Условия работы обсадных колонн

Условия работы зависят от типа колонны, периода эксплуатации ее и от назначения скважины.

Спуск в скважину. При спуске на обсадную колонну действуют растягивающая сила от собственного веса труб; сжимающая Архимедова сила (выталкивающая сила жидкости); растягивающая сила от веса жидкости в колонне; сила трения между колонной и стенками скважины; осевые силы инерции колонны и жидкости, находящейся в колонне и в заколонном пространстве; гидродинамическая осевая сила, возникающая вследствие движения промывочной жидкости, вытесняемой из скважины или прокачиваемой для промывки последней; радиальные статические и гидродинамические давления на наружную и внутреннюю поверхности труб; изгибающий момент в местах изменения зенитного или азимутального углов скважины; изгибающий момент от составляющей собственного веса наклонно расположенных участков колонны и от разности давлений жидкости на верхнюю и нижнюю поверхности их. Осевая сила от гидродинамического давления в заколонном пространстве при прямой схеме промывки является всегда сжимающей. Характер же сил трения и инерции может быть различным. Например, в момент приподнимания колонны с ротора или при расхаживании силы трения и инерции самой колонны являются растягивающими, тогда как при перемещении колонны вниз — сжимающими. Наблюдения показывают, что при спуске колонны без расхаживания в вертикальную скважину сумма осевых сил обычно не превышает собственного веса труб, а в наклонную — даже меньше их веса в жидкости. Если, однако, колонну приходится расхаживать или приподнимать на несколько метров, сумма осевых сил может быть больше собственного веса труб и тем значительнее, чем больше искривлена скважина, чем больше длина участка, оказавшегося в необсаженном стволе скважины, чем больше мощность проницаемых пород на этом участке и чем меньше зазор между стенками скважины и колонной. Например, при расхаживании с промывкой колонны труб диаметром 73 мм в скважине, обсаженной 146-мм колонной, суммарная нагрузка на верхнее сечение превышала вес колонны на 10%. При приподнимании же обсадных колонн диаметром 146 и 168 мм в период спуска в необсаженные наклонные скважины диаметром 190 и 214 мм со смещением забоев на 270—350 м относительно устья в Татарии сумма осевых сил, приложенных к верхнему сечению, под данным ТатНИПИнефти, превышала вес колонны на 80—90%. Сумма осевых сил возрастает также с увеличением времени нахождения колонны в покое перед расхаживанием вследствие прилипания труб к стенкам скважины, а иногда — из-за прихвата.

Цементирование. В период собственно цементирования колонны с расхаживанием на нее действуют те же силы, что и при спуске, но величина некоторых из них существенно изменяется. Поскольку обычно ускорение при расхаживании колонны мало, величина силы инерции самой колонны меньше, чем при спуске. Ho значительно могут возрасти осевые силы, обусловленные гидродинамическим давлением; сила веса жидкости в колонне в период движения в ней тампонажного раствора с большей плотностью, нежели промывочная жидкость; выталкивающая сила после вытеснения тампонажного раствора в заколонное пространство; радиальные давления. В момент посадки продавочной пробки на стоп-кольцо на колонну передается сила гидравлического удара. Например, при цементировании обсадных колонн без расхаживания в ряде глубоких скважин осевая нагрузка на верхнее сечение возрастала на 15—25% по сравнению с нагрузкой перед началом закачивания цементного раствора.

После окончания цементирования инерционные силы и силы гидродинамического давления перестают действовать. Вследствие быстрого снижения порового давления в цементном растворе уменьшаются Архимедова сила и наружное радиальное давление. Из-за недостаточной седиментационной стабильности цементных растворов часть твердой фазы из них осаждается на выступающие элементы колонны, увеличивая осевую растягивающую нагрузку.

В период промывки и цементирования температура нижнего участка скважины уменьшается, а верхнего — возрастает и тем сильнее, чем выше геостатическая температура у забоя. Если верхний участок колонны не зацементирован, то в период покоя после окончания цементирования он охлаждается и, следовательно, стремится укоротиться. Во многих случаях, однако, укорочение невозможно, так как верхний конец колонны закреплен (например, подвешен на буровом крюке) и не может свободно перемещаться вниз, а нижний — прихвачен в результате обезвоживания цементного раствора и образования камня против проницаемых пластов и не может перемещаться вверх. Поэтому в верхней части колонны появляется дополнительная растягивающая сила, которая тем больше, чем сильнее охлаждение. На величину этой силы влияет также изменение радиальных давлений на колонну. Нередко сумма осевых сил, приложенных к верхнему сечению колонны в период схватывания цементного раствора, приближается к весу ее, а иногда даже превышает последний. Известно много случаев нарушения целостностей обсадных колонн в этот период.

Бурение. После образования цементного камня в кольцевом пространстве скважины обсадную колонну натягивают с некоторым усилием и соединяют с предыдущей так, что осевое перемещение одной колонны относительно другой, как правило, оказывается невозможным. Если рассматриваемая колонна является промежуточной, при дальнейшем углублении скважины могут существенно измениться температура промывочной жидкости и внутреннее давление в колонне.

Любое изменение давления или температуры в скважине сопровождается соответствующей деформацией обсадных колонн, а если деформация невозможна, — возникновением дополнительных осевых и радиальных сил. Следовательно, на промежуточную колонну в период бурения скважины действуют собственный вес ее; сила натяжения при обвязке; осевые и радиальные силы, возникающие вследствие изменения температуры и давления после обвязки данной колонны с предыдущей; изгибающий момент на участках искривления колонны, а также от составляющей веса и разности радиальных давлений на наклонных участках скважины; частично сохраняется также влияние сил, которые были приложены к колонне в конце цементирования. Периодически, например, в период спуско-подъемных операций, на колонну действуют динамические нагрузки. Внутренняя поверхность промежуточной колонны (и кондуктора) изнашивается в результате трения о нее долот, бурильных замков и других предметов при многократных спуско-подъемных операциях и вращении бурильной колонны.

Освоение и эксплуатация скважины. При освоении и эксплуатации скважины на эксплуатационную колонну действует тот же комплекс сил, что и на промежуточную колонну в период бурения. Однако количественные значения сил существенно изменяются. Так, при освоении скважины для получения притока из пласта давление внутри колонны уменьшают; часто для этого в эксплуатационной колонне жидкость заменяют более легкой и с существенно иной температурой. В период эксплуатации скважины в колонне находится жидкость, плотность которой, как правило, значительно меньше, чем перед началом освоения. Существенно изменяется температура обсадной колонны. В эксплуатационных скважинах температура колонны увеличивается и тем сильнее, чем выше геостатическая температура на забое и дебит скважины. В нагнетательных скважинах характер изменения зависит от температуры закачиваемой жидкости: температура колонны может как увеличиваться (при закачивании горячей жидкости), так и уменьшаться (при закачивании холодной воды) по сравнению с температурой перед обвязкой обсадных колонн. В фонтанирующих и нагнетательных скважинах внутреннее давление в верхнем участке эксплуатационной колонны выше (и часто, особенно в газовых, намного), чем перед обвязкой.

При обвязке все промежуточные и эксплуатационные колонны натягивают с таким расчетом, чтобы устранить возможность продольного изгиба. Ho поскольку все колонны соединяют с кондуктором, сумма усилий натяга этих колонн действует на кондуктор как сжимающая осевая сила.

В период эксплуатации скважины наружная и внутренняя поверхности обсадных колонн могут подвергаться коррозии. Внутренняя поверхность эксплуатационной колонны изнашивается при подземных и капитальных ремонтах скважины.

Прочность обсадных колонн в период эксплуатации скважины может уменьшаться также в результате естественного старения материала.

Характер распределения разных сил по длине колонны неодинаков. Нижний, сравнительно небольшой длины, участок обычно сжат осевыми силами, причем напряжения сжатия уменьшаются от максимума у башмака до нуля на верхней границе участка. Верхний участок всегда растянут, напряжения осевого растяжения возрастают от нуля у нижней границы участка до максимума у устья.

Иначе распределены силы радиального давления. В те периоды работы, когда давление внутри колонны оказывается меньше наружного (например, при спуске колонны, снабженной обратным клапаном, без долива; при понижении уровня в ней вследствие поглощения при бурении; в период освоения скважины и при глубиннонасосной эксплуатации), избыточное наружное давление с глубиной увеличивается. При цементировании, при фонтанной эксплуатации и в других случаях в колонне существует избыточное давление, которое с глубиной уменьшается. Если же колонна заполнена утяжеленной промывочной жидкостью, избыточное внутреннее давление с глубиной увеличивается.

В связи с таким характером распределения сил нижний участок обсадной колонны рассчитывают на сопротивляемость смятию в тот период, когда избыточное наружное давление максимально. Верхний же участок рассчитывают в первую очередь на сопротивляемость разрыву от наибольшего избыточного внутреннего давления и на прочность при действии наибольшей суммы осевых сил.