3.2. Расчет обсадных колонн

Обсадные колонны следует рассчитывать на предельные напряжения в случае если колонна спускается в искривленный ствол скважины и если колонна спускается на глубину свыше 700 метров.

Обсадные колонны составляются из обсадных труб безниппельного и ниппельного соединения по ГОСТ 6239-77 «Обсадные трубы». В настоящее время широко применяются также обсадные трубы зарубежных компаний.

В табл. 3.4 дана краткая характеристика обсадных труб.

Нижняя часть обсадной колонны оснащается башмаком. Компания Boart Longyear выпускает армированные башмаки для осуществления задавливания, бурения и обуривания при спуске обсадных колонн в скважину (рис.3.3).

Таблица 3.4

Основные размеры обсадных труб и башкамов для обсадных колонн

Обсадные трубы компании Boart Longyear
Типоразмер	AW	BW	NW	HWT	PWT
Наружный диаметр, мм	51,7	73	88,9	114,3	139,7
Внутренний диаметр, мм	48,4	60,3	76,2	101,6	127
Вес 1 м трубы, Н	57	104	128	174	214
Обсадные трубы ниппельного соединения по ГОСТ 6238-77
Наружный диаметр, мм	73	89	108	127	146
Внутренний диаметр, мм	63	79	98	117	136
Внутренний диаметр ниппеля, мм	62	78	95,5	114,5	134
Вес 1 м трубы, Н	84	104	127	150	174
Башмаки обсадных труб компании Boart Longyear
Наружный диаметр, мм	59,6	75,3	91,8	117,5	143,5
Внутренний диаметр, мм	48,2	60,2	76	100,9	123,8
Башмаки «ЭЗТАБ», Россия
Наружный диаметр, мм			93	120
Внутренний диаметр, мм			76	99

Таблица 3.5

Допустимые значения минимальных радиусов кривизны и максимальных значений кривизны для обсадных труб

Наружный диаметр труб, мм	Допустимый минимальный радиус кривизны скважины, м	Допустимая предельная интенсивность искривления ствола, град/м
146	69,5	0,82
127	60,3	0,95
108	51,4	1,1
89	42,3	1,35
73	34,7	1,65
57	27,1	2,1

В интервалах искривлений ствола обсадные колонны подвергаются деформированию и напряжению изгиба. Для безаварийной эксплуатации колонн интенсивность искривления ствола не должна приводить к возникновению напряжений, превышающих предел текучести их материала.

Для обсадных труб, учитывая статический характер работы обсадных колонн, допустимый радиус кривизны, может рассчитываться по зависимости:

, (3.1)

где Е– модуль упругости материала, из которого изготовлены трубы, МПа;

d_н – наружный диаметр труб, м;

σ_т – предел текучести материала, из которого изготовлены трубы, МПа.

Для стальных труб (Е=2,1·10⁵ МПа и σ_т = 220 МПа) в табл. 3.5 приведены результаты расчетов радиуса и кривизны для обсадных колонн.

Обсадные трубы могут иметь ниппельное и безниппельное соединение (рис.3.4, а,б).

Проверка прочности обсадных колонн, спускаемых на большую глубину, производится по двум условиям: на разрыв в опасном сечении трубы (в нарезанной части) и на смятие ниток резьбы (рис.3.5).

Условие прочности на разрыв при растяжении под действием веса обсадной колонны в опасном сечении верхней трубы определяется по зависимостям

и , (3.2)

где - допустимое напряжение на растяжение, Па;

- предел текучести материала труб, Па;

q – масса единицы длины колонны обсадных труб,

кг/м;

L – длина колонны обсадных труб, м;

F₀ – площадь опасного сечения трубы или ниппеля по резьбе, м²;

k – коэффициент запаса прочности на растяжение (k=1,5, в сложных горно-геологических условиях принимают k=2);

g – ускорение свободного падения ( 9,81 м/c²).

Из выражения (3.2) определяется глубина спуска колонны обсадных труб из условия прочности на разрыв:

. (3.3)

Условие прочности на смятие ниток резьбы в опасном сечении верхней обсадной трубы под действием веса колонны обсадных труб

и . (3.4)

где допустимое напряжение на смятие, Па;

наружный и внутренний диаметр резьбы, м.

Из уравнения (3.4) определяется допустимая глубина спуска обсадных труб из условия прочности резьбы в опасном сечении на смятие:

. (3.5)

Наименьшую из двух величин L_p и L_см, рассчитанных по предложенным формулам, следует принять как допустимую.

Пример 5. Обосновать конструкцию скважины на рудном месторождении. Проектируемый конечный диаметр 76 мм. Бурение проектируется в следующих горно-геологических условиях: в интервале 0–55 м галечно-щебнистые отложения, породы многолетнемерзлые VI–VII категории по буримости; интервал 55–420 м представлен окварцованными песчано-глинистыми сланцами IX – X категорий буримости.

На основании геологического разреза устанавливается необходимое количество колонн обсадных труб. В данном случае необходимо установить на глубину 3 – 5 м направление для закрепления устья скважины и до глубины 57 – 58 м опустить кондуктор для перекрытия неустойчивых многолетнемерзлых пород. Затрубное пространство направления и кондуктора должно быть зацементировано. Интервал от башмака кондуктора до конечной глубины скважины может быть пройден без крепления обсадными трубами с использованием алмазного бурения. При заданном конечном диаметре скважины 76 мм кондуктор должен быть изготовлен из обсадных труб диаметром 89 мм ниппельного соединения. Под кондуктор скважина может буриться твердосплавными коронками или шарошечными долотами диаметром 93 мм.

Направление должно быть из обсадных труб диаметром 108 мм ниппельного соединения. Под направление скважина будет буриться твердосплавной коронкой диаметром 112 мм.

Выбранная конструкция скважины будет иметь следующий шифр: 420 А 76 II 5 (108Н) 58 (89Н).

Пример 6. Определить предельную глубину спуска колонны обсадных труб диаметром 89 мм ниппельного соединения, составленную из труб длиной 4,5 м. Материал труб – сталь группы прочности Д.

При расчетах воспользуемся формулами (3.3) и (3.5).

Вес 1 м трубы с учетом веса ниппеля и башмака составит 107 Н.

Площадь опасного сечения трубы по резьбе (см. рис. 3.5) составит

Предельная глубина спуска колонны обсадных труб из условия их прочности на разрыв составит:

Предельная глубина спуска обсадных труб, исходя из условия их прочности на смятие, составит

На основании проведенных расчетов принимаем предельную глубину спуска колонны обсадных труб равной 1 383 м.