Обсадная колонна нефтяной скважины – формулы расчета

Основная задача данного элемента заключается в надежной фиксации скважин бурового типа и герметизации продуктивных слоев от попадания шлака и внешних элементов в момент разработки.

Обсадная колонна имеет составную структуру: ее делают из труб, скрепляя друг с другом последовательно при помощи винтов либо сварки (последний метод применяется реже, когда скважину планируется разрабатывать в течение долгого времени, не внося в конструкцию изменений). Резьба труб для обсадных колонн может иметь форму конуса, треугольника или идти по трапеции, при необходимости создать максимально герметичное соединение используют элементы уплотнения.

Чаще всего обсадная колонна делается из стальных ниппельных либо безниппельных труб: они отличаются толщиной стенок и внутренним диаметром. Резьбовое соединение имеет защиту от механических повреждений, поэтому готовая конструкция отличается высокой степенью прочности. Безниппельные трубы имеют диаметр от 3,3 до 8,9 см, а ниппельные – от 2,5 до 14,5 см (изделия подбираются, исходя из глубины залегания плодородных пластов, продуктивности и назначения, для чего необходимо выполнять расчет обсадной колонны.

В конструкции выделяется первая колонна, которая называется кондуктором, последняя (эксплуатационная) колонна и промежуточные сегменты. По назначению колонны могут классифицироваться на следующие категории:

  • Труба-направление, закрепляющая приустьевую зону и не дающая буровому раствору и шлаку размыть эту область. Чаще всего в стволе устанавливается одно такое направление, но при сыпучих грунтах могут применяться две колонны. Данный тип обсадной колонны бетонируется по всей длине. Трубы могут быть шахтовыми и удлиненными (второй тип встречается реже и применяется при установке нескольких направлений). Эти виды колонн не нуждаются в опрессовке.
  • Кондуктор. Данная колонна труб необходима для изоляции грунта, содержащего пресную воду, от попадания грязи, а также при монтаже специальных противовыбросовых устройств и установке следующих сегментов. Глубина кондуктора доходит до 600 метров, а диаметр составляет от 17 до 50 см. Сегмент необходимо опрессовывать.
  • Промежуточные колонны. Они необходимы для разделения пластов, которые несовместимы друг с другом при разработке скважины и ее углублении. К промежуточным трубам относятся сплошные сегменты, хвостовые части (фиксируют только необсаженный участок скважины, перекрывая предыдущую трубу) и летучки, или лайнеры, которые перекрывают затрудненную область и не связаны каким-либо образом с другими элементами. Спуск отдельных секций колонны и использование хвостовиков позволяет решить проблему создания колонн высокой тяжести, упростить общую конструкцию, уменьшить внутренний диаметр обсадной трубы, а также избавиться от щелей и сократить расход материалов для тампонирования. В результате общая стоимость бурения снижается, и добыча нефти/газа будет более выгодной.
  • Эксплуатационная колонна замыкает конструкцию, и ее фиксируют для того, чтобы отделить конечный продукт от пластов и обеспечить нагнетание жидкости.

Диаметр обсадной колонны высчитывается, начиная с габаритов последнего сегмента (эксплуатационная труба), расчет которых, в свою очередь, производится, исходя из предполагаемой продуктивности скважины. Увеличение внутреннего диаметра делает возможным работать с более мощным оборудованием, в том числе разрабатывать несколько горизонтов и осуществить ремонт ствола.

Расчет обсадной колонны – это комплекс процедур, направленных на установление габаритов, особенностей конструкции и других факторов, которые могут влиять на качество скважины, продуктивность и эффективность эксплуатации. Готовая конструкция должна полностью соответствовать нормам ГОСТ и правилам техники безопасности.

В данной формуле Рси – это показатель давления, D – внешний диаметр труб, amin – толщина стенок обсадной колонны, Е – показатель степени упругости материала, из которого сделана труба.

Собственно расчет обсадной колонны производится на этапе проектирования скважины, чтобы сразу выбрать толщину трубочных стенок, вид материала, общий диаметр и учесть другие аспекты. Процесс может отличаться в зависимости от типа колонны.

Так, для наклонных газовых или нефтяных скважин с соответствующими обсадными колоннами следует брать в расчет параметр прочности на растяжение (запас делается в зависимости от того, какую форму имеет ствол и под каким углом он уходит в глубину).

Также важно учесть давление внутри трубы и снаружи, осевые нагрузки.

Расчеты производятся с учетом профиля на этапе планирования, в них должны также учитываться прочностные характеристики конкретных материалов, определяются конкретные испытания перед опусканием трубы в ствол. Основные методы по расчету складываются из учета разности давлений, дополнительных нагрузок и свойств цементирующего состава.

Основные данные для проведения расчета обсадных труб:

  • Глубина спуска.
  • Интервал проведения перфорирования.
  • Степень опорожненности колонны.
  • Давление на пласты.
  • Температурный режим.
  • Показатели кавернометра.
  • Средняя температура нейтрального пласта.
  • Особенности жидкости для осуществления промывки.

При проведении расчета обсадной колонны необходимо принимать во внимание усилия на растяжение, сминающее давление (формула рассмотрена выше)¸ а также общую нагрузку на сжатие. После того, как работы будут завершены, потребуется провести испытания готовой колонны на прочность, для чего могут применяться различные типы механического и химического воздействия.

Предлагаем ознакомиться  Диаметры обсадных колонн

Выводы

Обсадная колонна является неотъемлемым элементом любой скважины для добычи полезных ископаемых. Грамотно проведенные расчеты позволят соорудить оптимальную по функциональности и стоимости конструкцию, которая будет требовать минимального обслуживания.

Обсадные трубы для нефтяных скважин: виды труб, обсадная колонна

ОБСАДНАЯ КОЛОННА (а. casing string; н. Futterrohrstrang, Futterrohrtour, Rohrfahrt; ф. соlonne de tubage, train de tubage, tubage; и.

culumna de tubo guia, соlumna de tubos de hincar, соlumna de entubado) — предназначена для крепления буровых скважин, а также изоляции продуктивных горизонтов при эксплуатации; составляется из обсадных труб путём последовательного их свинчивания (иногда сваривания).

Обсадные трубы, применяемые при бурении нефтяных и газовых скважин, изготовляются в основном из стали с двумя нарезанными концами и навинченной муфтой на одном конце (иногда безмуфтовые с раструбным концом). Резьба труб выполняется конической, треугольной или специального трапецеидального профиля.

Для создания герметичности при высоких давлениях нефти и газа (более 30 МПа) применяются соединения с уплотнительными элементами. В CCCP обсадные трубы выпускаются по наружному диаметру от 114 до 508 мм, длиной 9,5-13 м. Толщина стенок труб в зависимости от диаметров 5-16 мм.

Различают семь групп прочности обсадных труб: Д, К, Е, Л, М, R, Т с пределом текучести 379-1065 МПа. На каждой трубе наносится маркировка с указанием диаметра, группы прочности, толщины стенки, номера трубы и даты выпуска.

Обсадные трубы для крепления скважин при бурении на твёрдые полезные ископаемые выпускаются в основном из стали (безниппельные и ниппельные). Безниппельные трубы диаметром от 33,5 до 89 мм, ниппельные — от 25 до 146 мм (для отбора керна выпускаются только ниппельные диаметром 25-146 мм).

Толщина стенок труб в зависимости от диаметра 3-5 мм, длина труб 1,5- 6 м. Трубы изготовляются трёх групп прочности Д, К, М с пределом текучести 380-750 МПа. Они поставляются с навинченными ниппелями. На каждой трубе указываются диаметр и группа прочности материала.

Обсадные трубы для нефтяных скважин: виды труб, обсадная колонна

Резьба труб защищается от повреждений предохранительными ниппелями и кольцами.

Кондукторы и промежуточные колонны обычно цементируются, но могут быть и съёмными (например, при бурении некоторых геологоразведочных скважин или глубоких скважин для борьбы с износом спущенных предыдущих промежуточных колонн). Эксплуатационная колонна перекрывает продуктивные горизонты.

Через перфорационные отверстия в колонне в скважину поступают нефть и газ, которые перемещаются к устью по колонне насосно-компрессорных труб.

Обсадные колонны подвергается воздействию наружного давления жидкости, газа в пластах, горных породах, влияние которых особенно сказывается в глинистых и соляных отложениях; воздействию внутреннего давления нефти, газа, а также бурового раствора, собственной массы и усилия натяжения колонн, обусловленного влиянием температуры и давления, и др.

Длины, диаметры и число обсадных колонн определяются геологическими условиями бурения (градиентом давления гидравлического разрыва пласта, пластовыми давлениями, устойчивостью разбуриваемых пород и др.), уровнем техники и технологии строительства скважин, условиями предупреждения и ликвидации возможных осложнений и аварий и др.

Диаметр эксплуатационных колонн и глубина скважины являются основными параметрами для определения диаметра промежуточных колонн. При выборе конструкций колонн учитывается экономичность сооружения с учётом длительности эксплуатации. На нижнем участке обсадных колонн устанавливаются обратный клапан, турбулизаторы, центрирующие фонари и др.

для обеспечения надёжного цементирования. Диаметры эксплуатационных колонн 114-168 мм, промежуточных колонн 178-503 мм. Длина обсадной колонны достигает до 7000 м, а масса 350-400 т. Для спуска колонн используется вышка, лебёдка, талевая система, а также механизмы для подвешивания спущенной колонны в устье скважины.

Основная задача данного элемента заключается в надежной фиксации скважин бурового типа и герметизации продуктивных слоев от попадания шлака и внешних элементов в момент разработки. Обсадная колонна имеет составную структуру: ее делают из труб, скрепляя друг с другом последовательно при помощи винтов либо сварки (последний метод применяется реже, когда скважину планируется разрабатывать в течение долгого времени, не внося в конструкцию изменений).

Резьба труб для обсадных колонн может иметь форму конуса, треугольника или идти по трапеции, при необходимости создать максимально герметичное соединение используют элементы уплотнения. Толщина стенки трубы для обсадочной колонны варьируется в пределах 0,5-1,6 см. сами трубы классифицируются в зависимости от пределов прочности и текучести.

Обсадные трубы: назначение, разновидности и правила монтажа

Обсадные трубы для нефтяных скважин: виды труб, обсадная колонна

Как правило, с обсадными трубами и со всем, что с ними связано, имеют дело специалисты в области бурения. Однако разобраться в вопросе не помешает и горожанам, планирующим загородное строительство и желающим в обозримом будущем обзавестись собственной скважиной. Данная статья поможет понять назначение обсадных труб, разобраться в их типах и способах монтажа.

Назначение

Трубы обсадные монтируются в заранее пробуренную скважину, где они формируют так называемую обсадную колонну. Эта колонна справляется сразу с несколькими задачами, главная из которых — это удержание стенок от обрушения и осыпания.

Кроме того, за счёт своей герметичности трубы способствуют наполнению скважины водой и не дают ей просачиваться за её пределы.

Предлагаем ознакомиться  Добыча руд цветных металлов

При этом они также защищают и воду от загрязнения, не давая породе и мелкодисперсным частицам попадать внутрь обсадной колонны.

Обрушение стенок — одна из главных опасностей, подстерегающих владельцев загородной недвижимости, прибегнувших к бурению с целью обзавестись собственной скважиной. Такое событие может закончиться повреждением заборного патрубка и погружного насоса.

Оборудование может быть полностью утрачено, равно как и сама скважина. В таких случаях её попросту тампонируют и производят бурение новой в нескольких метрах.

Трубы обсадные призваны предотвратить такой сценарий, надёжно защитив стенки скважины от обрушения.

Обсадные трубы для нефтяных скважин: виды труб, обсадная колонна

Обсадная колонна принимает на себя давление грунтового массива, поэтому к её прочности предъявляются высокие требования. Необходимо внимательно подходить как к материалу, из которого произведены обсадные трубы, так и к другим параметрам: диаметру, толщине, прочностным характеристикам.

Параметры труб и их качество регулируются ГОСТами.

Линейка диаметров у большинства производителей начинается с отметки 11,4 см и заканчивается 42,6 см, хотя некоторые компании могут изготавливать изделия более крупного диаметра на заказ.

Что до толщины стенок, то она варьируется в диапазоне от 0,6 до 1,4 см. В качестве материала для изготовления применяется сталь различных марок либо пластик.

Выбор диаметра

Диаметр рассчитывается исходя из дебита аквифера либо из потребностей в воде хозяина участка. Для небольшого коттеджа или дачи нормативным считается расход порядка 0,6 — 0,8 м2. Такого объёма вполне хватает и для пищевых, и для технических нужд.

Что до насоса, то его диаметр принято брать на 0,5 см меньше, чем внутренний диаметр трубы. Обсадная колонна в таком случае даст возможность вынуть насосное оборудование в случае его поломки. Так, например, если диаметр насоса составляет 8,5 см, то внутренний диаметр трубы должен составлять 8,5 0,5 = 9 см.

Таким образом, при толщине стенок 0,5 см внешний диаметр трубы будет составлять 8,5 0,5 0,5 = 9,5 см.

Обсадные трубы для нефтяных скважин: виды труб, обсадная колонна

Приведённый пример весьма приблизителен. Как правило, при расчётах учитывается ещё и глубина скважины. Бурение прекращается по достижении водоносного горизонта, после чего верхний сегмент обсадной колонны закрепляется.

Трубы обсадной колонны имеют ограниченный эксплуатационный цикл. Как правило, он составляет порядка десяти лет, после чего изделия нужно заменять. Но извлечь старые и обветшалые трубы не всегда представляется возможным, да это и не нужно.

С целью восстановления прочности и герметичности скважины внутрь уже установленных труб обсадной колонны помещают другие трубы — меньшего диаметра. Однако чтобы такой ремонт был возможен, необходимо предусмотреть его ещё на этапе бурения. Для этих целей вместо труб, размер которых рассчитан по приведённой выше формуле, берутся изделия на размер больше.

Для ремонта скважины в таком случае потребуется лишь поместить трубы меньшего диаметра в старую колонну.

Виды труб

Как уже было сказано выше, обсадная колонна берёт на себя функцию по армированию скважины, обеспечивая её герметичность и сдерживая давление грунта. В связи с этим к качеству материалов предъявляются высокие требования. Из чего же изготавливают современные обсадные трубы?

Металлические трубы

Обсадные трубы для нефтяных скважин: виды труб, обсадная колонна

Стальные трубы — единственный разумный выбор для тех случаев, когда необходимо обустроить надёжное и бесперебойное водоснабжение, которое прослужит не один десяток лет. Ведь какой бы чистой не была поступающая из водоносных слоёв вода, магистраль всё равно имеет свойство со временем заиливаться. Ликвидация последствий заиливания при помощи бурения возможна только при условии применения металлических труб. Ни с ПВХ, ни с асбестоцементными трубами осуществить ликвидацию ила посредством бурения не представляется возможным.

Что до недостатков, то в этом вопросе у труб из чугуна и других чёрных металлов можно выделить склонность к коррозионным процессам. Отчасти эта проблема решается установкой качественных фильтров, но коррозия тем не менее продолжает медленно разрушать трубы.

Ещё один недостаток металлических труб — это цена, особенно на толстостенные версии. По этой причине применять обсадку из стали целесообразно лишь при глубоком бурении с целью обустройства скважины с длительным эксплуатационным ресурсом. Осаживать песчаные скважины стальными обсадными трубами попросту нецелесообразно.

Пластиковые трубы

  • химическая нейтральность (в подаваемую воду не поступают никакие вредные примеси из металла);
  • неподверженность коррозии;
  • малый вес;
  • лёгкая транспортировка;
  • простой монтаж (можно обойтись без буровой установки).

Из недостатков можно выделить разве что меньший в сравнении с металлическими трубами эксплуатационный срок и менее надёжное резьбовое соединение (в силу особенностей пластика). ПНД и ПВХ трубы также более склонны к механическим повреждениям и способны переносить куда меньшие нагрузки, чем металл. В связи с этим повторное бурение скважины является очень сложной задачей, а иногда и вовсе невыполнимой.

Как правило, ПНД и ПВХ трубы применяют для оборудования скважин на песок глубиной 40-60 м. В таком случае они идеально оправдывают свою цену.

  • умеренная цена;
  • неподверженность коррозионным процессам и гниению;
  • умеренный вес;
  • длительный эксплуатационный период (порядка 35 лет).
Предлагаем ознакомиться  Что прочнее алмаза

Несмотря на низкую плотность, асбестоцемент обладает высокой прочностью. Трубы обсадной колонны отлично справляются с удержанием нагрузки грунтового массива и сохраняют целостность скважины. Кроме того, такие трубы сохраняют свои свойства при широком диапазоне температур, что позволяет не беспокоиться о водоснабжении как в жаркий летний период, так и при экстремально низких зимних температурах.

Из недостатков можно выделить тот факт, что асбестоцементные трубы менее пластичные, чем ПНД и ПВХ, в связи с чем обладают большей хрупкостью. Отчасти эту проблему решают утолщением стенок, но это в свою очередь влечёт за собой повышенные расходы на бурение, ведь скважина должна обладать большим диаметром.

Обсадные трубы для нефтяных скважин: виды труб, обсадная колонна

Самая разумная сфера применения труб из асбестоцемента — известняковые скважины глубиной до 90 метров.

Трубы обсадной колонны соединяются между собой несколькими способами.

  • Резьбовое безмуфтовое соединение Данный тип соединения используется при компоновке обсадной колонны из труб с высаженными концами. То есть непосредственно перед соединением конец трубы разогревается и на внутренней поверхности изделия прорезается резьба. На другом конце трубы, соответственно, прорезается наружная резьба. Когда трубы остывают, производится их соединение методом завинчивания.
  • Муфтовое соединение Данный тип соединения труб обсадной колонны предполагает использование муфт с внутренней резьбой. На трубах прорезана внешняя резьба, за счёт чего обеспечивается надёжное соединение. Как правило, от поставщиков такие трубы приходят уже с навинченной муфтой на одном из концов, что ускоряет процесс обустройства обсадной колонны. Чтобы защитить муфту от внешних воздействий, её накрывают защитным полиэтиленовым мешком на время транспортировки.
  • Сварка На сегодняшний день сварное соединение практически не применяется при обустройстве обсадных колонн для скважин на воду ввиду трудоёмкости и нецелесообразности. Сваривать имеет смысл трубы большого диаметра, используемые для обсадки крупных скважин промышленного назначения. Для этих целей используют дуговую или автоматическую сварку как наиболее высокоэффективную.

Монтаж труб

Обустройство скважины начинается с бурения. По достижении проектной глубины бур извлекается и специалисты приступают к формированию обсадного столба. Весь шлам удаляется, после чего производится обсадка. Она продолжается, пока не будет пройден водоносный слой. Наращивание колонны и скрепление труб производится одним из описанных выше способов.

Стандартная обсадка формируется следующим образом:

  1. Первичный очистной фильтр. Обычно выполняется из нержавеющей сетки.
  2. Донный фильтр или фальшдно. Как правило, обустраивается из гравия и надёжно страхует скважину от просачивания загрязнений, которые могут поступать из водоносного горизонта.
  3. Оголовок скважины. Выступает в роли защитного элемента, предотвращающего воздействие внешних факторов. Кроме того, создаваемая оголовком герметичность будет способствовать созданию внутри скважины разряжения, положительно влияющего на поступление воды. В некоторых случаях оголовок цементируется, однако многие современные модели и без того обеспечивают высокую герметичность.

Советы

Выбирая трубы для обсадки скважины, исходите в первую очередь из соотношения цены и качества. Не стоит применять дорогостоящие трубы там, где их качество, прочность и долговечность будут попросту невостребованы.

Правильно подбирайте толщину и диаметр труб. Для этого используйте соответствующие нормативы и рекомендации. Помните, что увеличение диаметра трубы повлечёт за собой необходимость использования более дорогой буровой установки.

Обустраивая одноколонную обсадку, помните, что извлечь её из грунта будет попросту невозможно. Двухколонная компоновка обходится дороже, но в то же время даёт возможность очистить скважину даже при сильном заиливании.

Особенности устройства колонны

Диаметр обсадной колонны высчитывается, начиная с габаритов последнего сегмента (эксплуатационная труба), расчет которых, в свою очередь, производится, исходя из предполагаемой продуктивности скважины. Увеличение внутреннего диаметра делает возможным работать с более мощным оборудованием, в том числе разрабатывать несколько горизонтов и осуществить ремонт ствола.

Обсадная колонна нефтяной скважины – формулы расчета

Обсадные трубы для нефтяных скважин: виды труб, обсадная колонна

Расчет обсадной колонны – это комплекс процедур, направленных на установление габаритов, особенностей конструкции и других факторов, которые могут влиять на качество скважины, продуктивность и эффективность эксплуатации. Готовая конструкция должна полностью соответствовать нормам ГОСТ и правилам техники безопасности.

В данной формуле Рси – это показатель давления, D – внешний диаметр труб, amin
– толщина стенок обсадной колонны, Е – показатель степени упругости материала, из которого сделана труба.

Собственно расчет обсадной колонны производится на этапе проектирования скважины, чтобы сразу выбрать толщину трубочных стенок, вид материала, общий диаметр и учесть другие аспекты. Процесс может отличаться в зависимости от типа колонны. Так, для наклонных газовых или нефтяных скважин с соответствующими обсадными колоннами следует брать в расчет параметр прочности на растяжение (запас делается в зависимости от того, какую форму имеет ствол и под каким углом он уходит в глубину). Также важно учесть давление внутри трубы и снаружи, осевые нагрузки.

Расчеты производятся с учетом профиля на этапе планирования, в них должны также учитываться прочностные характеристики конкретных материалов, определяются конкретные испытания перед опусканием трубы в ствол. Основные методы по расчету складываются из учета разности давлений, дополнительных нагрузок и свойств цементирующего состава.