Содержание к диссертации
Введение
1. НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ БУРЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН И УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВДКОСТЕЙ ПШ ИХ РЕШЕНИИ 8
1.1. Исходные положения 8
1.2. Анализ литературы 10
1.3. Цели и задачи исследований, проводимых в диссертации 18
2. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ СТАТИКИ КОЛОНН ТРУБ В ПОЛЕ ДАВЛЕНИЯ
ЖИДКОСТЕЙ 20
2.1. Вывод уравнений равновесия колонн труб 20
2.2. Определение осевого и эквивалентного осевого усилий в колонне, нормальной и касательной составляющих реакции стенки скважины 34
2.3. Нахождение связи граничных реакций 43
2.4. Расчет напряженного состояния и прочности колонны...45
2.5. Нахождение осевой и радиальной деформаций колонны...47
2.6. Анализ продольной устойчивости колонны 51
2.7. Положение нейтрального сечения и сечения нулевых осевых напряжений в колонне 63
2.8. Эквивалентность нагружения колонны давлением жидкости и объемными выталкивающими силами .73
3. РАСЧЕТ НАТЯЖЕНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН 82
3.1. Исходные положения 82
3.2. Определение усилия натяжения колонны по критерию устойчивости 87
3.3. Определение натяжения колонны, исключающего выход
ее верхнего конца из скважины 99
3.4. Сравнение полученных и известных результатов 101
4. РАСЧЕТ ДЛИНЫ ПОДГОНОЧНОГО ПАТРУБКА 106
4.1. Исходные положения 106
4.2. Определение изменения длины секции колонны при цементировании и длины подгоночного патрубка 109
4.3. Пример расчета 115
5. РАСЧЕТ ЦЕНТРИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ПРИ ЦЕМЕНТИРОВАНИИ 119
5.1. Исходные положения 119
5.2. Разработка алгоритма решения задачи 126
5.3. Численная реализация алгоритма 138
5.4. Результаты расчетов 157
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 173
ЛИТЕРАТУРА 176
ПРИЛОЖЕНИЯ 188
- Исходные положения
- Вывод уравнений равновесия колонн труб
- Определение усилия натяжения колонны по критерию устойчивости
- Определение изменения длины секции колонны при цементировании и длины подгоночного патрубка
- Разработка алгоритма решения задачи
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена механике взаимодействия колонн труб с жидкостями, используемыми при проводке скважин, и направлена на совершенствование проектирования, строительства и эксплуатации скважин.
В директивном документе ХХУІ съезда КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" ставится задача улучшения технико-экономических показателей буровых работ. Одним из направлений решения этой задачи является более детальное изучение процессов, происходящих при бурении и эксплуатации скважин.
При осуществлении всех этапов строительства и эксплуатации скважин основные технологические операции связаны с использованием колонн труб (бурильных, обсадных и насосно-компрессорных). Эти колонны находятся в скважине в условиях сложного нагружения, которое в значительной степени определяется действием давления жидкостей, заполняющих колонну и скважину. Неправильный или неполный учет этих сил приводит к различным осложнениям при бурении и эксплуатации скважин - обрыву колонн, их слому или сильному износу при потере продольной устойчивости, нарушению проходимости обсадных колонн по стволу скважины вследствие установки большого количества центраторов и т.д. Ликвидация осложнений сопряжена со значительными материальными затратами.
Существующие методы расчетов некоторых технологических процессов недостаточно полно учитывают влияние давления жидкостей на работу колонн труб. В диссертационной работе эти недостатки в известной степени преодолены. Разработанные положения позволяют обоснованно проводить учет влияния давления жидкостей при решении задач, составляющих основные элементы технологических процессов. В работе уточнены конкретные расчеты по определению натяжения обсадных колонн, длины подгоночного патрубка. Дальнейшее развитие получает в работе расчет центрирования обсадных колонн при цементировании.
Работа выполнялась в соответствии с планом основных научных исследований МИНХ и ГП им.И.М.Губкина.
Целью работы является изучение механики взаимодействия колонн труб с буровыми и цементными растворами, обоснование методов расчета напряженно-деформированного состояния колонн с учетом давления жидкостей, выработка рекомендаций по натяжению обсадных колонн, определению длины подгоночного патрубка, расстановке центраторов на обсадной колонне.
Методика исследований. В основу положена теория равновесия стержней, с помощью которой разрабатывается математическая модель равновесия колонн труб в поле переменного давления жидкости и аналитически определяются характеристики напряженно-деформированного состояния колонн; в дальнейшем эти характеристики используются при построении расчетных методик технологических процессов с применением ЭЦВМ.
Научной новизной обладают разработанная модель равновесия колонны труб в скважине с учетом давления жидкостей и аналитические зависимости для характеристик напряженно-деформированного состояния колонны, методы расчета критических значений натяжения колонны, метод расчета на ЭЦВМ длины подгоночного патрубка, решение задачи центрирования обсадных колонн при цементировании с учетом влияния давления жидкостей и взаимодействия пролетов колонны между собой, реализованное в виде программы расчета на
ЭЦВМ.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанные положения по учету влияния давления жидкостей на напряженно-деформированное состояние колонн труб необходимы при создании расчетных методик технологических процессов. Расчеты натяжения, центрирования обсадных колонн, длины подгоночного патрубка предназначены для использования научно-исследовательскими, проектными и производственными организациями при проектировании и строительстве скважин.
Расчет длины подгоночного патрубка, выполненный по методике, разработанной в диссертации, внедрен в производственном объединении Трознефть".
В диссертационной работе рассматриваются следующие вопросы, которые выносятся на защиту.
Математическая модель равновесия колонны в скважине с учетом давления жидкостей, заполняющих колонну и скважину и аналитические выражения для основных характеристик напряженно-деформированного состояния колонны.
Расчет критического натяжения колонны при обвязке устья, при наличии которого в случае изменения условий нагруже-ния незацементированная часть колонны теряет устойчивость, расчет натяжения, при котором возможен выход верхнего конца колонны из скважины.
Расчет длины подгоночного патрубка, обеспечивающего необходимое нагружение стыковочного устройства при цементировании обсадных колонн секциями.
4. Расчет расстановки центраторов на обсадной колонне при ее цементировании с учетом давления жидкостей и взаимодействия пролетов колонны между собой; алгоритм и программа расчета на ЭЦВМ центрирования колонны.
Автор глубоко благодарен своему научному руководителю к.т.н., доценту Евгению Матвеевичу Соловьеву за постоянную помощь в выполнении диссертационной работы. Автор признателен сотрудникам кафедры бурения МИНХ и ГП им.И.М.Губкина, принимавшим участие в обсуждении результатов проводимых исследований.
Исходные положения
При изучении влияния гидростатического давления жидкостей на напряженно-деформированное состояние колонн труб в скважине необходимо определить компоненты напряженно-деформированного состояния, обусловленные действием давления жидкостей. Строительство и эксплуатация скважин состоят из конечного числа технологических операций, при проведении которых представляют интерес различные аспекты поведения колонн труб под нагрузками. По результатам анализа технологических процессов могут быть выделены основные задачи статики колонн, представляющие собой элементы моделей различных технологических процессов.
Рассмотрим состояние изученности влияния давления жидкостей в наиболее характерных задачах бурения и эксплуатации скважин.
При определении характеристик напряженно-демормированного состояния колонны используем следующие понятия. Эквивалентным осевым усилием называем комплекс
Вывод уравнений равновесия колонн
Вопрос получения уравнений равновесия колонн труб в скважине разработан наиболее полно в работах /54, 67/. В работе /54/ влияние жидкостей при выводе уравнений не рассматривается, учет влияния жидкостей в работе /67/, как показано в главе I, требует уточнения.
Предположим, что скважина имеет произвольный плоский профиль, оси колонны и скважины лежат в одной плоскости. Полагаем, что колонна в скважине движется равномерно, инерционные силы, действующие на колонну, и гидродинамические составляющие давления жидкостей не учитываем. Считаем, что взаимодействие колонны со стенками скважины не приводит к нарушению распределения давления по боковой поверхности колонны. Давление жидкостей в колонне и кольцевом пространстве считаем нарастающим с глубиной гидростатическим образом - пропорционально плотностям жидкостей.
class3 РАСЧЕТ НАТЯЖЕНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН class3 82
Определение усилия натяжения колонны по критерию устойчивости
При цементировании обсадных колонн цементный раствор в ряде случаев поднимают не до устья. Верхняя часть колонны остается при этом незацементированной (рис.3.1,а,б). Нижнее сечение незацемен-тированной части обсадной колонны фиксируется цементным камнем, верхнее - колонной головкой.
В период последующей жизни скважины действующие на колонну нагрузки изменяются. Изменение условий нагружения приводит к таким нарушениям, как потеря колонной устойчивости и выход верхнего конца колонны из скважины. Изгиб колонны при потере устойчивости вызывает снижение герметичности резьбовых соединений и способствует износу колонны при последующем углублении скважины. При выходе колонны из скважины оборудование устья скважины повреждается.
Исключить указанные последствия изменения условий нагружения колонны возможно за счет натяжения колонны при обвязке устья. Натяжение заключается в создании определенного значения верхней реакции, приложенной к концу колонны в момент обвязки устья.
В данной главе определяется натяжение колонны при обвязке устья, при котором в дальнейшем сохраняется устойчивость незацементированной части колонны (НЭТ) и предупреждается выход верхнего конца колонны из скважины.
Определение изменения длины секции колонны при цементировании и длины подгоночного патрубка
На площадях объединения "Грознефть" промежуточные колонны цементируются секциями. При цементировании верхних секций второй и последующих промежуточных колонн проводится одновременная посадка секций на фланец предыдущей колонны и стыковочное устройство (рис.4,1,в), Нагрузка на стыковочное устройство, обеспечивающая герметичное соединение секций колонны, из промыслового опыта составляет 100-200 кН. Данное нагружение стыковочного устройства реализуется при определенной длине секции колонны. При недостаточной длине секции возможна ее полная посадка на колонный фланец, при избыточной длине происходит значительное нагружение стыковочного устройства. Длина секции перед посадкой на опорные поверхности регулируется с помощью подгоночного патрубка (рис.4.2).
В работе /30/ прирост длины секции при цементировании определяется по изменению веса секции колонны в жидкости, вследствие чего действие давления жидкостей на секцию учитывается лишь частично.
Разработка алгоритма решения задачи
Цементирование скважин - одна из наиболее ответственных операций строительства скважин /II, 15/. Некачественное разобщение пластов приводит к обводнению продуктивных горизонтов и раннему выходу скважин из эксплуатации, неэффективному расходованию пластовой энергии, загрязнению недр. Ликвидация осложнений, связанных с некачественным цементированием скважин, требует значительных затрат.
Надежное разобщение пластов обеспечивается проведением ряда мероприятий, куда входят подготовка ствола скважины, создание определенного режима продавливания цементного раствора в кольцевое пространство, подбор рецептуры тампонажного материала. Одним из условий качественного разобщения пластов является центрирование обсадных колонн при цементировании. Центрирование колонн осуществляется пружинными либо жесткими центраторами (рис.5.I).
В отсутствие центраторов колонна, находящаяся в наклонной скважине, практически по всей своей длине прилегает к стенке скважины. При установке на колонну ограниченного числа центраторов прилегание колонны к стенкам скважины устраняется в непосредственной близости от центраторов. По мере увеличения числа центраторов на колонне зоны их влияния начинают перекрываться, и прилегание колонны к стенкам скважины устраняется по всей длине колонны. При дальнейшем увеличении числа центраторов устанавливается некоторое предельное расхождение осей колонны и скважины, обусловленное действующими на колонну нагрузками и жесткостными характеристиками центраторов. Таким образом, увеличение числа центраторов оказывает положительное влияние на центрирование колонны.
С другой стороны, при установке на колонну большого числа центраторов происходит возрастание сил сопротивления движению и увеличение гидравлических сопротивлений в кольцевом пространстве при продавливании цементного раствора.
С учетом положительного и отрицательного следствий установки на колонне центраторов требования к центрированию колонн формулируются в отрасли в настоящее время следующим образом. Предполагается, что значения допустимых прогибов пролетов на момент окончания продавливания цементного раствора в кольцевое пространство заданы, после чего определяются длины пролетов, удовлетворяющие заданным ограничениям на прогибы колонны.
В данной работе задача центрирования обсадных колонн также решается в такой постановке.
