывают выделенные интервалы с промывкой при скорости подачи 40 м/ч. Выдерживание вращающегося инструмента на одном месте не допускается во избежание зарезки нового ствола. Если отмечаются трудности в прохождении инструмента, его приподнимают и спускают несколько раз. В сложных условиях скорость подачи инструмента может быть снижена до 20 - 25 м/ч.

После выборочной проработки ствол скважины шаблонируют. Для этого из обсадных труб собирают секцию длиной около 25 м и на колонне бурильных труб спускают ее в ствол скважины на всю глубину закрепляемого участка. Таким способом проверяют проходимость обсадных труб. Через спущенный инструмент скважину тщательно промывают до полного выравнивания свойств промывочной жидкости. Общая продолжительность непрерывной промывки не менее двух циклов. В конце промывки в закачиваемую промывочную жидкость добавляют нефть, графит и другие аналогичные добавки для облегчения спуска обсадной колонны. Завершив подготовительные работы, приступают к спуску обсадной колонны в скважину.

Спуск обсадной колонны

Последовательность спуска секций в скважину и использование вспомогательных элементов (центраторы, скребки, турбулизаторы и др.) определяются конструкцией обсадной колонны, предусмотренной в индивидуальном плане работ по ее подготовке, спуску и цементированию, который разрабатывается технологическим или производственно-технологическим отделом УБР. Во время спуска осуществляют строгий контроль за соблюдением порядка комплектования колонны в соответствии с планом по группам прочности стали и толщине стенок труб.

Сначала в скважину спускают низ обсадной колонны, включающий башмак, заливочный патрубок, обратный клапан и упорное кольцо. Все элементы низа колонны рекомендуется свинчивать с использованием твердеющей смазки на основе эпоксидных смол. Использование обратного клапана обязательно, если в скважине имелись газопроявления. Надежность работы клапана на пропуск жидкости проверяют на поверхности посредством пробной циркуляции с помощью цементировочного агрегата, который подключают к компоновке. Затем в порядке очередности спуска к устью скважины подают обсадные трубы и перед наращиванием их шаблонируют. Со стороны муфты в трубу вводят жесткий цилиндрический шаблон. При подъеме трубы шаблон должен свободно пройти через нее и выпасть. Если шаблон задерживается, то трубу отбраковывают. Над устьем скважины с нижнего конца приподнятой трубы свинчивают предохранительное кольцо, промывают и смазывают резьбу.

У кондуктора и промежуточных колонн резьбовые соединения нижних труб обычно проваривают прерывистым сварным швом для предупреждения их отвинчивания при последующих работах в скважине.

Во время спуска обсадной колонны ведут документальный учет каждой наращиваемой трубы, в нем указывают номер трубы, группу прочности стали, толщину стенки, длину трубы, отмечают суммарную длину колонны и общую ее массу. На заметку берут все особые условия и осложнения, возникшие при спуске, записывают сведения об отбраковке отдельных труб и их замене.

Скорость спуска колонны поддерживают в пределах 0,3 - 0,8 м/с.

Если колонна оснащена обратным клапаном, после спуска 10 - 20 труб доливают промывочную жидкость внутрь колонны, чтобы не допустить смятия труб избыточным наружным давлением.

По мере необходимости проводят промежуточные промывки с помощью цементировочного агрегата или бурового насоса. Во время промывки необходимо непрерывно расхаживать колонну.

В нашей стране разработан метод секционного спуска обсадных колонн. Длину секций определяют с учетом грузоподъемности буровой установки, состояния скважины и прочности труб. Для спуска обсадных колонн секциями применяют специальные разъединители и стыковочные узлы, обеспечивающие соединение секций в скважине. Все секции, кроме верхней, спускают на колонне бурильных труб, которую после закачки цементного раствора отсоединяют и извлекают на поверхность. Спуск обсадных колонн секциями позволяет значительно снизить нагрузки, возникающие в буровом оборудовании при этих работах, и повысить надежность цементирования. Недостаток этого метода состоит в том, что создается некоторая опасность нарушения герметичности колонны на стыках секций и повышается суммарная продолжительность работ по креплению скважины.