Глава 1. Эксплуатация скважин и условия работы труб нефтяного сортамента.

Необходимость в специальных трубах нефтяного сортамента связано со специфическими требованиями, предъявляемыми условиями их эксплуатации. Трубы используются при бурении и эксплуатации скважин. Глубина скважин для разведки и добычи нефти и природного газа колеблется от 1200 м для мелких до 2200-5000 м для глубоких. Бурятся и сверхглубокие скважины глубиной свыше 5000 м. К сверхглубоким скважинам за рубежом относят скважины, глубина которых превышает 4700 м.

За период с 1940 по 1980 г. глубин а разведочных и эксплуационных скважин на нефть и газ возросла в 1.5-2.5 раза (см. рис.1) Предполагается вскрытие залежей нефти на глубинах до 8000 м, природного газа - до 12000 м. Предполагается нахождение нефти и газа на глубинах до 24000 м. Основные затраты на сооружение скважины приходятся на бурение (примерно 60 % времени и 73 % затрат). Разрушение горных пород осуществляется, чаще всего, при помощи долот. Вращение долоту сообщается от привода при помощи бурильной колонны В зависимости от расположения привода различают роторное бурение и бурение с помощью забойных двигателей. Компоновка бурильной колонны при роторном бурении приведена на рис.2

1 — долото; 2 — утяжеленные бурильные трубы; 3, 7, 9 — переходники; 4, 6 — замки; 5 — бурильные трубы; 8 — ведущая бурильная труба; 10 — вертлюг.

Рис.2 Компоновка бурильной колонны при роторном бурении.

Для изоляции вскрытых пластов, предотвращения перетока жидкости или газа из одного горизонта в другой, обрушения стенок скважины закрепляют обсадными колоннами, составленными из обсадных труб Размеры (диаметр, толщина стенки) обсадных труб, прочностные характеристики их материала выбирают в зависимости от физико-механических свойств пород, состава рабочей среды и глубины скважины. На рис. 3 видно использование обсадных труб при оборудовании скважины. Показано устройство скважины с колоннами, состоящими из различных видов обсадных труб. По назначению колонны разделяют на направление, кондуктор, техническую колонну, эксплуатационную колонну обсадных труб.

Рис. 3 Устройство эксплуатационной скважины

После спуска обсадные колонны цементируются путем нагнетания в них цементного раствора и продавливания его в затрубное пространство между стенкой скважины и обсадными трубами. Цементирование предохраняет трубы от разрушения и снижает вероятность нежелательных явлений в скважине.

В законченную скважину опускают насосно-компрессорные трубы, над устьем устанавливают запорную арматуру, путем закачки воды или нагнетания воздуха из скважины удаляют промывочный раствор, скважина вступает в стадию эксплуатации.

На всех стадиях строительства и эксплуатации скважин используют трубы нефтяного сортамента стоимость которых в общей стоимости оборудования скважины составляет около 60 %.В процессе эксплуатации трубы подвержены воздействию сложных нагрузок. Величина и характер зависят от назначения труб, глубины скважины, способа бурения и эксплуатации.

В наиболее сложных условиях работают бурильные трубы. действие осевых нагрузок, центробежных сил и крутящего момента вызывает изгиб колонны, который усугубляется искривлением скважины из-за разной буримости пород. При вращении изогнутой колонны возникают знакопеременные изгибающие усилия. Дополнительные знакопеременные нагрузки возникают в результате пульсации промывочной жидкости, вибрации инструмента, особенно при разбуривании крепких пород.

При знакопеременных нагрузках очень сильно влияют концентраторы напряжений, изменяя форму и нарушая сплошность поверхности (резьба, дефекты, поверхности).

В большинстве случаев усталостное разрушение бурильных колонн происходит в интервале 500-1200 м, т.е. в зонах интенсивного искривления ствола скважин. Усталостное разрушение резьбовых соединений характерно также для утяжелен­ных и ведущих бурильных труб. Соединение этих труб имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем тело трубы, т.е. менее жесткое и, кроме того, сильный концентратор напряжения - резьбу.

Бурильные трубы работают в агрессивной среде промывочного раствора, что также способствует снижению усталостной прочности труб циркуляция промывочного раствора внутри бурильной колонны вызывает промыв резьбового соединения или тела трубы. В резьбовом соединении промыв происходит или по винтовой линии, или по образующей конуса резьбы. Способствуют промыву неточности изготовления соединения, приводящие к увеличению зазоров.

Обсадные трубы подвержены воздействию статических нагрузок, дополнительных нагрузок динамического характера, возникающих при при спуске колонн (при расхаживании колонн в случае прихвата, при резком торможении), нагрузок, возникающих в процессе цементирования при схватывании цементного раствора. При перекрытии соленосных горизонтов возникают дополнительные изгибающие усилия от их сжатия. В результате действия перечисленных нагрузок возможны повреждения обсадных колонн – потеря герметичности соединения, их разобщение, разрушение от внутреннего давления и т.д. Воз­действие агрессивных сред приводит к коррозионному разрушению. Действие осевых растягивающих нагрузок приводит к нарушению герметичности, к разобщению соединений. Этому способствуют дополнительные изгибающие усилия. Например, при креплении наклонных скважин по мере увеличения интенсивности их искривления вероятность нарушений в резьбовых соединениях обсадной колонны также увеличивается. При растяжении в резьбовом соединении возникают радиальные усилия, которые сжимают трубу и стремятся увеличить диаметр муфты. Так как сечение трубы менее жестко, чем муфты, то ее радиальные деформации больше, и при определенной величине осевой нагрузки резьба трубы выходит из сопряжения с резьбой муфты. Наиболее часто разобщение соединений происходит в технических колоннах диаметром 219-324 мм. Реже - в эксплуатационных, что объясняется меньшей жесткостью поперечного сечения. Потере герметичности, разобщению соединений способствуют неточности их изготовления, нарушения технологии сборки.

Насосно-компрессорные трубы выходят из строя в результате износа резьбовых соединений, истирания стенок муфтами насосных штанг, коррозии. Износ резьбовых соединений труб происходит вследствие частого развинчивания и свинчивания при подъеме и спуске насосно-компрессорных колонн, производимых для очистки труб, осмотра и других целей.

Большое влияние на работоспособность труб нефтяного сортамента оказывают условия, в которых они работают: высокие температуры, большие скорости течения различных растворов в трубах, наличие коррозионных сред: углекислый газ (СО2), сероводород (H2S), хлориды NaCl продукты, используемые при обработке скважин кислотой, бактерии месторождения или внесенные при нагнетании растворов в скважины.

Коррозия труб под воздействием агрессивных сред усиливается эрозией металла, так как промывочные растворы содержат песок. Сочетание общей коррозии с эрозией проводит к промыву резьбовых соединений, тела трубы в местах нарушения сплошности поверхности.

Таким образом, трубы нефтяного сортамента работают в сложных условиях комплексного нагружения, под действием температур, агрессивных сред. Поэтому к их качеству предъявляются высокие требования. Различные сочетания этих факторов требуют создания высокогерметичных и высокопрочных соединений.