Пошаговое руководство по расчету кассовых нагрузок и критериев выбора

Расчет нагрузок на обшивку и выбор подходящего обшивки являются фундаментальными компонентами конструкции скважины, которые непосредственно влияют на безопасность, эксплуатационную эффективность и долгосрочную целостность нефтяных и газовых скважин. Проектирование облицовки является важной задачей в проектировании нефтяных и газовых скважин, которая включает оценку факторов, способствующих выходу из строя обшивки, и правильный выбор наиболее подходящих марок и весов обшивки, которые являются безопасными и экономичными для конкретной операции работы. Это всеобъемлющее руководство предоставляет подробные, пошаговые процедуры для оказания помощи инженерам по бурению, проектировщикам скважин и полевым техникам в выполнении точных расчетов нагрузки на обшивку и принятии обоснованных решений по выбору.

Понимание Кассирующих Грузов в Хорошо Дизайне

Конструкция обсадного кожуха включает в себя определение нагрузочных кейсов, которые имитируют наиболее тяжелые условия, с которыми может столкнуться обшивка. Эти нагрузки представляют собой различные силы и давления, оказываемые на обсадную нить на протяжении всего жизненного цикла скважины, от первоначальной установки до операций бурения, цементирования, производства и возможного отказа. Понимание этих нагрузок имеет важное значение для предотвращения выхода из строя корпуса и обеспечения структурной целостности скважины в течение ее срока эксплуатации.

Конструкция корпуса основана на оценке различных нагрузок, таких как разрыв, коллапс и натяжение. Каждый из этих типов первичной нагрузки представляет собой уникальные проблемы и должен быть тщательно оценен при различных эксплуатационных сценариях. Конструкция корпуса для каждого размера выполняется путем расчета наихудших условий, с которыми могут столкнуться во время бурения и производства, а механические свойства проектируемых труб, такие как сопротивление коллапсу, давление разрыва и сила осевого растяжения, должны быть достаточными для худших условий.

Основные виды кассовых грузов

Три основные категории нагрузки, которые регулируют конструкцию корпуса, - это нагрузки на разрыв, коллапс и натяжение (осевое). Каждый тип нагрузки реагирует на различные эксплуатационные условия и характеристики формирования:

Бурстовые нагрузки: Бурстовая нагрузка — это внутреннее давление от скважинных жидкостей или газовых ударов, которое может разорвать кожух, что имеет решающее значение во время бурения или производства, особенно когда условия высокого давления возникают во время операций управления скважиной, испытаний на целостность, сжатия цементирования или во время производства из-за утечки трубы. Всплеск может быть определен как разрыв растяжения, который может привести к разрыву, создаваемому вдоль оси корпуса трубы, и корпус трубы имеет тенденцию разрываться, когда дифференциальное давление между внутренним и внешним давлением превышает механическую прочность трубы.

Нагрузки коллапса: Нагрузка коллапса относится к разнице между внешним давлением, вытекающим из формирующих или гидростатических сил, и внутренним давлением внутри кожуха, и во время операций, таких как цементирование, кожух подвергается высоким внешним нагрузкам.Корпус имеет тенденцию к коллапсу, когда внешнее давление, действующее вне корпуса кожуха, будет больше внутреннего давления.

Напряженные (осевые) нагрузки: Напряженные нагрузки в первую очередь вызваны весом самой нити корпуса при подвешивании в скважине. При работе корпуса в отклонённых скважинах корпус трубы может находиться под натяжением и сжатием одновременно. Дополнительные силы натяжения включают ударные нагрузки, силы сопротивления и силы изгиба, возникающие при монтаже и эксплуатации.

Дополнительные соображения по грузу

Помимо основных типов нагрузки, несколько дополнительных сил могут повлиять на целостность корпуса:

Ударная нагрузка может быть обращена при установке корпуса на проскальзывания и является локальной приложенной силой и на короткий промежуток времени означает, что она не похожа на подвешенный вес или силу изгиба, которые могут быть наложены на всю длину корпуса трубы.Обшивка может быть взаимной во время операций, которые могут привести к дополнительной осевой нагрузке из-за трения между трубой и скважиной, и трудно оценить силу сопротивления по многим причинам: геометрия отверстия, фильтр-торт, неровности отверстия.

В полевых операциях не существует одной формы нагрузки на корпус корпуса, на корпус трубы может быть оказана комбинация различной нагрузки. Эта реальность требует комплексного анализа нагрузки, который учитывает несколько одновременных условий нагрузки, часто называемых сценариями двуосной или трехосной нагрузки.

Шаг 1: Соберите всесторонние данные о скважинах

Основу точных расчетов нагрузки на корпус начинают с сбора полных и надежных данных о скважине. Многие факторы входят в конструкцию производственного корпуса, включая грязевой вес, необходимый для бурения скважины и балансирования давления образования, градиенты трещин, глубины сидений корпуса, размеры корпуса, план направления, цементную программу и температурные профили. Тщательный сбор данных гарантирует, что все соответствующие параметры учитываются в процессе проектирования.

Основные требования к данным

Перед началом расчетов грузоподъемности корпуса необходимо собрать и проверить следующую информацию:

Формирующие давления: На основании порового давления скважины и градиента трещины вы сможете определить, сколько струн требуется и где каждая струна должна быть установлена.Данные о давлении пор следует получать из смещенных скважин, сейсмического анализа или измерений давления при бурении.
Градиенты трещин: Важно провести комплексный анализ давления пор и градиентов давления трещин образований, которые мы намерены просверлить, поскольку эти давления расположены на глубине, чтобы определить точки, где вес грязи, необходимый для контроля давления пор, превышает градиент трещины, рискуя переломом образования или выдуванием.
Средний вес и плотность: Плотность буровой жидкости непосредственно влияет как на внутренние, так и на внешние профили давления на корпусе. Необходимо определить максимальные ожидаемые грязевые веса для каждой секции отверстия.
Ну глубина и траектория: Общая измеренная глубина, истинная вертикальная глубина и траектория скважины (вертикальная, отклоненная или горизонтальная) значительно влияют на расчеты нагрузки, особенно для натяжения и изгиба нагрузок.
Температурные профили: Температура скважины влияет на свойства материала, поведение цемента и тепловое расширение/сжатие нити корпуса.
Характеристики формирования: Идентификация проблемных зон, включая зоны потерянной циркуляции, высокопроницаемые образования, нестабильные сланцевые участки, мелководные газовые опасности, пресноводные водоносные горизонты и коррозионные среды (H2S, CO2).
Параметры производства: Следует рассмотреть тип используемой жидкости и расклинивающего устройства, максимальную концентрацию расклинивающего устройства и расчет максимального ожидаемого давления на поверхности гидравлического разлома, а также оценить типы, состав и объемы ожидаемого производства.

Предварительный этап проектирования

Существует два этапа проектирования: первый - предварительный проект, а второй - подробный. Предварительный проект устанавливает общий план строительства скважины, включая количество требуемых струн корпуса, примерные глубины установки и общие требования к размеру. Корпуса нагрузки варьируются в зависимости от типа корпуса (поверхность, промежуточная, производственная) и фаза скважины.

Выбор соответствующих глубин установки корпуса имеет жизненно важное значение для эффективной конструкции скважины, поскольку это существенно влияет на безопасность, стабильность и защиту окружающей среды. Предварительная конструкция обеспечивает основу для подробных расчетов нагрузки, которые следуют.

Шаг 2: рассчитайте количество взрывов

Нагрузка на разрыв должна рассматриваться в первую очередь, поскольку разрыв будет определять конструкцию для большей части струны. Расчеты нагрузки на разрыв определяют максимальный дифференциал внутреннего давления, который корпус должен выдерживать без разрыва. Это, как правило, наиболее важное конструктивное соображение для большинства струн корпуса.

Основы Burst Load

Разрывная нагрузка рассчитывается как разница между внутренним и внешним давлением. Более конкретно, разрывная нагрузка на любой вертикальной глубине - это разница между внутренним давлением и внешним давлением на этой глубине. Это дифференциальное давление создает растягивающее напряжение в стенке корпуса, которое, если оно чрезмерное, может привести к разрыву трубы.

Нагрузка на разрыв в сети представляет собой разницу между давлением внутри корпуса и давлением снаружи, и точка максимальной нагрузки на разрыв в этом случае находится в верхней (поверхности) струны корпуса, где имеется высокое давление газа и нулевое резервное копирование.

Сценарии нагрузки на взрыв для разных типов обсадных материалов

Конструкция поверхностного обсадного взрыва: Максимальное внутреннее давление, используемое для конструкции разрыва, основано на состоянии контроля скважины, которое, как предполагается, возникает при циркуляции большого удара. Конструкция разрыва должна гарантировать, что давление разрыва пласта на обувной башмаке будет превышено до достижения давления разрыва корпуса, поэтому эта конструкция использует разрыв пласта в качестве механизма сброса давления безопасности, чтобы гарантировать, что разрыв корпуса не произойдет на поверхности и не подвергнет опасности жизни.

Профиль внутреннего давления для конструкции лопастей на поверхности обычно предполагает:

Заполненный газом кожух от поверхности до обувной оболочки
Давление в процессе формирования на корпусном сиденье
Хорошо заперты на поверхности с полным давлением образования
Минимальный градиент газа (обычно 0,10 пси/фут для неглубоких источников, 0,15 пси/фут для глубоких источников)

Предположим, что минимальный градиент газа 0,10 пси/фут для давлений, первоначально более мелких, чем 10 000 футов, и 0,15 пси/фут для источников давления, более глубоких, чем 10 000 футов, и если образования под поверхностью корпуса не имеют газа, то следует использовать градиенты формирующих жидкостей (нефть или вода).

Промежуточный корпус Бурст Дизайн: Промежуточные расчёты разрыва корпуса следуют аналогичным принципам, но должны учитывать более глубокие образования с более высоким давлением. Глубина трещинной зоны определяется из градиента перелома по отношению к глубине участка, чтобы быть глубиной самого слабого открытого образования.

Производственная конструкция обсадного взрыва:] Для разрывной нагрузки на этапе производства в качестве наихудшего варианта расчетной нагрузки используется отказ трубки с CITHP, действующей на верхнюю часть жидкости упаковщика.В этом сценарии во время испытания скважины или производства утечки могут происходить в верхней части трубки и приводить к увеличению давления в пространстве между производственной трубкой и корпусом, а нижняя часть трубки обычно снабжена упаковщиком, и при утечке трубки давление внутри нее будет накладываться на давление в корпусе/трубе аннулуса.

Внешнее давление (Back-up Pressure)

Линия резервной нагрузки представляет собой нагрузку, наносимую на внешнюю сторону корпуса, в это время это гидростатическое давление колонны пластовой жидкости, и эта внешняя нагрузка служит для резервного копирования корпуса во время лопнувшей нагрузки.Предполагается, что внешнее давление или резервное давление вне корпуса, которое помогает противостоять разрыву, равно нормальному давлению пор образования.

Консервативная практика проектирования часто игнорирует благотворное влияние цемента или тяжелой грязи вне корпуса при расчете сопротивления разрыву, поскольку качество цемента может варьироваться, а свойства грязи могут ухудшаться с течением времени.

Методы расчета давления бури

Рейтинг давления разрыва корпуса рассчитывается по стандартам API. API 5C3, «Вычисление эксплуатационных свойств трубы, используемой в нефтяной и газовой промышленности», предоставляет методы расчета эксплуатационных свойств (взрыв, коллапс и осевое натяжение) корпуса и трубки. Базовая формула разрыва API учитывает прочность выхода трубы, толщину стенок и внешний диаметр.

Для каждого интервала глубины вдоль нитки корпуса вычислите:

Внутреннее давление на этой глубине (в худшем случае)
Наружное давление на этой глубине (обычно давление пор образования)
Давление сетевого разрыва = внутреннее давление - внешнее давление
Требуемое сопротивление разрыву = давление Net burst × Коэффициент проектирования

When evaluating the burst capacity of a casing, a down rating because of wear, corrosion, temperature and applied compression is required before the design factor is introduced, and the uniaxial design factor for burst design is 1.1.

Шаг 3: Определите количество нагрузок на коллапс

Анализ нагрузки на обрушение определяет способность кожуха противостоять внешнему давлению без обрушения внутрь. Нагрузку на обрушение следует оценивать и при необходимости модернизировать секции струн. Это особенно важно во время цементных операций и в ситуациях, когда кожух может быть частично или полностью эвакуирован.

Сценарии падений нагрузки

Конструкционный корпус нагрузки для обрушения основан на частичной эвакуации обсадной нити, а для частичной эвакуации на этапе бурения профиль внутреннего давления основан на потерях грязи до давления поры.Максимальное внешнее давление, используемое для конструкции обрушения, основано на серьезной проблеме потерянной циркуляции.

Общие сценарии загрузки коллапса включают:

Цементные операции: Во время смещения цемента корпус испытывает высокое внешнее гидростатическое давление от цементной суспензии, в то время как внутреннее давление может быть уменьшено.
Потеря циркуляции: Если буровая жидкость теряется в процессе формирования, то внутренняя текучая колонка может значительно упасть, создавая высокое дифференциальное давление.
Производство с газовым подъемником: Для производственного корпуса с газоподъемными сооружениями полная эвакуация над упаковщиком используется в качестве наихудшего варианта проектной нагрузки.
Частичное удаление: Наиболее серьезный сценарий коллапса обычно предполагает, что корпус пуст (нулевое внутреннее давление), в то время как внешнее давление равно полному гидростатическому давлению цемента и формирующих жидкостей.

Профиль внешнего давления при коллапсе

Профиль внешнего давления для обрушения выполнен в двух секциях; это для цементной колонны и для аннулирующей текучей колонны. Цементная колонна обычно простирается от обувной обувной оболочки до верха цемента (TOC), в то время как буровая грязь или другие кольцевые жидкости занимают пространство над цементом.

Расчет внешнего давления на каждой глубине с учетом:

Гидростатическое давление цементной суспензии (обычно 15,8-16,5 ppg)
Гидростатическое давление буровой грязи над цементом
Давление пор образования (если цемент отсутствует)

Расчет сопротивления коллапсу

В стандарте API 5C3 расчет давления коллапса корпуса включает четыре области, то есть четыре формулы, которые включают давление коллапса минимального выхода, давление пластического коллапса, давление эластопластического коллапса и давление упругого коллапса, а формула давления пластического коллапса является эмпирической формулой, которая была получена регрессионным анализом 2888 тестов.

Как разрыв, так и коллапс являются функцией толщины стенки, диаметра трубы и выхода материала. Сопротивление коллапсу более чувствительно к овальности трубы и производственным допускам, чем сопротивление разрыву, что делает контроль качества особенно важным.

Коррозия, износ и понижение напряжения обрабатываются отдельно, а одноосный конструктивный фактор, используемый для конструкции коллапса, составляет 1,0. Мощность коллапса должна быть уменьшена в соответствии с максимальной температурой, которой обшивка будет подвергаться при возникновении нагрузки коллапса.

Особые соображения по поводу коллапса

Поперечно движущиеся образования, такие как соль, оказывают на корпусе коллапсную нагрузку, и загрузка обычно моделируется как однородная нагрузка давления жидкости с давлением, равным давлению перегрузки.В соляных участках или других подвижных образованиях коллапсная нагрузка может значительно превышать нормальное гидростатическое давление.

В худших условиях проектирования аварий инженеры часто предполагают:

Нулевое внутреннее давление (полная эвакуация)
Полное внешнее гидростатическое давление из цемента и грязи
Нет пользы от плавучести
Максимально ожидаемая температура

Шаг 4: Рассчитайте осевые (напряженные) нагрузки

Анализ осевой нагрузки определяет силы растяжения, действующие вдоль длины нити корпуса. После определения весов, марок и длин секций для удовлетворения нагрузок на разрыв и коллапс, можно оценить нагрузку на растяжение, а трубку можно модернизировать по мере необходимости, и определить типы сцепления.

Компоненты осевой загрузки

Первичной составляющей осевого натяжения является подвесной вес самой обсадной струны, однако к общей осевой нагрузке способствуют несколько дополнительных факторов:

Вес с подвеской: Вес всех обсадных соединений ниже любой заданной точки создает напряжение в этой точке. Это основная осевая нагрузка и увеличивается линейно с глубиной для однородного обсадного кожуха.

Эффекты плавучести: Когда корпус заполнен буровой жидкостью, плавучесть снижает эффективный вес. Коэффициент плавучести зависит от плотности внутренних и внешних жидкостей. Для консервативной конструкции напряжения эффекты плавучести иногда игнорируются.

Ударные нагрузки: Ударная нагрузка может быть обращена при установке корпуса на проскальзывания и является локальной приложенной силой и в течение короткого периода времени, а комбинация на подвеске, изгибе и ударных нагрузках может привести к распаду трубы.

Силы сопротивления: Корпус может быть взаимно заряжен во время операций, которые могут привести к дополнительной осевой нагрузке из-за трения между трубой и скважиной.В отклонившихся скважинах силы сопротивления могут быть существенными и должны быть рассчитаны с использованием моделей крутящего момента и сопротивления.

Сгибающие нагрузки: При работе корпуса в отклонённых скважинах корпус трубы может находиться под напряжением и сжатием одновременно.Сгибающие напряжения возникают на соговых и в изогнутых секциях ствола скважины.

Сценарии нагрузки напряжения

Условие нагрузки на максимальное осевое натяжение основано на предположении о застрявшей обшивке, когда обшивка прогоняется в отверстие перед цементными операциями. Конструкция натяжения требует учета осевого напряжения, имеющегося при прогонке корпуса, при цементных операциях, при загрузке корпуса в прокладки, а также при последующих буровых и производственных операциях.

Критические сценарии напряженности включают:

Бег в Дыре: Максимальное напряжение возникает на поверхности, когда вся нить корпуса подвешена. Для наихудшего варианта конструкции не допускать плавучести (заполненный воздухом корпус).
Застрявшая труба: Если корпус застрял во время бега, силы перенапряжения увеличивают подвешенный вес, создавая максимальное состояние напряжения.
Цементирование: Во время смещения цемента изменения давления и температуры могут создавать дополнительные осевые нагрузки за счет воздушных шаров и тепловых эффектов.
Производственные операции: При проведении этого расчета необходимо учитывать не только давление разрыва (внутренний выход) трубы, но и влияние давления внутреннего гидравлического разрыва и скорости впрыска гидравлического разрыва на напряжение, а внутреннее давление во время гидравлического разрыва вызывает эффект раздувания на производственном корпусе, который добавляет нагрузку на натяжение.

Расчеты осевой нагрузки

Для каждого участка обсадки рассчитайте кумулятивный вес от нижней части струны до интересующей точки.Основной формулой осевой нагрузки является:

Осевая нагрузка = Σ (вес на фут × Длина) — сила плавучести + перетягивание + сила перетаскивания

Коэффициент плавучести (BF) рассчитывается как:

BF = 1 — (ρ mud/ρ steel)

Где ρ mud - плотность грязи, а ρ steel - плотность стали (обычно 65,5 ppg).

Одноосный коэффициент проектирования для конструкции натяжения составляет 1,3. Некоторые операторы используют более высокие коэффициенты проектирования или добавляют фиксированное значение перенапряжения (обычно 100 000 фунтов / с), чтобы учесть сценарии застрявших труб.

Сопоставление сил

Большинство отказов корпуса происходит при соединениях, и эти отказы могут быть отнесены к неправильной конструкции или воздействию нагрузок, превышающих номинальную емкость. Соединение (связывающее или резьбовое соединение) должно оцениваться отдельно от корпуса трубы, так как оно часто имеет меньшую прочность, чем сама труба.

Эффективность соединения определяется как отношение прочности на растяжение соединения к прочности на растяжение корпуса трубы. Стандартные соединения API обычно имеют эффективность соединения 60-80%, в то время как соединения премиум-класса могут достигать 100% эффективности.

Шаг 5: Оценка биаксиальных и триаксиальных эффектов нагрузки

Заключительным этапом является проверка на двуосное снижение силы разрыва и сопротивления коллапсу, вызванное нагрузками на сжатие и натяжение, соответственно, и если эти сокращения показывают, что прочность любой части секции меньше потенциальной нагрузки, секция должна быть снова модернизирована.

Понимание комбинированной нагрузки

Расчеты на эксплуатационные нагрузки производятся для того, чтобы триаксиальные приращения в корпусе трубы, возникающие в результате изменения давления, температуры и приложенных точечных нагрузок относительно состояния «как цементированный», не приводили к выходу из строя корпуса.В действительности корпус редко подвергается одиночному типу нагрузки изолированно.Осевое натяжение или сжатие влияет на сопротивление трубы разрыву и обрушению.

Ключевые биаксиальные эффекты включают:

Напряжение снижает сопротивление коллапсу: Осевое натяжение снижает способность трубы противостоять внешнему давлению. Этот эффект должен быть количественно оценен в критических точках, где нагрузка на коллапс высока.
Сжатие снижает сопротивление взрыва: Осевое сжатие (которое может происходить из-за теплового расширения или эффектов давления) снижает пропускную способность разрыва.
Комбинированный анализ стресса: Критерии отказа фон Мизеса или Трески используются для оценки того, превышают ли комбинированные напряжения предел прочности материала.

Процедуры двухосной коррекции

В каждой критической точке в строке корпуса (обычно там, где конструктивные нагрузки приближаются к рейтингам корпуса), выполняют биаксиальный анализ:

Определить осевую нагрузку на глубине интереса
Вычислите осевое напряжение (σ axial = Axial Load / Cross-sectional Area)
Применять двуосные коэффициенты коррекции для разрыва или обрушения рейтингов
Убедитесь, что скорректированные рейтинги по-прежнему превышают проектные нагрузки с соответствующими факторами безопасности.
Повышение класса корпуса или веса, если скорректированные оценки недостаточны

Биаксиальный эффект наиболее важен в глубоких скважинах, приложениях высокого давления и ситуациях с большими температурными дифференциалами.

Анализ пряжки

Также проверяется нестабильность, т.е. возникновение пристежки. Пристегнутость может возникать, когда корпус испытывает высокие сжимающие нагрузки, особенно в ситуациях, связанных с:

Тепловое расширение во время производства или стимуляции
Возбуждение воздушных шаров под давлением
Установка цемента и гидратация
Упаковщик устанавливает силы

Следует оценивать режимы спирального и синусоидального пряжки, особенно для длинных неподдерживаемых участков корпуса в отклонившихся скважинах.

Шаг 6: Примените факторы дизайна и маржи безопасности

В конструкции корпуса всегда предусмотрен запас прочности для выбора соответствующего класса обсадной трубы. В конструкции корпуса всегда предусмотрен запас прочности (также известный как фактор безопасности), позволяющий в будущем изменять прочность корпуса, нагрузку и другие неизвестные силы, с которыми можно столкнуться.

Стандартные факторы дизайна в промышленности

Коэффициенты конструкции представляют собой соотношение между номинальной мощностью корпуса и расчетной проектной нагрузкой, которые обеспечивают запас прочности для учета неопределенностей в прогнозах нагрузки, свойствах материала, допусках к производству и непредвиденных условиях.

Типичными факторами проектирования API являются:

Бурст: 1.1 (некоторые операторы используют 1,0-1,25 в зависимости от условий скважины)
Коллапс: 1.0-1.125 (более низкий коэффициент отражает более предсказуемую нагрузку)
Напряжение: 1.3-1.8 (более высокий коэффициент учитывает сценарии с застрявшими трубами)
Совместная прочность: 1.6-1.8

Использование чрезмерно высоких факторов проектирования гарантирует от отказа, но обеспечивает чрезмерную прочность и, следовательно, повышенную стоимость, а использование низких факторов проектирования требует точных знаний о нагрузках, которые будут налагаться на корпус, поскольку существует меньшая маржа, а значения компании, выбранные для факторов проектирования, являются компромиссом между маржой безопасности и экономикой.

Выбор подходящих факторов дизайна

Выбор фактора проектирования должен учитывать:

Хорошая сложность: Более высокие факторы для разведочных скважин, скважин HPHT или районов с неопределенным давлением образования
Операционная история: Более низкие факторы могут быть приемлемыми в зрелых областях с обширными данными о смещении скважин
Регулятивные требования: Некоторые юрисдикции устанавливают минимальные факторы проектирования
Последствия отказа: Более высокие факторы для критических струн (производственная оболочка) или экологически чувствительных областей
Экономические соображения: Баланс между безопасностью и оптимизацией затрат

Конструкция корпуса основана на предполагаемом состоянии нагрузки, и поэтому предполагаемая конструктивная нагрузка должна быть достаточно серьезной, чтобы была очень низкая вероятность возникновения более серьезной ситуации и возникновения отказа корпуса.

Критерии выбора Casing

После завершения расчетов нагрузки и применения факторов проектирования начинается процесс выбора фактического корпуса.Выбор соответствующих спецификаций корпуса включает балансирование механических требований, проектирование скважины и экономические соображения, руководствуясь такими стандартами, как API 5CT.

Выбор класса Casing

N80, L80, C90, T95, P110, Q125, V150 и другие марки существуют, и в условиях скважины разные марки корпусной стали имеют разные прочности. Различные марки корпуса имеют разные прочности на коллапс, прочность на разрыв и прочность на растяжение, и поэтому очень важно установить корпус на глубину, где он способен выдерживать напряжение на коллапс, напряжение на разрыв и напряжение на растяжение.

Общие классы корпусов и их типичные применения:

H40, J55, K55: Более низкие степени прочности, подходящие для применения на мелководье с низким давлением с минимальным риском коррозии
N80: Наиболее распространенный сорт для промежуточных глубин и умеренных давлений; хороший баланс прочности и стоимости
L80: Похожая прочность на N80, но с улучшенной устойчивостью к растрескиванию сульфидного напряжения для кислой службы
C90, T95: Более высокие оценки прочности для более глубоких скважин или более высоких напорных применений
P110: Высокопрочный сорт для глубоких скважин высокого давления; обычно используется в производственном корпусе
Q125, V150: Сверхвысокие оценки прочности для экстремальных приложений HPHT

Толщина стен и вес

Для любого заданного размера корпуса и степени доступны несколько весов (толщины стенок). Более тяжелые веса обеспечивают большую мощность разрыва, коллапса и растяжения, но при более высокой стоимости и уменьшенном внутреннем диаметре.

Поскольку условия загрузки в скважине имеют тенденцию меняться с глубиной, часто можно получить менее дорогую конструкцию корпуса с несколькими различными весами, марками и муфтами в одной строке корпуса. Этот подход, называемый конструкцией комбинированной строки, оптимизирует стоимость, используя более прочный корпус только там, где это необходимо.

Выбор типа подключения

Кассовые соединения подразделяются на три основные категории:

API Круглостные соединения: Стандартные резьбовые и сопряженные соединения с отдельными муфтами. Они являются наиболее экономичными, но имеют ограниченную способность уплотнения под давлением и более низкую эффективность соединения (обычно 60-80%).

API Подключения нити подпорной кости: Более прочные, чем круглая нить с лучшим уплотнением, обычно используемые для приложений с более высоким давлением.

Премиальные соединения: Специальные соединения используются для достижения надежности герметичного уплотнения и 100% эффективности соединения (совместная эффективность определяется как отношение прочности на растяжение суставов к прочности на растяжение корпуса трубы) в более тяжелых условиях скважины. Эти запатентованные соединения обеспечивают превосходное уплотнение, более высокую крутящую способность и лучшую производительность в критических приложениях.

Требования к коррозионной устойчивости

В коррозионных средах сам корпус также требует коррозионной стойкости.Производство или встреча с коррозионными жидкостями в скважинах требует особого внимания:

Курсовая служба (H2S): Используйте L80, C90 или более высокие сорта с устойчивостью к растрескиванию сульфидного напряжения. Соответствие NACE MR0175/ISO 15156 является обязательным.
CO2 Коррозия: Рассмотрим коррозионностойкие сплавы (CRA), такие как 13Cr, дуплексная нержавеющая сталь или супер дуплекс для тяжелых сред CO2.
Хлоридные среды: Высокие концентрации хлорида могут вызвать растрескивание коррозии в ямах и под напряжением; могут потребоваться CRA.
Коррозионное обеспечение: Добавить дополнительную толщину стенки (обычно 0,125-0,250 дюйма) для учета потери металла в течение срока службы скважины или применить защитные покрытия и ингибиторы.

Размер и расчеты зачистки

Внутренний диаметр конечной нити корпуса (или предпоследней в некоторых случаях завершения лайнера) должен вмещать производственную трубку и связанное с ней оборудование, такое как упаковщики, подмандатные подъезды и подземные предохранительные клапаны. В настоящее время многие компании, как правило, выполняют интеллектуальное завершение, чтобы продлить срок службы скважины и оптимизировать производство скважин, и это потребует большого зазора между строкой завершения и производственной трубкой, и это может повлиять на размер корпуса большое время.

Выбор размера обсадки должен учитывать:

Размер бита бурения для следующей секции отверстия
Размеры труб и оборудование для завершения производства
Разрешение на цементирование инструментов
Требования к инструменту для ведения лесозаготовок
Будущие потребности в переработке или вмешательстве

Экономическая оптимизация

Выбирая с самого начала наименее дорогие веса и марки корпуса, которые удовлетворят разрывной нагрузке, и модернизируя только так, как это требуется по предписанной последовательности, полученная конструкция будет наиболее дешевой из возможных, которая может удовлетворить максимальные требования к нагрузке.

Стратегии оптимизации затрат включают:

Комбинационные струны: Используйте несколько марок и весов в одной строке, размещая корпус более высокой прочности только там, где это необходимо.
Программы-линеры: Используйте вкладыши вместо полных струн корпуса, где это необходимо для снижения материальных затрат
Материальная доступность: Рассмотрим время выполнения и наличие конкретных марок и размеров
Стоимость жизненного цикла: Баланс начальных затрат на облицовку против потенциальных затрат на отказ и затрат на ремонтные работы

Конструкция должна обеспечивать механическую целостность на основе ожидаемых случаев нагрузки, встречающихся в течение срока службы скважины, а стоимость скважины должна быть экономичной.

Методология проектирования и рабочий процесс

Систематический подход к проектированию корпуса обеспечивает учет всех критических факторов и то, что окончательная конструкция является одновременно безопасной и экономичной.Для правильной оценки нагрузок, налагаемых на различные типы конструкций, каждый тип следует рассматривать отдельно, включая поверхностный корпус, промежуточный корпус, промежуточный корпус с буровым лайнером, буровыми лайнерами и производственным корпусом, а загрузка на разрыв должна рассматриваться в первую очередь, поскольку разрыв будет диктовать конструкцию для большей части струны.

Дизайн программного обеспечения и инструментов

Современный дизайн корпуса обычно использует специализированное программное обеспечение, которое автоматизирует расчеты и обеспечивает графический анализ нагрузки. Эти инструменты предлагают несколько преимуществ:

Быстрая оценка нескольких сценариев проектирования
Автоматическое применение формул API и проектных факторов
Графическое представление профилей нагрузки и рейтингов обсадных элементов
База данных о свойствах и эксплуатационных характеристиках корпуса
Биаксиальный и триаксиальный анализ стрессов
Особенности оценки и оптимизации затрат
Подготовка докладов и документация

Однако инженеры должны понимать основные принципы и проверять выходы программного обеспечения, поскольку автоматизированные инструменты могут давать неправильные результаты, если входы ошибочны или предположения неуместны.

Особые соображения по дизайну

Высокотемпературные скважины высокого давления (HPHT)

Установка скважин HPHT представляет уникальные проблемы, требующие усовершенствованных подходов к проектированию:

Температурные эффекты: Высокие температуры снижают прочность материала и влияют на сопротивление коллапсу. Ко всем рейтингам корпуса должны применяться коэффициенты выдерживания температуры.
Тепловое расширение: Большие перепады температур вызывают значительные осевые нагрузки из-за теплового расширения.Ограниченный корпус может развивать высокие сжимающие напряжения.
Целостность давления: Условия HPHT требуют премиальных соединений с металлическими уплотнениями и более высокими факторами проектирования.
Материальный выбор: Обычно требуются стали более высокого качества (P110, Q125, V150) с тщательным вниманием к прочности материала и пластичности при повышенных температурах.

Направленные и горизонтальные скважины

Отклоненные и горизонтальные скважины вносят дополнительные сложности:

Торк и драг: Трение между корпусом и стволом скважины создает значительные силы сопротивления, которые должны быть добавлены к расчётам напряжения.
Сгибающий стресс: Доглег и кривизна скважин создают изгибающие напряжения, которые сочетаются с осевыми и нагрузочными нагрузками.Степень изгиба напряжения зависит от тяжести доглега и жесткости корпуса.
Перемотка: Горизонтальные и сильно отклоняющиеся секции подвержены спиральному перемотанию при воздействии сжимающих нагрузок. Анализ перемотки имеет решающее значение для этих скважин.
Носить: Износ обшивки от вращения струны сверла может значительно уменьшить толщину стенки в изогнутых секциях, требуя надбавок за износ или защитных мер.

Гидравлические расщепляющие соображения

Колодцы, предназначенные для гидроразрыва пласта, требуют особого внимания:

До гидравлического разрыва скважины необходимо рассчитать максимально допустимое давление поверхностного разрыва, а для этого расчета необходимы градиенты жидкости внутри и снаружи трубы, и при этом при расчете необходимо учитывать не только давление разрыва (внутренний выход), но и влияние давления внутреннего гидравлического разрыва и скорости впрыска гидравлического разрыва на напряжение.

Велосипед давления: Повторные циклы давления во время многоступенчатого разрыва могут вызвать повреждение усталости
Тепловой шок: Жидкости с холодным разрывом создают тепловые напряжения и потенциальное пристегнутое сопротивление
Эффекты вздутия: Высокое внутреннее давление вызывает радиальное расширение, которое создает дополнительное осевое напряжение
Целостность соединения: Премиальные соединения обычно требуются для поддержания целостности печати на нескольких этапах фрака.

Геотермальные и инъекционные колодцы

Геотермальные и инъекционные скважины сталкиваются с уникальными проблемами:

Тепловые циклы: Повторные циклы нагрева и охлаждения создают усталостные напряжения
Коррозионные жидкости: Геотермальные рассолы и инъекционные жидкости могут быть высококоррозионными, требующими CRA или защитных мер
Долгосрочная целостность: Эти скважины часто работают в течение десятилетий, требуя консервативного проектирования и коррозионных норм.
Тепловое расширение: Большие изменения температуры создают значительные осевые нагрузки, которые должны быть размещены

Обеспечение качества и проверка

Строгие процессы обеспечения качества гарантируют, что конструкция корпуса соответствует всем требованиям и что установленный корпус работает так, как задумано.

Обзор дизайна и проверка

Все конструкции корпусов должны пройти независимую техническую проверку:

Peer Review: Опытные инженеры рассматривают вычисления и предположения
Анализ чувствительности: Оценка того, как дизайн реагирует на изменения ключевых параметров
Проверка наихудших ситуаций: Подтвердите, что наихудшие сценарии были правильно определены и рассмотрены.
Регуляторное соответствие: Проверить, что дизайн соответствует всем применимым нормам и стандартам
Уроки: Включите знания из смещенных скважин и предыдущих операций

Проверка и испытание материалов

Качество обсадного материала напрямую влияет на целостность:

API Сертификация: Убедитесь, что все корпуса соответствуют спецификациям API 5CT с надлежащими отчетами о испытаниях на мельнице
Механическая инспекция: Проверка внешнего диаметра, толщины стенок и длины измерений
Проверка потока: Проверка качества и размеров потока, особенно для премиальных соединений
Неразрушающее тестирование: Ультразвуковой или электромагнитный контроль для обнаружения производственных дефектов
Тестирование на жесткость: Проверка твердости материала для приложений с кислым сервисом

Установка контроля качества

Правильная установка имеет решающее значение для достижения проектных характеристик:

Процедуры запуска: Следуйте рекомендуемым методам обработки корпуса, крутящего момента макияжа и скорости бега
Связной макияж: Используйте калиброванные щипцы и надлежащие процедуры макияжа для достижения заданных значений крутящего момента
Мониторинг заполнения: Поддерживайте правильное заполнение корпуса, чтобы предотвратить обрушение во время работы
Качество цементирования: Обеспечение надлежащего размещения цемента и качества связи с помощью журналов оценки цемента
Испытание на давление: Проведение испытаний на давление для проверки целостности корпуса и соединения

Ошибки дизайна и как их избежать

Понимание распространенных ошибок помогает инженерам избежать дорогостоящих ошибок:

Неадекватный анализ нагрузки

Ошибка: Неспособность рассмотреть все возможные сценарии загрузки или использование нереалистичных предположений
Решение: Систематическая оценка всех операционных этапов и наихудших условий; проверка предположений на основе данных о компенсированной скважине

Игнорирование биаксимальных эффектов

Ошибка: Проектирование для разрыва, коллапса и напряжения независимо, без учета комбинированных эффектов нагрузки
Решение: Всегда выполняйте биаксиальный анализ в критических точках, где нагрузки приближаются к рейтингам корпуса

Недостаточные факторы дизайна

Ошибка: Использование чрезмерно агрессивных (низких) факторов проектирования для снижения затрат
Решение: Применять стандартные для отрасли факторы проектирования в качестве минимальных значений; увеличивать факторы для неопределенных условий или критических применений

Связь забыта

Ошибка: Сосредоточение внимания только на прочности корпуса трубы при пренебрежении пропускной способностью соединения
Решение: Всегда проверяйте, соответствуют ли соединения требованиям корпуса трубы или превышают их; рассмотрите премиальные соединения для критических применений

Коррозия недооценена

Ошибка: Недостаточная допустимая коррозия или ненадлежащий выбор материала для коррозионных сред
Решение: Тщательно характеризует жидкости для образования; применяет соответствующие допуски коррозии или использует CRA, когда это необходимо

Температурные эффекты игнорируются

Ошибка: Неспособность учесть температурное воздействие на свойства материала и тепловое расширение
Решение: Применять температурные дерирующие факторы; анализировать тепловые нагрузки для скважин HPHT и операций стимуляции

Отраслевые стандарты и ссылки

Дизайн корпуса должен соответствовать признанным отраслевым стандартам и передовой практике:

Стандарты API

API 5C3, «Вычисление эксплуатационных свойств трубопровода, используемого в нефтяной и газовой промышленности», предоставляет методы расчета эксплуатационных свойств (взрыв, коллапс и осевое натяжение) корпуса и трубки, а API TR 5C3 (Технический отчет) и API RP 5C1 (Рекомендуемая практика) предлагают руководство по проектным соображениям, а иногда API 5CT также ссылается на спецификации материалов и соединения.

Ключевые стандарты API включают:

API 5CT: Спецификация для обшивки и трубчатых материалов, размеры и требования к испытаниям
API 5C3: Формулы и расчеты для характеристик корпуса
API RP 5C1: Рекомендуемая практика ухода и использования корпуса и трубки
API TR 5C3: Технический отчет по уравнениям и расчетам для конструкции корпуса
API Spec 5B: Проверка ниток, измерительные приборы и нити корпуса и трубки

Дополнительные стандарты и руководящие принципы

NACE MR0175/ISO 15156: Материалы для использования в H2S-содержащих средах при добыче нефти и газа
ISO 10400: Нефтяная и газовая промышленность — уравнения и расчеты для конструкции корпуса
SPE Публикации: Технические документы и монографии Общества инженеров-нефтяников по конструкции корпуса
Стандарты операторов: многие операторы имеют внутренние стандарты, которые могут быть более строгими, чем требования API.

Пример: дизайн облицовки поверхности

Чтобы проиллюстрировать процесс проектирования, рассмотрим упрощенный пример конструкции корпуса поверхности:

Хорошие параметры

Глубина поверхности корпуса: 3000 футов
Размер отверстия: 17-1/2 дюйма
Размер обсадки: 13-3/8 дюймов
Максимальный вес грязи: 12,0 ppg
Давление пор образования в обуви: 0,52 пси/фут (10,8 ppg эквивалент)
Градиент перелома в обуви: 0,78 пси/фут (эквивалент 16,2 ppg)
Гадость: 0,10 пси/фут

Расчет нагрузки Burst Load

Худший случай: заполненный газом корпус с давлением образования в обуви

Внутреннее давление на поверхности: давление образования - Газовая колонка = (0,52 × 3000) - (0,10 × 3000) = 1,560 - 300 = 1260 фунтов на квадратный дюйм
Наружное давление на поверхности: 0 пси (консервативное предположение)
Нагрузка на поверхность: 1260 фунтов на квадратный дюйм
Давление разрыва конструкции: 1,260 × 1,1 (коэффициент проектирования) = 1386 psi

Расчет нагрузки Collapse Load

Худший случай: Пустой корпус с цементом и грязью снаружи

Внешнее давление при 3000 футов: цемент (16,0 ppg) от 3000 до 500 футов + грязь (12,0 ppg) от 500 футов до поверхности
Наружное давление = (16,0 × 0,052 × 2500) + (12,0 × 0,052 × 500) = 2,080 + 312 = 2,392 пси
Внутреннее давление: 0 psi (пустая оболочка)
Коллапсная нагрузка: 2392 psi
Конструктивное давление коллапса: 2 392 × 1,125 = 2 691 пси

Расчет нагрузки напряжённости

Худший случай: гильза, подвешенная в воздухе (без плавучести) с перенасыщением

Предполагают 68 фунтов/фут корпусной массы
Приостановленный вес: 68 × 3000 = 204 000 фунтов
Пособие на перегрузку: 100 000 фунтов стерлингов
Общее напряжение: 304 000 фунтов
Напряжение конструкции: 304 000 × 1,6 = 486 400 фунтов / фунтов

Выбор кассы

На основании этих требований выберите корпус 13-3/8 дюйма, 68 фунтов/фут, корпус N-80 с соответствующими соединениями.

Рейтинг Burst превысил 1386 psi
Рейтинг коллапса превышает 2 691 пси
Прочность на растяжение превышает 486 400 фунтов
Прочность соединения соответствует требованиям напряжения

Этот упрощенный пример демонстрирует основной процесс. Фактические проекты требуют более детального анализа, включая двуосные эффекты, несколько нагрузочных кейсов и оптимизацию затрат.

Будущие тенденции в дизайне кастинга

Дизайн корпуса продолжает развиваться с развитием технологий и меняющимися потребностями отрасли:

Передовые материалы

Высокопроизводительные сплавы: Разработка новых марок стали и коррозионностойких сплавов с улучшенным соотношением прочности к весу
Композитные материалы: Исследования композитных материалов с армированными волокнами для конкретных применений
Технологии покрытия: Передовые внутренние и внешние покрытия для защиты от коррозии и уменьшения трения

Цифровые технологии

Мониторинг в реальном времени: Волоконно-оптические датчики и системы мониторинга скважин для непрерывной оценки целостности корпуса
Машинное обучение: ИИ-оптимизация дизайна корпуса с использованием исторических данных и прогнозной аналитики
Цифровые двойники: Виртуальные модели скважин для моделирования и оптимизации на протяжении всего жизненного цикла скважины

Соображения в отношении устойчивости

Материальная эффективность: Оптимизированные конструкции, которые минимизируют использование материалов при сохранении безопасности
Переработка: Рассмотрение вопроса о ликвидации и переработке оболочек с истекшим сроком службы
Углеродный след: Оценка выбросов в производстве и транспортировке при выборе материалов

Заключение

Расчет нагрузок на корпус и выбор соответствующего корпуса являются фундаментальными навыками для инженеров-проектировщиков скважин. Хорошие знания по расчету напряжения очень важны при проектировании корпуса, и во время проектирования корпуса необходимо идентифицировать и тщательно обрабатывать различные режимы выхода из строя корпуса, чтобы выбранный корпус в сегменте скважины мог выдерживать все режимы отказа.

Это всеобъемлющее руководство охватывает основные этапы проектирования корпуса, от первоначального сбора данных до расчетов нагрузки, применения фактора проектирования и окончательного выбора корпуса.Успех требует систематического анализа, глубокого понимания механизмов нагрузки, надлежащего применения отраслевых стандартов и тщательного внимания к особым соображениям, таким как коррозия, температурные эффекты и комбинированная нагрузка.

В целом, каждая нитка корпуса предназначена для того, чтобы выдерживать самые суровые условия нагрузки, ожидаемые во время размещения корпуса и срока службы скважины, а условия загрузки, которые всегда считаются, - это разрыв корпуса, обрушение корпуса и напряжение корпуса.Следуя пошаговым процедурам, изложенным в этом руководстве, и применяя обоснованное инженерное суждение, дизайнеры могут разрабатывать программы корпуса, которые обеспечивают целостность скважины, эксплуатационную безопасность и экономическую эффективность на протяжении всего срока службы скважины.

Помните, что дизайн корпуса является одновременно наукой и искусством. В то время как расчеты и стандарты обеспечивают техническую основу, опыт, суждения и уроки, извлеченные из предыдущих операций, одинаково важны. Непрерывное обучение, постоянное совершенствование в отрасли и обучение на обоих успехах и неудачах улучшит ваши возможности в качестве инженера-конструктора корпуса.

Для получения дополнительной информации о стандартах проектирования корпусов и передовой практике, проконсультируйтесь с Американским институтом нефти по адресу https://www.api.org и Обществом инженеров-нефтяников по адресу https://www.spe.org. Эти организации предоставляют доступ к техническим стандартам, рекомендуемым практикам, учебным курсам и обширным библиотекам технических документов, которые могут углубить ваше понимание принципов и приложений проектирования корпусов.