Расчет усилия натяга эксплуатационной колонны при обвязке

17.11.2020

После образования достаточно прочного цементного камня в заколонном пространстве эксплуатационную колонну обвязывают с предыдущей обсадной колонной с помощью специальной головки с целью герметизации устья скважины. При освоении и эксплуатации скважины температура и внутреннее давление в колонне, как правило, существенно отличаются от температуры и давления в момент обвязки колонн. Поскольку после обвязки внутренняя колонна обычно утрачивает свободу осевого перемещения относительно наружной, при изменении температуры или давления могут возникнуть осевые силы, достаточно большие, чтобы незацементированный участок колонны утратил прямолинейную форму продольной устойчивости, а иногда даже достаточные, чтобы нарушилась связь между колонной и цементным камнем. Как продольный изгиб колонны, так и нарушение сцепления между нею и цементным камнем могут способствовать разгерметизации резьбовых соединений или разобщению проницаемых пластов. Одним из способов предотвращения продольного изгиба нецементируемого участка колонны может быть установка в нижней части его компенсатора осевых деформаций. Другим, наиболее распространенным способом является предварительное натяжение колонны при обвязке с таким усилием, чтобы при последующих ожидаемых изменениях температуры и давления продольный изгиб нецементируемого участка был исключен.

Рассмотрим методику расчета необходимого усилия натяжения колонны при обвязке на следующем простом примере. Эксплуатационная колонна, верхний участок которой длиной h не зацементирован, должна быть обвязана с кондуктором, зацементированным по всей длине. Полагаем, что после обвязки осевое перемещение верхнего и нижнего концов незацементированного участка колонны невозможно и что осевые силы, которые могут возникнуть в зацементированном интервале колонны при возможных изменениях температуры и давления, недостаточны для нарушения связи между колонной и цементным камнем, либо между камнем и стенками скважины, а также для разрушения камня.

Определим силы, которые могут возникнуть в незацементированном участке колонны в результате изменения температуры или давления в нем после обвязки.

Сила, вызванная изменением температуры. Если бы верхний конец колонны был свободен, то при изменении температуры осевая деформация незацементированного участка была бы равна

где ai — коэффициент линейного расширения материала труб;
Расчет усилия натяга эксплуатационной колонны при обвязке

Т1 и T2 — температура участка в момент обвязки и в рассматриваемый момент после обвязки соответственно.

Поскольку после обвязки осевая деформация невозможна, в колонне возникает осевая сила. Величину ее можно найти по закону Гука

где P1 — осевая сила; F — площадь поперечного сечения тела колонны.

Решая совместно выражения (6.44) и (6.45), получаем формулу для определения искомой силы

При нагреве колонны сила P1 будет сжимающей, при охлаждении — растягивающей.

Сила, обусловленная изменением давления. Если бы верхнее сечение колонны было свободно, при изменении внутреннего давления на величину Apв или наружного — на величину Арн, это сечение переместилось бы в осевом направлении на Ah2. Величину осевого перемещения можно найти по формуле обобщенного закона Гука (1.16), если в нее вместо напряжений oz, оt и or подставить величины прироста соответствующих напряжений Aoz, Aot и Aor.

В рассматриваемом случае Aoz=0, Аot и Aor можно найти по формуле (5.4) Лямэ, если в последней рв и рн заменить на Apв и Арн соответственно.

Так как наибольшие напряжения возникают на внутренней поверхности, положим di = d. Подставив в формулу (1.16) эти значения прироста напряжений, получим

Ho перемещение верхнего сечения колонны после обвязки невозможно. Поэтому в незацементированном участке ее возникает осевая сила, величину которой можно определить, решив совместно выражения (6.47) и (6.45)

Обычно считают, что наружное давление после обвязки не изменяется, т. е. Арн = 0. Тогда

где рвIII — внутреннее давление на участке колонны в момент обвязки: pвIV — внутреннее давление в том же участке в рассматриваемый момент после обвязки.

Внутреннее давление в момент обвязки линейно возрастает от нуля у устья до роб gh у кровли цементного камня. Следовательно, средняя величина внутреннего давления в этот момент

где роб — плотность жидкости в колонне при обвязке.

При освоении скважины давление жидкости снижают; обычно оно изменяется от нуля на глубине H (полагаем H

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна