Устьевое оборудование и спуск обсадных колонн

Кратко о главном

Колонная обвязка — стопка фланцевых узлов: нижняя колонная головка на кондукторе, по головке-катушке на каждую следующую колонну, трубная головка и фонтанная арматура. Каждая колонна висит на подвеске в гнезде своей головки, межколонное пространство закрыто уплотнением и доступно через боковые отводы.
Муфтовую (резьбовую) подвеску навинчивают на верхнюю трубу, и колонну надо точно подогнать по длине; клиновую сажают на трубу в любом месте — колонну можно подвесить на любой глубине и с нужной натяжкой.
Класс давления (2000…20 000 psi, по ГОСТ 30196 — 14…140 МПа) выбирают по наибольшему ожидаемому давлению на устье. Катушка с уплотнением на колонне может иметь верхний фланец на ступень выше нижнего — так переходят на более высокий класс.
Резьбу свинчивают с контролем: трапецеидальную — по положению торца муфты относительно знака-треугольника, треугольную — по моменту, премиальные соединения — по диаграмме «момент — обороты» с упором торцов.
Колонну с обратным клапаном доливают. Иначе она всплывает (в примере урока незаполненная колонна весит на крюке около четверти полного веса), а при отказе клапана уровень в затрубье проваливается и давление на пласты падает.
При спуске колонна вытесняет раствор через узкое затрубье, и давление на стенки растёт сильнее, чем при спуске бурильных труб. Скорость спуска и долив выбирают так, чтобы оставаться в окне между поровым давлением и давлением поглощения.

Ключевые соотношения

w = g\left[m\left(1 - \dfrac{\rho_{\text{н}}}{\rho_{\text{ст}}}\right) + (\rho_{\text{в}} - \rho_{\text{н}})\,A_{\text{в}}\right]

вес метра колонны, когда внутри и снаружи разные жидкости (пустая колонна — $\rho_{\text{в}} = 0$ )

y = L_{\text{п}}\,\dfrac{A_{\text{в}}}{A_{\text{в}} + A_{\text{з}}}

на сколько опустится уровень в затрубье, если откажет обратный клапан колонны с незаполненной верхней частью длиной $L_{\text{п}}$

v_{\text{з}} = v_{\text{тр}}\left(\dfrac{d^2}{D^2 - d^2} + K_c\right)

скорость раствора в затрубье при спуске колонны с закрытым низом

p_{\text{у}} = p_{\text{баш}} - 0{,}00981\,\rho_{\text{г}}\,h_{\text{баш}}

наибольшее ожидаемое давление на устье закрытой скважины, заполненной газом (МПа, г/см³, м)

Где чаще всего ошибаются

Выбирать класс нижней колонной головки только по давлению следующего интервала: катушка над ней обычно поднимает класс лишь на одну ступень.
Снимать предохранительные колпаки и смазывать резьбу заранее, на мостках: в смазку попадает грязь.
Считать, что раз обратный клапан держит, долив можно отложить до конца спуска.
Спускать колонну с той же скоростью, что бурильные трубы: при одинаковой скорости колебания давления у колонны в несколько раз больше.
Испытывать уплотнения на устье давлением, равным классу фланца, не сравнив его со сминающим давлением колонны.

После урока вы сможете

описать колонную обвязку устья — нижнюю колонную головку, головки-катушки, подвески, уплотнения, боковые отводы — и объяснить, как она держит вес колонн, разобщает межколонные пространства и служит основанием для превенторов;
выбрать класс давления колонных головок по наибольшему ожидаемому давлению на устье, объяснить переход на более высокий класс через уплотнение на колонне и назвать давления заводских и промысловых испытаний;
перечислить подготовку к спуску и оборудование буровой для обсадных труб: шаблонирование, меру колонны, элеваторы, спайдер, ключи, устройства долива;
объяснить, как контролируют свинчивание соединений — по положению муфты, по моменту, по диаграмме «момент — обороты», — и зачем нужна резьбовая смазка;
рассчитать долив и вес колонны на крюке с учётом плавучести и разных жидкостей внутри и снаружи, оценить колебания давления при спуске и выбрать порядок долива и скорость спуска;
описать посадку колонны, обрезку, установку следующей головки-катушки и испытания уплотнений.

Колонная обвязка устья: из чего она состоит

На устье скважины на суше или на морской платформе стоит колонная обвязка — стопка стальных фланцевых узлов, которую собирают снизу вверх по мере спуска обсадных колонн. Её задачи:

держать вес каждой колонны — сотни тонн — и передавать его на кондуктор и направление, а через них на цементное кольцо и породу;
закрывать пространство между соседними колоннами (межколонное пространство) и давать к нему доступ через боковые отводы с задвижками: по ним следят за давлением, при необходимости закачивают или стравливают жидкость;
служить основанием для противовыбросового оборудования (ПВО) при бурении следующего интервала (Противовыбросовое оборудование), а после заканчивания — для трубной головки и фонтанной арматуры;
держать давление закрытой скважины наравне с колонной: оболочка выдерживает столько, сколько её самое слабое звено.

Нижняя колонная головка (casing head, casing head housing): однофланцевая: внизу её наворачивают на резьбу кондуктора или надевают на трубу и приваривают, вверху — фланец для превенторов. Внутри — посадочное гнездо (bowl) с конической поверхностью для подвески следующей колонны, сбоку — отводы.
Головка-катушка (casing spool): двухфланцевая колонная головка: нижним фланцем её ставят на предыдущую головку, на верхний — превенторы следующего интервала. В нижнем фланце — уплотнение на трубе предыдущей колонны, внутри — гнездо для подвески следующей. Катушек столько, сколько колонн висит в обвязке над кондуктором.
Трубная головка (tubing head): последняя катушка: в ней на подвеске НКТ висят насосно-компрессорные трубы, на неё ставят фонтанную арматуру. Это уже оборудование заканчивания (лифтовая колонна).

СхемаКолонная обвязка скважины урока после спуска колонны 244,5 мм. Нижняя колонная головка стоит на кондукторе 339,7 мм; колонна 244,5 мм висит в её гнезде на клиновой подвеске с уплотнением; над ней — переходная катушка с вторичным уплотнением на обрезанном конце колонны и контрольным отверстием между уплотнениями; сверху на катушку ставят превенторы для бурения следующего интервала. Схема не в масштабе.

Фланцы соединяют шпильками и уплотняют стальными кольцевыми прокладками (ring gaskets; по ГОСТ 28919 — восьмигранного сечения): прокладка лежит в канавках обоих фланцев и обжимается при затяжке шпилек, а у прокладок для высоких давлений давление в скважине ещё и прижимает её к стенкам канавок. Размер фланца задаёт условный проход: в дюймовом ряду 7 1/16, 9, 11, 13⅝, 16¾, 21¼″…, в ГОСТ 30196 — 180, 230, 280, 350, 425, 540 мм…; класс давления задаёт толщину фланца, число и диаметр шпилек. Проход каждой головки должен быть больше диаметра шаблона колонны под ней, иначе долото следующего интервала не пройдёт.

Пока сквозь головку бурят, её гнездо закрывают защитной втулкой (wear bushing): замки бурильной колонны и долото не царапают коническую поверхность, на которую потом сядет подвеска. Перед спуском следующей колонны втулку извлекают.

Обвязка из отдельных катушек проста и гибка — под любую новую колонну можно поставить свою катушку. Но для каждой катушки превенторы приходится снимать и собирать заново, а каждое фланцевое соединение — ещё одно место утечки. Поэтому распространены и компактные (моноблочные) колонные головки (multibowl, speed head): один корпус с несколькими гнёздами принимает две-три колонны и подвеску НКТ, а подвески опускают сквозь превенторы, не снимая их. Это экономит часы буровой и высоту под ротором, но конструкция скважины должна быть известна заранее: колонну незапланированного размера в такую головку не повесить. Под водой устье устроено иначе — с подводной устьевой головкой на дне (Морское и подводное бурение).

Подвески и уплотнения

Колонну, спущенную до проектной глубины, подвешивают в гнезде колонной головки на подвеске (casing hanger). Подвеска передаёт вес колонны на коническую посадочную поверхность гнезда, а уплотнение в ней или над ней (pack-off) закрывает межколонное пространство.

Два вида подвесок обсадных колонн

Подвеска: Муфтовая, или резьбовая (mandrel hanger)
Как устроена: толстостенный патрубок с наружным посадочным конусом навинчивают на верхнюю трубу; он садится в гнездо вместе с колонной, уплотнения — на его корпусе
Когда применяют: колонна свободно доходит до проектной глубины; компактные головки, где подвеску опускают сквозь превенторы

Подвеска: Клиновая (slip hanger)
Как устроена: разъёмный корпус с клиньями обхватывает трубу и опускается в гнездо; под весом колонны клинья врезаются в трубу; уплотнение поджимается весом или болтами
Когда применяют: колонна не дошла до забоя или её нужно подвесить с натяжкой; после цементирования, когда колонну уже не двигают

Подвеска	Как устроена	Когда применяют
Муфтовая, или резьбовая (mandrel hanger)	толстостенный патрубок с наружным посадочным конусом навинчивают на верхнюю трубу; он садится в гнездо вместе с колонной, уплотнения — на его корпусе	колонна свободно доходит до проектной глубины; компактные головки, где подвеску опускают сквозь превенторы
Клиновая (slip hanger)	разъёмный корпус с клиньями обхватывает трубу и опускается в гнездо; под весом колонны клинья врезаются в трубу; уплотнение поджимается весом или болтами	колонна не дошла до забоя или её нужно подвесить с натяжкой; после цементирования, когда колонну уже не двигают

В шифре колонной головки по ГОСТ 30196 вид подвески (трубодержателя) обозначен буквой: К — клиньевой, Р — резьбовой.

СхемаМуфтовая и клиновая подвески в гнезде колонной головки (половины разреза). Муфтовая навинчена на верхнюю трубу и садится конусом на конус гнезда; клиновая охватывает трубу, клинья скользят по конусу гнезда и врезаются в трубу под её весом. Схема не в масштабе.

Муфтовая подвеска требует подгонки колонны (spacing out): башмак должен встать на нужную глубину ровно тогда, когда подвеска сядет в гнездо. Длину набирают по мере колонны — списку труб с замеренными длинами — и последнюю поправку делают короткими патрубками (элементы колонны). Если колонна остановится на уступе выше проекта, муфтовую подвеску не посадить, поэтому на такой случай держат наготове клиновую.

Уплотнений на устье два. Первичное — уплотнение подвески (pack-off; в отечественной оснастке — пакер колонной головки) — закрывает межколонное пространство под ней. Вторичное стоит в нижнем фланце следующей катушки: оно охватывает обрезанный конец колонны и отделяет внутренность катушки — а значит, давление скважины при бурении следующего интервала — от фланцевого соединения ниже. Между уплотнениями остаётся полость с контрольным отверстием (test port): через него опрессовывают фланцевое соединение и оба уплотнения, не нагружая ни колонну изнутри, ни породу.

Вторичное уплотнение позволяет поднять класс давления. Давление скважины действует внутри катушки только на площадь, ограниченную уплотнением на колонне, — она намного меньше площади кольцевой прокладки нижнего фланца, и нижнее соединение остаётся в пределах своего класса. Поэтому переходная катушка (cross-over spool) может иметь верхний фланец выше классом, чем нижний, — обычно на одну ступень: например, 35 МПа внизу и 70 МПа вверху. По ГОСТ 30196 такую головку обозначают, например, ГК2К-350×35-280×70: двухфланцевая, с клиньевой подвеской, нижний фланец — условный проход 350 мм на 35 МПа, верхний — 280 мм на 70 МПа. Однофланцевую нижнюю головку обозначают ГК1К с диаметром колонны, на которую её ставят, и диаметром подвешиваемой колонны.

Давление в устьевом оборудовании

Урок объясняет устройство и расчёт и не заменяет инструкций. Работы с давлением на устье — опрессовки уплотнений и фланцев, стравливание межколонных пространств, разборку соединений — выполняют по утверждённым программам, правилам безопасности и инструкциям изготовителя оборудования.
Давление может оставаться запертым между уплотнениями, под пробками и в отводах. Прежде чем ослаблять шпильки или открывать полость, его стравливают и убеждаются, что его нет; во время опрессовки люди находятся вне опасной зоны, а оборудование испытывают только давлением, допустимым для самого слабого его элемента.

Класс давления и испытания

Класс давления (rated working pressure) колонной головки выбирают так же, как рабочее давление превенторов (рабочее давление ПВО): по наибольшему ожидаемому давлению на устье при бурении интервала, который будут бурить с превенторами на этой головке. Расчётный случай — закрытая скважина, заполненная газом; давление у башмака при этом не может превысить давление гидроразрыва пород под ним (тот же случай для колонны).

Классы давления устьевого оборудования

Класс, psi: 2000
МПа: 13,8
Ряд ГОСТ, МПа: 14
Испытание корпуса, psi: 4000

Класс, psi: 3000
МПа: 20,7
Ряд ГОСТ, МПа: 21
Испытание корпуса, psi: 6000

Класс, psi: 5000
МПа: 34,5
Ряд ГОСТ, МПа: 35
Испытание корпуса, psi: 7500

Класс, psi: 10 000
МПа: 68,9
Ряд ГОСТ, МПа: 70
Испытание корпуса, psi: 15 000

Класс, psi: 15 000
МПа: 103,4
Ряд ГОСТ, МПа: 105
Испытание корпуса, psi: 22 500

Класс, psi: 20 000
МПа: 137,9
Ряд ГОСТ, МПа: 140
Испытание корпуса, psi: 30 000

Класс, psi	МПа	Ряд ГОСТ, МПа	Испытание корпуса, psi
2000	13,8	14	4000
3000	20,7	21	6000
5000	34,5	35	7500
10 000	68,9	70	15 000
15 000	103,4	105	22 500
20 000	137,9	140	30 000

Классы и заводские давления испытания корпуса водой — по стандарту API Spec 6A (ISO 10423) для фланцев с проходом до 13⅝″ (346 мм); у фланцев 16¾″ (425 мм) и больше при 2000 и 3000 psi испытание — в полтора раза выше рабочего давления (3000 и 4500 psi). Метрический ряд — ГОСТ 30196 «Головки колонные» (его принимал, в том числе, Казахстан); испытательное давление в нём тоже вдвое или в полтора раза выше рабочего — в зависимости от класса и прохода. 1 МПа = 145,04 psi.

Заводское испытание проверяет прочность корпуса. На буровой после установки каждого узла испытывают соединения и уплотнения — давлением не выше класса узла и не выше того, что выдержит колонна: давление в полости между уплотнениями действует на трубу снаружи, и её сминающее давление (паспортные характеристики) ограничивает испытание. Превенторы на новой катушке опрессовывают с опрессовочной пробкой, посаженной в её гнездо (проверки и опрессовка ПВО).

Расчётный примерКлассы давления устья скважины урока

Исходные данные (условные)

Кондуктор: 339,7 × 12,19 мм до 700 м; давление поглощения под башмаком по испытанию — 1,50 г/см³
Интервал под колонну 244,5 мм: ствол 311,1 мм до 2605 м; поровое давление нормальное, 1,05 г/см³
Интервал ниже колонны 244,5 мм: ствол 215,9 мм до 4000 м; наибольшее ожидаемое давление на устье — 41,93 МПа (пример расчёта колонны)
Газ; запас на давление гидроразрыва: 0,20 г/см³; +0,06 г/см³, как в расчёте колонны на разрыв

Решение

Бурение под колонну 244,5 мм, превенторы на нижней колонной головке. Пластовое давление на 2605 м: $0{,}00981\cdot 1{,}05\cdot 2605 = 26{,}83$ МПа; под столбом газа до башмака кондуктора было бы $26{,}83 - 0{,}00981\cdot 0{,}20\cdot 1905 = 26{,}83 - 3{,}74 = 23{,}09$ МПа.
Порода под башмаком выдержит не больше $0{,}00981\cdot(1{,}50 + 0{,}06)\cdot 700 = 10{,}71$ МПа — меньше, значит, давление у башмака ограничено гидроразрывом. На устье: $10{,}71 - 0{,}00981\cdot 0{,}20\cdot 700 = 10{,}71 - 1{,}37 = 9{,}34$ МПа — хватило бы класса 2000 psi (13,8 МПа).
Бурение ниже колонны 244,5 мм, превенторы на катушке: 41,93 МПа больше 5000 psi (34,5 МПа) — нужен класс 10 000 psi, 70 МПа.
Верхний фланец катушки — 70 МПа. Через уплотнение на колонне катушка обычно поднимает класс лишь на одну ступень, значит, её нижний фланец — не ниже 35 МПа, и таким же должен быть верхний фланец нижней колонной головки, хотя для бурения под колонну 244,5 мм хватило бы 14 МПа.
Заводское испытание корпуса: головки на 5000 psi — 7500 psi, то есть 51,7 МПа; катушки на 10 000 psi — 15 000 psi, 103,4 МПа (её нижнюю часть, под вторичным уплотнением, испытывают давлением для нижнего фланца).

Ответ: Нижняя колонная головка — на 35 МПа (по ГОСТ 30196 — ГК1К-340-350×35-245), над ней переходная катушка 35/70 МПа (ГК2К-350×35-280×70); превенторы для бурения ниже колонны 244,5 мм — на 70 МПа.

Что это значит. Класс нижней головки задала не её собственная работа, а то, что встанет над ней: с 14 сразу на 70 МПа одна катушка обычно не переходит. Поэтому устье выбирают для всей скважины сразу, начиная с последней колонны, — так же, как диаметры колонн. Будь давление при бурении под колонну 244,5 мм больше 35 МПа, нижнюю головку пришлось бы брать на 70 МПа. Заводское испытание проверяет только корпус; соединения и уплотнения на буровой испытывают отдельно и меньшим давлением (пример в разделе о посадке колонны). Данные примера условные.

Подготовка к спуску и оборудование буровой

Колонну готовят задолго до спуска. Трубы, оснастку и оборудование завозят по программе, где для каждой секции указаны толщина стенки, группа прочности и тип соединения (секции колонны). Труба другой толщины или группы прочности, оказавшаяся не на своём месте, — слабое звено, которое потом трудно найти.

Перед спуском

1
Приёмка и укладка
Трубы осматривают, сверяют маркировку и укладывают на стеллажи в порядке спуска, секция за секцией.
2
Шаблонирование и мера
Каждую трубу проверяют шаблоном (шаблон), замеряют её длину без резьбы, уходящей в муфту, нумеруют и записывают в меру колонны; по мере подбирают трубы так, чтобы башмак встал на нужную глубину.
3
Резьба
С ниппелей и муфт снимают предохранительные колпаки, резьбу очищают и осматривают, трубы с повреждённой резьбой откладывают. Колпаки возвращают на место и снимают уже у устья, перед самым свинчиванием.
4
Ствол и раствор
Ствол прорабатывают и проверяют контрольным рейсом, раствор промывают и обрабатывают: снижают динамическое и статическое напряжения сдвига, чтобы колонна шла свободно, а давление при её спуске и при восстановлении циркуляции было меньше (разрушение структуры).
5
Оснастка
На нижние трубы ставят башмак, обратный клапан, центраторы и стоп-кольца по программе цементирования (Первичное цементирование); резьбы нижних труб часто закрепляют специальным клеем, чтобы их не отвернуло при разбуривании оснастки.
6
Оборудование
Проверяют элеваторы, клинья, ключи с датчиками момента, устройство долива, переводники и цементировочную головку; из колонной головки извлекают защитную втулку и осматривают гнездо.

Оборудование для спуска обсадных труб

Оборудование: Элеватор для одиночной трубы (single-joint elevator)
Назначение: поднимает трубу с мостков к устью

Оборудование: Колонный элеватор — с боковой дверцей или клиновой
Назначение: держит колонну на талевой системе; клиновой охватывает тело трубы и подходит для безмуфтовых соединений

Оборудование: Спайдер — клиновой захват на столе ротора
Назначение: держит колонну, пока навинчивают следующую трубу; клинья длинные, чтобы не смять тонкую стенку

Оборудование: Гидравлический ключ с удерживающим (power tong, back-up)
Назначение: свинчивает соединение; датчики пишут момент и обороты

Оборудование: Устройство долива и промывки (fill-up tool)
Назначение: доливает колонну и позволяет промыть скважину, не теряя времени на сборку

Оборудование: Система спуска с верхним приводом (casing running tool)
Назначение: держит колонну приводом: её можно вращать, расхаживать и промывать прямо при спуске

Оборудование	Назначение
Элеватор для одиночной трубы (single-joint elevator)	поднимает трубу с мостков к устью
Колонный элеватор — с боковой дверцей или клиновой	держит колонну на талевой системе; клиновой охватывает тело трубы и подходит для безмуфтовых соединений
Спайдер — клиновой захват на столе ротора	держит колонну, пока навинчивают следующую трубу; клинья длинные, чтобы не смять тонкую стенку
Гидравлический ключ с удерживающим (power tong, back-up)	свинчивает соединение; датчики пишут момент и обороты
Устройство долива и промывки (fill-up tool)	доливает колонну и позволяет промыть скважину, не теряя времени на сборку
Система спуска с верхним приводом (casing running tool)	держит колонну приводом: её можно вращать, расхаживать и промывать прямо при спуске

Конструкция и названия конкретных систем у изготовителей свои; грузоподъёмность элеваторов и клиньев выбирают по весу колонны с запасом на затяжки.

Трубу наводят в муфту строго соосно — с подвесной площадки на высоте или манипулятором. Перекос при наживлении — одна из самых частых причин испорченной резьбы, и его трудно заметить, пока соединение не начнёт «закусывать».

Свинчивание: положение, момент, диаграмма

Соединение должно держать вес колонны и давление и не пропускать флюиды, и то и другое зависит от того, как его свинтили (резьбовые соединения). Перед свинчиванием на резьбу наносят резьбовую смазку (thread compound): она уменьшает трение и задиры, а в треугольной и трапецеидальной резьбе ещё и заполняет зазоры по винтовой линии, создавая герметичность. Свойства смазок проверяют по стандарту API RP 5A3 (ISO 13678); для премиальных соединений смазку и её количество задаёт изготовитель, а некоторые соединения выпускают с сухим покрытием, без смазки.

Соединение сначала наживляют на малой скорости, чтобы убедиться, что резьба зашла без перекоса, а затем докрепляют ключом. Что считать правильным свинчиванием, зависит от типа соединения:

Треугольная резьба (API round: STC и LTC — с короткой и удлинённой муфтой): по моменту: изготовитель или стандарт дают оптимальный момент с допустимыми пределами; положение торца муфты проверяют как дополнительный признак.
Трапецеидальная резьба (buttress; по ГОСТ 632 — ОТТМ): по положению: на ниппеле нанесён знак-треугольник, и торец муфты должен оказаться не дальше его вершины и не раньше чем за один оборот до основания — целятся в основание. Момент, при котором это получается на первых трубах, затем служит ориентиром для остальных.
Премиальные соединения с упорным торцом: по диаграмме «момент — обороты»: когда торцы сходятся, момент резко растёт (упор), и итоговый момент должен попасть в окно, заданное изготовителем.

СхемаДиаграмма «момент — обороты» при свинчивании премиального соединения с упорным торцом (схема): правильное свинчивание — плавный рост момента от натяга резьбы, упор торцов и итоговый момент в окне изготовителя; ранний рост момента — перекос или задир; диаграмма без упора — соединение не довёрнуто.

По диаграмме видно, что произошло с соединением. Плавный рост момента — натяг в резьбе; у премиальных соединений затем короткий участок, где сходятся уплотнительные поверхности «металл по металлу», и резкий подъём — упор торцов. Слишком ранний или неровный рост — резьба зашла с перекосом или задирается; итоговый момент без упора — соединение не довёрнуто; момент выше предела — риск пластической деформации. Такие соединения развинчивают и осматривают, а трубу при необходимости заменяют.

Долив, плавучесть и вес на крюке

Колонну спускают с обратным клапаном в башмаке или в муфте над ним (элементы колонны): он не даст тяжёлому тампонажному раствору вернуться в колонну после продавки. Но при спуске клапан не пускает в колонну и буровой раствор, и закрытая снизу колонна вытесняет из скважины весь свой наружный объём, как поплавок. Поэтому колонну доливают — через каждые несколько труб в неё сверху закачивают раствор. Другой путь — самозаполняющийся клапан (auto-fill float; в отечественной оснастке — обратный дроссельный клапан): при спуске он открыт, и раствор входит в колонну снизу, без перелива на устье; перед цементированием его переводят в рабочее положение — сбросом шара или подачей насоса выше заданной.

Недолив опасен трижды:

плавучесть — пустая внутри колонна весит в растворе намного меньше: её вес частично держит выталкивающая сила раствора, вытесненного всем её наружным объёмом. Индикатор веса показывает меньше ожидаемого — первый признак, что колонна не заполнена;
смятие — снаружи на пустую колонну давит весь столб раствора, и на большой глубине оно может превысить сминающее давление трубы (опорожнение колонны);
провал уровня — если клапан незаполненной колонны откажет (его заклинит шламом или повредит), раствор из затрубья хлынет внутрь, уровень в затрубье упадёт и давление на все пласты открытого ствола снизится. Это тот же эффект сообщающихся сосудов, что и при закачке тяжёлой пачки (сообщающиеся сосуды), только давление здесь уменьшается, и пласт может начать проявлять.

Вес метра колонны, когда внутри и снаружи разные жидкости

w = g\left[m\left(1 - \frac{\rho_{\text{н}}}{\rho_{\text{ст}}}\right) + (\rho_{\text{в}} - \rho_{\text{н}})\,A_{\text{в}}\right]

где:

$w$ эффективный вес метра колонны — вклад метра в то, что показывает индикатор веса, Н/м
$m$ погонная масса трубы с муфтами, кг/м
$\rho_{\text{н}},\ \rho_{\text{в}}$ плотность жидкости снаружи и внутри (пустая колонна — $\rho_{\text{в}} = 0$ ), кг/м³
$\rho_{\text{ст}}$ плотность стали, 7850 кг/м³, кг/м³
$A_{\text{в}}$ площадь внутреннего сечения трубы, м²
$g$ ускорение свободного падения, 9,81, м/с²

Единицы: СИ

Справедливо, если

вертикальная колонна, жидкости неподвижны; это та же формула, что в уроке о расчёте бурильной колонны (эффективная сила), где объём стали трубы с муфтами взят как $m/\rho_{\text{ст}}$ ;
при одинаковых жидкостях внутри и снаружи второе слагаемое исчезает, и получается $w = m\,g\,k_{\text{пл}}$ с коэффициентом плавучести $k_{\text{пл}} = 1 - \rho_m/\rho_{\text{ст}}$ ;
в наклонном стволе вес на крюке зависит ещё и от трения о стенки.

Первое слагаемое — вес трубы в наружной жидкости, второе — вес жидкости внутри сверх той, что снаружи. Незаполненная колонна 244,5 мм в растворе 1,09 г/см³ теряет около 0,41 кН на каждом метре — почти три четверти своего веса в растворе.

Понижение уровня в затрубье при отказе обратного клапана

y = L_{\text{п}}\,\frac{A_{\text{в}}}{A_{\text{в}} + A_{\text{з}}}, \qquad \Delta p = \rho_m\,g\,y

где:

$y$ понижение уровня в затрубье; до той же глубины поднимется уровень в колонне, м
$L_{\text{п}}$ длина незаполненной верхней части колонны, м
$A_{\text{в}},\ A_{\text{з}}$ площадь внутреннего сечения колонны и площадь затрубья у устья, м²
$\Delta p$ снижение давления на пласты открытого ствола, Па
$\rho_m$ плотность раствора, кг/м³

Единицы: СИ; в метрических единицах $\Delta p\,[\text{МПа}] = 0{,}00981\,\rho_m\,[\text{г/см}^3]\,y\,[\text{м}]$

Справедливо, если

раствор в колонне и в затрубье одной плотности, скважину в это время не доливают;
уровни выравниваются полностью; площади постоянны по длине незаполненной части и на глубину провала.

Раствор, ушедший из затрубья, заполняет колонну: $A_{\text{з}}\,y = A_{\text{в}}(L_{\text{п}} - y)$ . Чем больше внутреннее сечение колонны по сравнению с затрубьем, тем большую часть незаполненной длины «отдаёт» затрубье.

Расчётный примерЧерез сколько труб доливать колонну 244,5 мм

Исходные данные (условные)

Колонна: 244,5 мм по секциям урока о расчёте колонн; трубы по 12 м; в средней секции стенка 11,05 мм, внутренний диаметр 222,40 мм
Затрубье у устья: внутри кондуктора 339,7 × 12,19 мм (внутренний диаметр 315,32 мм)
Раствор; поровое давление на 2600 м: 1,09 г/см³; 1,05 г/см³ — ещё нормальное: здесь кровля зоны аномально высокого пластового давления (АВПД)
Условие программы: отказ клапана не должен отнимать больше половины репрессии

Решение

Площади: внутри колонны $\frac{\pi}{4}\cdot 0{,}2224^2 = 0{,}03885$ м², затрубье $\frac{\pi}{4}(0{,}31532^2 - 0{,}2445^2) = 0{,}03114$ м². Доля незаполненной длины, на которую упадёт уровень: $0{,}03885/(0{,}03885 + 0{,}03114) = 0{,}5551$ .
Репрессия на 2600 м: $0{,}00981\cdot(1{,}09 - 1{,}05)\cdot 2600 = 1{,}020$ МПа, половина — 0,510 МПа. Допустимое понижение уровня $y = 0{,}510/(0{,}00981\cdot 1{,}09) = 47{,}7$ м; незаполненная длина — не больше $47{,}7/0{,}5551 = 85{,}9$ м.
Доливать нужно не реже чем через 7 труб (84 м): при отказе клапана уровень упадёт на $84\cdot 0{,}5551 = 46{,}6$ м, давление — на $0{,}00981\cdot 1{,}09\cdot 46{,}6 = 0{,}498$ МПа.
Вес на крюке: каждая незаполненная труба вмещает $0{,}03885\cdot 12 = 0{,}466$ м³ раствора, и колонна весит на $0{,}466\cdot 1090\cdot 9{,}81 = 4983$ Н меньше; перед доливом недостаёт 34,9 кН.
Если не доливать совсем: с башмаком у забоя колонна весила бы на крюке 0,382 МН вместо 1,456 МН (26 %), а снаружи на её пустой низ давил бы столб раствора $0{,}00981\cdot 1{,}09\cdot 2600 = 27{,}8$ МПа при сминающем давлении нижних труб 32,8 МПа.

Ответ: Колонну доливают не реже чем через 7 труб; каждая незаполненная труба уменьшает вес на крюке примерно на 5,0 кН.

Что это значит. Смятие этой колонне не грозит — её рассчитывали на полное опорожнение (смятие), — и долив здесь нужен прежде всего для контроля скважины: незаполненная колонна с отказавшим клапаном отняла бы репрессию у пластов с нормальным давлением у кровли АВПД. Вес на крюке — главный прибор долива: каждые 12 м пустой колонны — около 5 кН. Если вес вдруг вырос без долива, значит, клапан пропустил раствор из затрубья: затрубье сразу доливают и следят за скважиной (спуско-подъёмные операции). Данные примера условные.

РасчётРасчётный вес колонны примера на крюке (без талевого блока) в зависимости от глубины башмака при спуске: колонна заполнена всё время; доливается через каждые 7 труб (пила: вес падает, пока трубы пустые, и восстанавливается при доливе); не доливается совсем.

Объёмы при спуске считают по доливной ёмкости. Каждая труба 12 м с закрытым низом вытесняет из скважины свой наружный объём — около 0,57 м³, — а при доливе в неё уходит 0,47 м³. С самозаполняющимся клапаном вытесняется лишь объём стали, около 0,1 м³ на трубу. Если фактические объёмы расходятся с расчётными, это признак поглощения или притока.

Скорость спуска и колебания давления

Опускаясь, колонна вытесняет раствор, и он должен уйти вверх по затрубью; трение в нём повышает давление на стенки открытого ствола. Как это считать, разобрано в уроке о потерях давления (спуск и подъём труб); там же — оценка, которой пользуются и здесь: скорость раствора в затрубье складывается из вытеснения объёма трубы и раствора, который труба увлекает за собой (коэффициент $K_c$ ), а потери считают по ламинарным формулам для щели. Для обсадной колонны эффект сильнее, чем для бурильных труб, по двум причинам: с закрытым низом она вытесняет весь свой наружный объём, а зазор между ней и стенкой узкий.

Расчётный примерКолебания давления при спуске колонны 244,5 мм

Исходные данные (условные)

Колонна и ствол: 244,5 мм с обратным клапаном, башмак у забоя (2600 м); затрубье до 700 м — внутри кондуктора (315,32 мм), ниже — ствол по кавернограмме 320 мм до 2100 м и 316 мм глубже
Раствор: 1,09 г/см³; при 100 и 3 об/мин вискозиметр показывает 12 и 3 деления: $n = 0{,}395$ , $K = 0{,}804$ Па·сⁿ (степенная модель)
Скорость спуска: в среднем около 20 труб в час (0,067 м/с), но каждую трубу опускают за несколько десятков секунд — наибольшая скорость около 0,5 м/с; $K_c = 0{,}45$
Запас до давления поглощения: под башмаком кондуктора $1{,}50 - 1{,}09 = 0{,}41$ г/см³; у забоя $1{,}784 - 1{,}09 = 0{,}69$ г/см³

Решение

Скорость раствора в стволе 320 мм: $\dfrac{244{,}5^2}{320^2 - 244{,}5^2} = 1{,}4026$ , $v = 0{,}5\cdot(1{,}4026 + 0{,}45) = 0{,}9263$ м/с. Внутри кондуктора — 0,9789 м/с, в стволе 316 мм — 0,9709 м/с.
Потери в стволе 320 мм: скорость сдвига у стенки $\dfrac{2n+1}{3n}\cdot\dfrac{12v}{D-d} = 1{,}5105\cdot\dfrac{12\cdot 0{,}9263}{0{,}0755} = 222{,}4$ с⁻¹; напряжение $\tau_w = 0{,}804\cdot 222{,}4^{0{,}395} = 6{,}80$ Па; градиент $4\cdot 6{,}80/0{,}0755 = 360{,}3$ Па/м. Так же внутри кондуктора — 402,8 Па/м, в стволе 316 мм — 396,1 Па/м; течение везде ламинарное.
Добавка давления у башмака: $402{,}8\cdot 700 + 360{,}3\cdot 1400 + 396{,}1\cdot 500 = 0{,}984$ МПа, в эквиваленте $0{,}984/(0{,}00981\cdot 2600) = 0{,}039$ г/см³. Под башмаком кондуктора — только потери выше него: $402{,}8\cdot 700 = 0{,}282$ МПа, 0,041 г/см³.
Бурильные трубы 127 мм с той же скоростью: отношение площадей 0,1870 вместо 1,4026, зазор в 2,6 раза шире — добавка у забоя 0,169 МПа (0,0066 г/см³), в $0{,}984/0{,}169 = 5{,}8$ раза меньше.
Восстановление циркуляции после спуска: раствор со статическим напряжением сдвига 4 Па после 10 мин покоя требует $4\cdot 4\cdot\left(\dfrac{700}{0{,}0708} + \dfrac{1400}{0{,}0755} + \dfrac{500}{0{,}0715}\right) = 0{,}57$ МПа — ещё 0,022 г/см³ у забоя.

Ответ: При 0,5 м/с давление у забоя растёт на 0,984 МПа (0,039 г/см³), под башмаком кондуктора — на 0,041 г/см³: запасы до давления поглощения в 10–18 раз больше.

Что это значит. В этой скважине окно широкое, и скорость спуска ограничивают не колебания давления, а время на свинчивание и долив, уступы в стволе и ударные нагрузки при резкой остановке (добавочные нагрузки). Пока потери в зазоре следуют ламинарной формуле, зависимость от скорости слабая: раствор с $n \approx 0{,}4$ почти как пластичное тело, и при 0,8 м/с добавка лишь на 20 % больше, чем при 0,5 м/с. Ламинарную границу число Рейнольдса в зазоре переходит уже около 0,7 м/с, но турбулентные потери обгоняют ламинарные только при скорости выше примерно 0,9 м/с — дальше добавка растёт круче: при 1,5 м/с она уже в 2,6 раза больше, чем при 0,5 м/с (рисунок ниже). Зато колонна с закрытым низом нагружает стенки в несколько раз сильнее бурильных труб: она вытесняет весь свой наружный объём через зазор, в 2,6 раза более узкий. В узком зазоре всё иначе: хвостовик 177,8 мм в стволе 215,9 мм при той же скорости даёт градиент около 1063 Па/м — почти втрое больше, — и если окно между поровым давлением и давлением поглощения узкое, скорость спуска рассчитывают обязательно. Данные примера условные.

РасчётРасчётная добавка давления у забоя (в эквиваленте плотности) в зависимости от скорости спуска: колонна 244,5 мм с закрытым низом; та же колонна с самозаполняющимся клапаном — нижняя оценка, когда весь вытесненный объём уходит внутрь колонны; бурильные трубы 127 мм. Запасы до давления поглощения в скважине урока (0,41 и 0,69 г/см³) лежат далеко за верхним краем графика.

Что меняется, если…

…зазор уже (хвостовик, ствол малого диаметра) — отношение $d^2/(D^2 - d^2)$ растёт, а градиент при той же скорости растёт ещё сильнее: щель тоньше;
…у раствора выше динамическое и статическое напряжения сдвига — растут и колебания давления, и давление восстановления циркуляции, поэтому раствор перед спуском обрабатывают;
…колонна спускается с самозаполняющимся клапаном — часть раствора уходит внутрь колонны, и колебания меньше (раздел для углублённого изучения);
…колонну останавливают резко — к трению добавляется кратковременный пик давления и ударная нагрузка на колонну.

Посадка колонны, обрезка и следующая катушка

Когда колонна дошла до проектной глубины, её промывают и цементируют (Первичное цементирование), а сажают в колонную головку одним из трёх способов:

посадить, затем цементировать — муфтовая подвеска садится в гнездо до цементирования, и колонна висит в ней во время работ;
цементировать на весу, затем посадить на клинья — колонна висит на элеваторе; после продавки клинья сажают с тем весом, который покажет индикатор, или — если нужно — после схватывания цемента колонну натягивают и сажают с дополнительной натяжкой, чтобы нагрев при бурении и добыче не сжал её незацементированную часть (после цементирования);
посадить с разгрузкой — колонну приспускают, оставляя часть веса на цементе; так делают редко, когда растяжение слишком снижает сопротивление смятию (двухосное нагружение).

Вес на крюке во время цементирования меняется: пока тяжёлый раствор в колонне, она тяжелеет, а когда он выходит в затрубье, жидкость тяжелее раствора подпирает колонну снаружи, и она становится легче, чем была до цементирования. Сложив поправки формулы веса по всей длине, получаем:

Вес колонны на крюке с жидкостями разной плотности

W = W_m - g\,A_{\text{н}}\sum_j (\rho_{\text{н}j} - \rho_m)\,h_j + g\,A_{\text{в}}\sum_k (\rho_{\text{в}k} - \rho_m)\,h_k

где:

$W$ вес колонны на крюке (без талевого блока и привода), Н
$W_m$ вес колонны в растворе — когда раствор внутри и снаружи, Н
$A_{\text{н}}$ наружная площадь, вытесняющая жидкость: $A_{\text{в}} + m/\rho_{\text{ст}}$ , с учётом стали муфт, м²
$\rho_{\text{н}j},\ h_j$ плотность и высота $j$ -го столба жидкости за колонной, кг/м³, м
$\rho_{\text{в}k},\ h_k$ плотность и высота $k$ -го столба внутри колонны, кг/м³, м
$\rho_m$ плотность бурового раствора, кг/м³

Единицы: СИ; удобно считать $\sum(\rho - \rho_m)h$ в г/см³·м и умножать на 1000

Справедливо, если

вертикальная колонна, жидкости неподвижны (при циркуляции к весу добавляется трение потока о трубу);
площади одинаковы по длине; у колонны из секций разной толщины $A_{\text{н}}$ почти не меняется, а $A_{\text{в}}$ берут для той секции, где стоит столб.

Каждый метр столба жидкости тяжелее раствора за колонной уменьшает вес на $g A_{\text{н}}(\rho - \rho_m)$ , а внутри колонны — увеличивает на $g A_{\text{в}}(\rho - \rho_m)$ .

Расчётный примерС каким весом сажать колонну и каким давлением испытывать уплотнения

Исходные данные (условные)

Колонна в растворе перед цементированием: вес на крюке 1456,2 кН (расчёт колонны на растяжение)
За колонной после продавки: раствор до 50,4 м, промывочная жидкость 1,00 г/см³ — 128,5 м, буферная 1,25 г/см³ — 321,1 м, головная порция 1,45 г/см³ — 1600 м, хвостовая 1,90 г/см³ — 500 м; внутри — раствор, в башмачном патрубке (24 м) — хвостовая порция
Площади: $A_{\text{в}}$ = 0,0382 м² (стенка 11,99 мм); $A_{\text{н}} = A_{\text{в}} + m/\rho_{\text{ст}}$ ≈ 0,0471 м²
Верхняя труба: 244,5 × 11,99 мм, N-80: прочность тела на растяжение 4,83 МН, сминающее давление 32,8 МПа
Испытание через контрольное отверстие: фланец под катушкой — 35 МПа; по программе давление на трубу снаружи — не больше 0,8 её сминающего давления

Решение

Снаружи колонну подпирают жидкости тяжелее раствора: $\sum(\rho_{\text{н}} - 1{,}09)\,h = -0{,}09\cdot 128{,}5 + 0{,}16\cdot 321{,}1 + 0{,}36\cdot 1600 + 0{,}81\cdot 500 = 1020{,}8$ г/см³·м.
Это уменьшает вес на $9{,}81\cdot 1000\cdot 0{,}0471\cdot 1020{,}8 = 471{,}7$ кН; хвостовая порция в башмачном патрубке добавляет $9{,}81\cdot 1000\cdot 0{,}0382\cdot 0{,}81\cdot 24 = 7{,}3$ кН.
Вес на крюке в конце продавки: $1456{,}2 - 471{,}7 + 7{,}3 = 991{,}8$ кН. С ним колонну и сажают на клинья: подвеска понесёт около 0,99 МН, у верхней трубы запас по пределу текучести $4{,}83/0{,}99 = 4{,}9$ .
Испытание фланцевого соединения и уплотнений: не выше 35 МПа и не выше $0{,}8\cdot 32{,}8 = 26{,}2$ МПа — принимают 26 МПа.

Ответ: Колонну сажают на клинья с весом около 0,99 МН — на 32 % меньше её веса в растворе; уплотнения и фланцевое соединение испытывают давлением 26 МПа.

Что это значит. Когда цемент затвердеет, вес, с которым посадили колонну, «замораживается» в её незацементированной части. Если расчёт покажет, что нагрев при бурении глубже или при добыче снимет это натяжение, пока цемент жидкий колонну держат на элеваторе, а после схватывания натягивают и сажают с дополнительной натяжкой. Испытание давлением класса фланца (35 МПа) превысило бы сминающее давление верхней трубы — поэтому его и ограничили. Данные примера условные.

Посадка на клинья и установка катушки

1
Посадка
После продавки и проверки обратного клапана превенторы отсоединяют от колонной головки и приподнимают; клиновую подвеску заводят вокруг колонны в гнездо и плавно разгружают на неё колонну до веса, заданного программой.
2
Черновой срез
Колонну режут выше головки и убирают отрезанную трубу; превенторы снимают.
3
Окончательный срез и фаска
Колонну режут ровно, на высоте над фланцем, которую задаёт изготовитель катушки: обрезанный конец должен войти во вторичное уплотнение. Снаружи снимают фаску, изнутри — заусенцы, чтобы уплотнение наделось без повреждений.
4
Уплотнение и катушка
Устанавливают уплотнение подвески, новую кольцевую прокладку и катушку; вторичное уплотнение садится на конец колонны; шпильки затягивают в заданном порядке.
5
Испытания
Через контрольное отверстие опрессовывают фланцевое соединение и уплотнения (пример выше); ставят превенторы на верхний фланец катушки и опрессовывают их с пробкой в её гнезде (опрессовка ПВО); ставят защитную втулку.
6
Дальше
После ожидания затвердевания цемента разбуривают оснастку и башмак, проходят несколько метров новой породы и проводят испытание под башмаком (LOT и FIT).

Хвостовик подвешивают не в колонной головке, а внутри предыдущей колонны: его спускают на бурильных трубах и сажают на подвеску хвостовика с клиньями, которые распирают механически или давлением (хвостовик); устье при этом не меняется. Как цементируют хвостовик — в уроке о первичном цементировании.

Термины и обозначения

Колонная обвязка устья: стопка фланцевых узлов — колонных головок, катушек, трубной головки — в которых подвешены колонны и закрыты межколонные пространства.
Колонная головка: нижняя — однофланцевая, на кондукторе; следующие — двухфланцевые катушки (casing spool), по одной на колонну.
Переходная катушка (cross-over spool): катушка с вторичным уплотнением на колонне, у которой верхний фланец обычно на ступень выше классом, чем нижний.
Подвеска колонны: муфтовая (резьбовая, mandrel) — навинчена на верхнюю трубу; клиновая (slip) — клинья охватывают трубу в любом месте.
Первичное и вторичное уплотнения: уплотнение подвески под катушкой и уплотнение катушки на обрезанном конце колонны; между ними — полость с контрольным отверстием.
Защитная втулка (wear bushing): втулка, закрывающая гнездо головки, пока сквозь неё бурят.
Мера колонны и подгонка: список труб с замеренными длинами и подбор их (с патрубками), чтобы башмак встал на нужную глубину.
Долив колонны: заполнение колонны с обратным клапаном раствором сверху через каждые несколько труб.
Самозаполняющийся клапан (auto-fill float): обратный клапан, открытый при спуске: раствор входит в колонну снизу; перед цементированием его закрывают.
Диаграмма «момент — обороты»: запись свинчивания, по которой видно натяг резьбы, упор торцов и итоговый момент.
Давление при спуске: добавка к гидростатическому давлению от трения вытесняемого раствора в затрубье.

Частые ошибки и заблуждения

Неверно

«Нижняя колонная головка на 35 МПа при ожидаемых 10 МПа — лишний запас».

На самом деле

Класс задаёт ещё и то, что встанет над головкой: переходная катушка обычно поднимает класс лишь на ступень, и для катушки 70 МПа под ней нужен фланец 35 МПа.

Неверно

«Клапан держит — значит, долить можно в конце спуска».

На самом деле

Пустая колонна всплывает, её низ нагружен наружным давлением, а при отказе клапана уровень в затрубье проваливается, и пласты теряют репрессию. Доливают по расчёту — в примере урока не реже чем через 7 труб.

Неверно

«Чем сильнее затянуто соединение, тем надёжнее».

На самом деле

Момент выше предела деформирует резьбу и уплотнения. У трапецеидальной резьбы главный признак — положение муфты относительно треугольника, у премиальной — форма диаграммы «момент — обороты».

Неверно

«Колонну можно спускать так же быстро, как бурильные трубы».

На самом деле

Колонна с закрытым низом вытесняет весь свой наружный объём через узкий зазор: при той же скорости давление на стенки растёт в несколько раз сильнее.

Неверно

«После цементирования колонна весит столько же, сколько до него».

На самом деле

Тяжёлый раствор за колонной подпирает её: в примере урока вес на крюке упал на треть. С этим весом колонну и сажают на клинья, если не нужна дополнительная натяжка.

Подробно: для продвинутых

Колонна с самозаполняющимся клапаном: между двумя оценками

У колонны с открытым низом вытесненный сталью раствор делится на два потока: часть уходит вверх по затрубью, часть — внутрь колонны. Делится он так, чтобы перепад давления от низа колонны до устья был одинаков по обоим путям. Внутренний канал широкий (222 мм), затрубье — щель шириной 35–38 мм, поэтому почти весь раствор уходит внутрь, и колебания давления намного меньше, чем с закрытым низом.

Простые оценки дают границы. Сверху — колонна с закрытым низом (первое слагаемое формулы скорости). Снизу — случай, когда весь вытесненный объём ушёл внутрь, и в затрубье остался только раствор, который колонна тянет за собой: $v_{\text{з}} = K_c\,v_{\text{тр}}$ . Для колонны урока при 0,5 м/с это 0,039 и 0,022 г/см³ у забоя: даже без вытеснения раствора по затрубью колебания остаются заметными, потому что движется сама стенка щели. Истинное значение — между границами и ближе к нижней; сопротивление самого клапана при большой скорости его поднимает.

Связь с другими темами

Обсадные колонны: назначение, типы, свойства и стандарты — колонны по назначению, элементы колонны, шаблон, резьбовые соединения и паспортные характеристики труб.
Расчёт обсадных колонн — секции колонны урока, давление на устье при закрытой скважине, растяжение и нагрузки после цементирования.
Противовыбросовое оборудование — превенторы, которые ставят на колонные головки, их рабочее давление и опрессовка.
Расчёт бурильной колонны — вес колонны в растворе, эффективная сила и вес на крюке.
Потери давления при циркуляции — откуда берутся колебания давления при спуске и как их рассчитать.
Контроль скважины: первичный барьер и признаки проявления — сообщающиеся сосуды, долив и контроль объёмов при спуско-подъёмных операциях.
Первичное цементирование — как колонну цементируют после спуска — на той же скважине и той же колонне.
Оборудование лифтовой колонны — трубная головка, подвеска НКТ и фонтанная арматура — продолжение колонной обвязки.

Проверьте себя

1
Нижний фланец переходной катушки рассчитан на 35 МПа. Какой класс обычно может иметь её верхний фланец?
1. А.105 МПа
2. Б.Только 35 МПа
3. В.Любой: класс задают шпильки
4. Г.70 МПа
Показать ответ
Правильный ответ: Г. 70 МПа
Вторичное уплотнение на обрезанном конце колонны отделяет давление скважины от нижнего фланцевого соединения, и на него действует давление лишь на малой площади. Это позволяет поднять класс верхнего фланца, обычно на одну ступень: 35 → 70 МПа. Поэтому для катушки на 70 МПа нижняя колонная головка должна быть не ниже 35 МПа.
2
Колонну 244,5 мм спускают с обратным клапаном, 10 верхних труб по 12 м не долиты, и клапан отказал. На сколько упадёт давление на пласты (раствор 1,09 г/см³, $A_{\text{в}}$ = 0,0388 м², $A_{\text{з}}$ = 0,0311 м²) и что останется от репрессии 1,02 МПа?
Показать ответ
Незаполненная длина 120 м; уровень в затрубье упадёт на $y = 120\cdot 0{,}0388/(0{,}0388 + 0{,}0311) = 120\cdot 0{,}5551 \approx 66{,}6$ м, давление — на $0{,}00981\cdot 1{,}09\cdot 66{,}6 \approx 0{,}71$ МПа. От репрессии останется около 0,31 МПа; ещё несколько недолитых труб — и пласты с нормальным давлением могут начать проявлять. Поэтому интервал долива рассчитывают, а затрубье после такого отказа сразу доливают.
3
Почему при одинаковой скорости спуска колебания давления от обсадной колонны с обратным клапаном больше, чем от бурильных труб?
1. А.Раствор при спуске колонны всегда гуще
2. Б.Она вытесняет весь свой наружный объём, а зазор между ней и стволом в несколько раз уже
3. В.Колонна тяжелее
4. Г.У обсадных труб более шероховатая поверхность
Показать ответ
Правильный ответ: Б. Она вытесняет весь свой наружный объём, а зазор между ней и стволом в несколько раз уже
Скорость раствора в затрубье пропорциональна $d^2/(D^2 - d^2) + K_c$ : у колонны 244,5 мм в стволе 320 мм отношение площадей около 1,40, у бурильных труб 127 мм — 0,19. Вдобавок зазор у колонны в 2,6 раза уже, а потери в щели растут с уменьшением ширины. В примере урока добавка давления от колонны почти в 6 раз больше.
4
Колонну 244,5 мм спускают с обратным клапаном; последние 5 труб (60 м) ещё не долиты, и вдруг индикатор веса показывает заметно больше ожидаемого. Что, вероятно, случилось, насколько упал уровень в затрубье и что делать ( $A_{\text{в}}$ = 0,0388 м², $A_{\text{з}}$ = 0,0311 м², раствор 1,09 г/см³)?
Показать ответ
Вероятно, отказал обратный клапан: раствор из затрубья перетёк в колонну, уровни внутри и снаружи сравнялись, и колонна потяжелела — на $1090\cdot 9{,}81\cdot 0{,}0388\cdot 60 \approx 25$ кН, которых ей недоставало до заполненной, и ещё немного, потому что верх трубы оказался над раствором. Уровень в затрубье упал на $60\cdot 0{,}0388/(0{,}0388 + 0{,}0311) \approx 33$ м, давление на пласты — на $0{,}00981\cdot 1{,}09\cdot 33 \approx 0{,}35$ МПа, около трети репрессии 1,02 МПа из примера урока. Затрубье сразу доливают, проверяют, нет ли перелива, и дальше спускают с учётом того, что клапан не держит: после продавки давление в колонне придётся удерживать до схватывания цемента.
5
Как контролируют свинчивание трапецеидальной резьбы обсадных труб?
1. А.По давлению опрессовки колонны
2. Б.Только по моменту на ключе
3. В.По положению торца муфты относительно знака-треугольника на ниппеле; момент служит ориентиром
4. Г.По числу оборотов от руки
Показать ответ
Правильный ответ: В. По положению торца муфты относительно знака-треугольника на ниппеле; момент служит ориентиром
Для трапецеидальной резьбы главный признак — положение: торец муфты должен оказаться не дальше вершины треугольника и не раньше чем за оборот до его основания. Момент, при котором это получается на первых трубах, затем используют как ориентир. По моменту свинчивают треугольную резьбу, по диаграмме «момент — обороты» — премиальные соединения.
6
Почему уплотнения и фланцевое соединение под катушкой в примере урока испытывали давлением 26 МПа, а не 35 МПа — классом фланца?
Показать ответ
Давление испытания действует в полости между уплотнениями на трубу снаружи. Сминающее давление верхней трубы 244,5 × 11,99 мм группы прочности N-80 — около 32,8 МПа, и 35 МПа его превысили бы. Программа ограничивает испытание долей сминающего давления (в примере 0,8), и предел даёт меньшая из двух величин: класс фланца или допустимое для трубы.

Обновлено: 28 октября 2026 г.