Фізика аспектів герметичності обсадних труб за умов глибокого буріння

Размещено на http://www.allbest.ru/

Івано-Франківський Національний технічний університет нафти і газу

Фізика аспектів герметичності обсадних труб за умов глибокого буріння

Чернова Мирослава Євгеніївна

д-р. техн. наук, професор кафедри загальної та прикладної фізики

Україна

Анотація

Зі збільшенням глибин буріння значно підвищуються пластові тиски і температура, що вимагає удосконалення техніки і технології кріплення свердловин. З аналізу статистичних даних слідує, що аварії з обсадними колонами при будівництві нафтових і газових свердловин становлять приблизно 10% від загального числа аварій. Під час експлуатації обсадних труб в умовах підвищених значень температури і тиску в глибоких свердловинах на елементи муфтового з'єднання діють значні статичні, динамічні навантаження, термоциклічні напруження, що призводять до пружних та пластичних деформацій ділянок муфти, труби та ущільнюючих елементів, які впливають на герметичність та довговічність обсадних та теплонагнітальних колон. В статті проводиться аналіз основних особливостей герметизації елементів обсадних колон з точки зору їх міцнісних характеристик. Зокрема розглянуто різьбові з'єднання, що продукуються за відомими стандартами нафтогазової промисловості.

На основі запропонованої моделі моментної теорії тонкостінних колових оболонок подано співвідношення для розрахунку пружно-деформованого стану конічної частини герметизуючого елементу, який повністю визначається радіальним натягом на конічних ущільнюючих поверхнях.

Ключові слова: обсадна колона, герметичність, різьбове з'єднання, параметри, жорсткість.

Багато мало дебітних родовищ нафти стають не перспективними для експлуатації, відповідно, виникає необхідність інтенсифікації притоку нафти з колектора. Також добуток в'язких парафінистих нафт, якими відомий Карпатський прогин, пов'язаний зі значними труднощами. Для розв'язання цієї проблеми останнім часом все ширшого застосування набувають теплові методи впливу на пласт (внутріпластове горіння, закачування теплоносіїв у пласт).

У зв'язку з впровадженням в нафтову промисловість термічної дії на продуктивний пласт виникає проблема подачі теплоносія на глибину понад 4000 м.

Необхідною умовою є подача теплоносіїв на проектну глибину з мінімальними втратами температури і тиску. Це пов'язано з тим, що на нафтовий пласт необхідно діяти достатньо високою температурою, яка не повинна втрачатись при проходженні теплоносія по колоні.

Дуже часто в якості нагнітальних свердловин використовують експлуатаційні свердловини, а для закачування теплоносія в пласт використовують звичайні обсадні труби.

При транспортуванні теплоносія в експлуатаційній колоні на труби та різьбові з'єднання діє температура до 620^670°С за тисків 30^45 МПа, а точніше не сама температура, а циклічні зміни температури. Крім того на колону діють статичні та динамічні навантаження, а також фретінг-корозія, що суттєво впливає на міцнісні характеристики колони та герметичність різьбових з'єднань. Відповідно, виникає завдання з розробки внутрішньо - свердловинного обладнання, яке б володіло високими міцнісними характеристиками та герметичністю.

Обсадні труби нафтового сортименту у відповідності ГОСТ-632-80* виготовляються з різьбою трикутного та трапецеїдального профілю (ОТТМ, ОТТГ). Конструктивно різьбове з'єднання з різьбою трикутного профілю не є герметичним.

Експериментальні дослідження натурних зразків з'єднань обсадних труб з різьбою ОТТМ показали, що така конструкція різьби безупорного типу не забезпечує високої герметичності різьбових з'єднань обсадних труб, а відповідно і нормальної експлуатації свердловин.

Для забезпечення герметичності обсадних колон у ВНДІБТ розроблено конструкції з'єднань ОТТГ [1], які відрізняються від ОТТМ наявністю ущільнюючого пояска біля торця труби, а також тим, що ці з'єднання є упорного типу.

Теоретичні та експериментальні дослідження довели, що герметичність з'єднань з різьбою ОТТГ забезпечується наявністю додатного осьового натягу між поверхнею ущільнюючого пояска і відповідною поверхнею муфти та опорою торців труби в опорні уступи муфти при дії крутного моменту згвинчування. Промислові дослідження з'єднань ОТТГ виявили, що в процесі згвинчування і розгвинчування часто утворюються задери вздовж ущільнюючих конічних поверхонь, що призвело до необхідності зменшення величини діаметрального натягу, а відповідно, і ступеню герметичності різьбових з'єднань.

За згвинчування різьбових з'єднань з додатнім діаметральним натягом Аз радіус муфти збільшується на величину Wm, а радіус труби зменшується на

Для обсадних труб і муфт встановлено [2], що їх деформації під дією тиску описуються моментною теорією тонкостінних колових оболонок. Переміщення w серединної поверхні муфти чи труби під дією тиску Р без крайового ефекту тиску становить:

Підставивши (3), (4) і (6) у рівняння (5) отримаємо для визначення радіальних зміщень w у будь-якому перерізі конічного ущільнюючого елементу різьбового з'єднання ОТТПГ диференціальне рівняння четвертого порядку зі змінними коефіцієнтами:

Рк - контактний тиск на взаємодіючих конічних ущільнюючих поверхнях герметизуючого елементу і муфти, (МПа);

аі, а2 - коефіцієнти лінійного розширення відповідно герметизуючого елементу і матеріалу муфти та ніпеля, (°С-1);

ЛТ - перепад температури, (°С);

Еі, Е2 - модулі пружності відповідно матеріалу герметизуючого елементу і матеріалу муфти та ніпеля, (МПа);

ці, ц2 - коефіцієнти поперечної' деформації відповідно для матеріалу герметизуючого елементу і матеріалу муфти та ніпеля;

Лп - початковий діаметральний натяг конічних ущільнюючих поверхонь герметизуючого елементу і муфти, (м).

Відповідно, сумарний тиск, який діє на герметизуючий спричинює його пружну деформацію:

Значення контактного тиску залежить від геометричних характеристик з'єднання, а також матеріалу з якого виготовлено герметизуючий елемент.

Отже, різниця коефіцієнтів об'ємного температурного розширення матеріалів герметизуючого елементу та муфти і ніпеля різьбового з'єднання ОТТПГ забезпечує підвищення контактного тиску в ущільненні при підвищенні температури у свердловині, а відповідно і гарантовану високу герметичність обсадної та тепло-нагнітальної колон.

За згвинчування різьбового з'єднання ОТТПГ торець ніпеля опирається в упорний уступ муфти. З підвищенням температури, внаслідок лінійного розширення герметизуючого елементу, вздовж упорних торців виникає додатковий контактний тиск та підвищується герметичність різьбового з'єднання. За теоретичними розрахунками запропонована конструкція з'єднання забезпечує герметичність до тисків за яких настає залишкова пластична деформація металу та розрив по різьбі.

Для підтвердження результатів аналітичних досліджень проведено експериментальні дослідження на герметичність натурних зразків муфтових з'єднань обсадних труб діаметру 168 мм з різьбою ОТТГ та ОТТПГ зі сталі групи міцності Д і Е.

Тиск створювався пристроєм УНГР-3000, а в якості робочої рідини було використано трансформаторне масло. Герметизуючий елемент на ніпельній частині з'єднання був виготовлений з бронзи ОСЦ-555 з діаметральним натягом 0,5 мм. Різьбові з'єднання згвинчувались з рекомендованим крутним моментом 9000 (Нм) та 12000 (Нм). Дослідження проводились в інтервалі температур 293^640° К.

Аналіз результатів досліджень виявив, що муфтові з'єднання обсадних труб з різьбою ОТТГ за температури 2930 К та 593° К залишаються герметичними до тисків 38^39 (МПа), а з різьбою ОТТПГ за температури 2930 К порушення герметичності відбувалося за тиску 57-58 (МПа), а за температури 3930 К і вище різьбові з'єднання ОТТПГ залишилися герметичним аж до критичних тисків, тобто тисків за яких настає залишкова пластична деформація матеріалу труб.

За згвинчування та розгвинчування муфтових з'єднань з різьбою ОТТПТ задирок та подряпин на конічній поверхні герметизуючого елемента виявлено не було.

Це пояснюється тим, що коефіцієнт тертя бронзи по сталі на 50 % є меншим ніж сталі по сталі.

Крім того, як видно з формули (4), під час виготовлення циліндричної поверхні для герметизуючого елементу зменшується коефіцієнт жорсткості, а відповідно підвищується податливість по всій довжині конструкції з герметизуючим елементом.

Оскільки в свердловинах середня температура становить 320^3400 К, то обсадні труби з різьбою ОТТПТ забезпечують герметичність обсадних колон, а відповідно підвищують їх надійність та довговічність у процесі експлуатації.

За розробки внутрішньо-свердловинного обладнання для закачування теплоносія в пласт використано конструкцію різьбового з'єднання ОТТПГ. Промислові випробування підтвердили високі експлуатаційні характеристики труб з різьбою ОТТПГ [5].

За для використання наведених результатів у промисловому масштабі планується розроблення і затвердження інструктивних матеріалів.

Висновки

На основі аналізу конструктивних особливостей конічних різьбових з'єднань удосконалено формулу розрахунку кута піднімання конічної гвинтової лінії, використання якої дозволяє уточнити розрахунки геометричних параметрів різьб та внести корективи в способи і технологію зміцнення різьб та підвищення експлуатаційних характеристик обсадних та бурильних колон. буріння пластовий герметизація колона

Досліджено пружно-деформований стан муфтового з'єднання обсадних труб при термоциклічних процесах. На основі аналізу результатів даних визначено раціональні параметри герметизуючого вузла, які забезпечують герметичність та підвищують надійність і довговічність колони.

Список використаних джерел

1. Гавеля С.П. (2018) Розрахунок напружено-деформованого стану елементів складних конструкцій; Дніпропетровськ: ДДУ.

2. Лисицін Б.М. (2012) Автоматизація розв'язку просторових задач теорії пружності на основі матричної форми методу визначуваних станів. Прикладні задачі технічної кібернетики. Київ: Наукова думка.

3. Тимошенко С.П. (2012) Пластинки й оболонки. Харків: Наукові видання.

4. Чернов Б.О., В.Б.Чернов, М.Є.Чернова (2012) Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. Підвищення експлуатаційних характеристик обсадних колон шляхом удосконалення конструкцій різьбових з'єднань, (38), 91-95.

5. Кунцяк Я.В., Чернова М.Є. (2016) Збірник наукових праць НАНУ ІНМ ім. В.Н.Бакуля «Породоруйнівний та металообробний інструмент - техніка й технологія його виготовлення та застосування» Забезпечення герметичності обсадних колон за рахунок конструктивних особливостей різьбових з'єднань, (19), 86-92.

Размещено на Allbest.ru