Расчет насосно-компрессорных труб

Задача 1

    Рассчитать, спроектировать и вычертить фланцевое соединение для трубной головки с проходным диаметром D_в и установкой уплотнительного кольца с односторонним касанием при следующих параметрах скважины: давление на устье р, МПа, пластовая жидкость состоит из смеси жидкости и газа и содержит сероводород; температура пластовой жидкости на устье 38°С. Материал фланца, шпилек, прокладки подобрать самостоятельно с объяснением данного выбора.

 

Варианты заданий к первой

задаче по теме «Расчет фланцевого соединения»

 

Вариант

Проходной диаметр D_в, мм

Давление на устье р, МПа

Мизг, Н×м

a₁, град

 

 

 

    Насосно-компрессорные трубы (НКТ) применяются практически при всех способах добычи нефти и газа и являются одним из ответственных элементов в конструкции добывающей скважины. Колонна, свинченная из НКТ, представляет собой подземный трубопровод, от надежности работы которого зависит успешная разработка нефтегазового месторождения. Колонна НКТ выполняет следующие важные функции:

    1) обеспечивает подачу извлекаемых из продуктивных пластов нефти, газа или газоконденсата на наружную поверхность;

    2) обеспечивает закачку в пласт жидкостей для выполнения различных технологических операций (гидроразрыв, паровоздействие, гидропескоструйная перфорация, промывка скважины и т.д.);

    3) служит для подвески скважинных, гидропоршневых и погружных электронасосов, а также токопроводов [1, 2].

    Конструкция колонн НКТ, т.е. диаметр труб и длина колонны, зависит от назначения, способа и режима эксплуатации скважины, прочности труб и конструкции обсадной эксплуатационной колонны.

Многообразие факторов, влияющих на работу колонны НКТ, и различ­ные виды работ, проводимые в скважине, обусловливают характер действующих нагрузок на насосно-компрессорные трубы.

На колонны НКТ действуют как статические, так и переменные нагрузки. Основная статическая нагрузка — это собственный вес колонны.

Колонны НКТ испытывают также сжимающие напряжения, которые зависят от гидростатического давления жидкости в скважине, передающегося на торец колонны труб. Следовательно, в подвешенном состоянии колонна будет иметь нейтральное сечение, в котором отсутствуют напряжения.

Внутреннее давление обусловлено в основном воздействием пластового давления. Наибольшее внутреннее давление в НКТ возникает в газовых скважинах при закрытом устье, при опрессовке колонн, глушении скважин. Если проводится гидравлический разрыв пласта, то колонна подвергается значительному давлению [1].

Равенство плотностей жидкости снаружи и внутри колонны устраняет избыточное давление. Если плотность за колонной (при наличии пакера) выше плотности жидкости в колонне, то наибольшее избыточное внутреннее давление флюида будет у устья. Иногда повышением давления за колонной можно уменьшить влияние внутреннего давления. Цементирование под давлением, опрессовка обсадных колонн с помощью НКТ также приводит к увеличению внутреннего давления за колонной.

Спуск колонны НКТ в наклонную скважину сопровождается появлением дополнительных растягивающих и сжимающих нагрузок, связанных  с силами трения колонны о стенки скважины.

Величина сил трения зависит от искривления скважины и коэффициента трения с обсадной колонной. В искривленных скважинах возникает изгибающее напряжение, величина которого зависит от зенитного угла и азимута скважины. Пространственное искривление скважины иногда приводит к дополнительному осевому усилию при спуске или подъеме колонны НКТ.

Искривление скважин в значительной степени влияет на износ труб, особенно в местах их соединений. Несоосность резьбовых соединений также сильно влияет на износ ниппельных концов труб, образующийся при возвратно-поступательном движении штанг в трубах. На участках искривления в резьбовом соединении образуется изгибающее напряжение, понижающее его прочность, напряжения эти зависят от интенсивности и растут с увеличением диаметра [1].

В процессе освоения скважины, когда буровой раствор заменяют на воду, давление на колонну НКТ изменяется и кроме осевых нагрузок на трубы будет передаваться гидростатическое давление в радиальном направлении.

При замене жидкости в скважине нарушается равновесие, имевшее место к моменту спуска обсадных колонн, и, cледовательно, изменяются действующие на колонну нагрузки.

Фонтанный способ эксплуатации характерен наличием внутреннего давления движущегося флюида. Если колонна спускается с гидравлическим пакером, то в момент установки пакера на колонну будет действовать дополнительная осевая растягивающая сила, обусловленная внутренним устьевым давлением, необходимым для раскрытия пакера. Если колонна спускается с механическим пакером, то установка пакера связана с передачей сжимающей нагрузки на нижнюю часть колонны.

Сжимающая нагрузка может превысить критическую и тогда нижний участок колонны потеряет устойчивость, на которую влияют также внутреннее устьевое давление и скорость движения флюида в колонне.

При компрессорном способе эксплуатации колонна НКТ подвергается как наружному, так и внутреннему давлению флюида в зависимости от конструкции. В этом случае необходимо учитывать действие осевой растягивающей и радиальной сжимающей нагрузок.

Насосный способ эксплуатации характеризуется передачей колонне НКТ значительного внутреннего давления от столба жидкости в колонне. При ходе плунжера насоса вверх и вниз растягивающая нагрузка на колонну изменяется в результате изменения веса жидкости. Поэтому на колонну НКТ будет передаваться как статическая нагрузка от собственного веса, так и переменная нагрузка, обусловленная влиянием столба жидкости.

Движение насосных штанг создает трения о внутреннюю поверхность колонны. Направление сил трения изменяется при движении штанг, что также приводит к переменной нагрузке на колонну.

Применение различных методов интенсификации добычи нефти и газа связано с воздействием на колонну осевых нагрузок от собственного веса колонны и внутреннего давления, радиальных нагрузок, температурных напряжений и других.

Искривление колонны НКТ в нижней ее части, обусловленное потерей устойчивости, может наблюдаться при различных способах эксплуатации.

В зависимости от величины внутреннего давления и скорости движения флюида, являющихся основными причинами нарушения устойчивости, длина участка колонны, на котором произойдет нарушение прямолинейной формы равновесия, будет изменяться.

Насосный способ эксплуатации будет характеризоваться периодическим нарушением равновесия с частотой, равной числу качаний балансира станка-качалки.

Движение жидкости по колонне труб при определенной скорости может привести к изменению режима движения и колебаниям колонны. В этом случае нижний участок колонны будет представлять собой автоколебательную систему.

Температурные напряжения возникают в колонне как при нагреве, так и при ее охлаждении. Если нижний конец колонны закреплен (например, при установке пакера), то нагрев колонны приведет к сжимающим напряжениям и возможному искривлению ее в результате потери устойчивости. Охлаждение колонны будет наблюдаться в основном при закачке в скважину жидкости преимущественно в зимнее время.

Искривление колонн способствует нарушению герметичности резьбовых соединений, так как конструкция гладких насосно-компрессорных труб рассчитана в основном на передачу осевых нагрузок и в меньшей степени на восприятие изгибающих моментов, при высоких давлениях рекомендуется применять трубы НКМ и НКБ [1, 2].