Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Создание внутрискважинных герметизаторов с многослойными эластичными оболочками для строительства, освоения и ремонта скважин

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Создание внутрискважинных герметизаторов с многослойными эластичными оболочками для строительства, освоения и ремонта скважин"

На правах рукописи

Щербин Алексей Викторович

СОЗДАНИЕ ВНУТРИСКВАЖШШЫХ ГЕРМЕТИЗАТОРОВ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ЭЛАСТИЧНЫМИ ОБОЛОЧКАМИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА, ОСВОЕНИЯ И РЕМОНТА СКВАЖИН

25 0015 - Технология бурения и освоения скважин

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗиьз^^о

Москва 2007

003065458

Работа выполнена в ООО <<ЛУКОЙЛ-ВолшфадНИПИморнефть>>

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, лауреат

Государственной премии СССР, заслуженный изобретатель Российской Федерации Пындак Виктор Иванович

Научный консультант кандидат технических наук, профессор

Бфимченко Сергей Иванович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, заслуженный работник нефтяной и газовой промышленности Российской Федерации Ширин-Заде Сиявуш Али Сафтар оглы

кандидат технических наук, доцент Буяновский Илья Наумович

Ведущая организация Нижневолжский филиал буровой компании «Евразия»

Защита состоится «04» октября 2007 г в 15 часов на заседании

диссертационного совета Д520 02701 при ОАО НПО «Буровая техника»-ВНИИБТ по адресу 115114, г Москва, ул Летниковская, д 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПО «Буровая техника»-ВНИИБТ

Автореферат разослан <РЗу> 20071

Ученый секретарь 7 ГП Чайковский

диссертационного совета, "

кандидат технических наук, доце

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Высокое качество герметизации нефтяных и газовых скважин в процессе бурения, освоения и последующей эксплуатации, в том числе при капитальном ремонте, является важнейшим условием их эффективного использования как долговременных сооружений Применяемые при этом герметизирующие устройства должны позволять безаварийно проводить различные работы в скважине, и обеспечивать выполнение технических, экологических и экономических требований

Решение задачи надежного разобщения интервалов скважины не должно вступать в противоречие с необходимостью безаварийного извлечения внутрискважинного инструмента, что обеспечивается, в свою очередь, способностью уплотнителя сохранять первоначальную форму после снятия нагрузок и возвращаться в транспортное положение за счет упругих свойств материала, из которого он изготовлен

Задача осложняется ростом глубин, освоением шельфовых месторождений, строительством многозабойных, наклонных и горизонтальных скважин, повышением экологических требований при бурении, креплении, освоении и эксплуатации скважин В связи с этим указанная научно-техническая проблема должна решаться на основе принципиально новых инженерных решений

Цель работы. Повышение эффективности и качества разобщения пластов в процессе бурения, освоения и ремонта скважин путем создания новых уплотнителей внугрискважинных герметизаторов (пакеров) на основе многослойных эластичных оболочек

Основные задачи исследования

1 Разработать и обосновать новые схемы и конструктивные решения внутрискважинного герметизатора, на основе создания компоновок уплотнителя из многослойных эластичных оболочек

2 Разработать математические модели работы серийного и предложенного уплотнителей

3 Провести сравнительное аналитическое исследование вариантов исполнения, напряженно-деформированного состояния, соотношения размеров и преимуществ многослойного уплотнителя по сравнению с серийным

4 Создать стендово-испытательный комплекс для исследований серийного и предлагаемого внутрискважинного герметизаторов с обеспечением жёстких условий эксплуатации, приближенным к натурным

5 Провести стендовые испытания и сравнительные экспериментальные исследования контактных напряжений, деформации, других характеристик и возможностей серийного и нового уплотнителей.

6 Оценить технико-экономические и экологические показатели предлагаемых уплотнителей

Научная новизна

1 Разработаны новые принципы создания уплотнителей внутрискважинного герметизатора для разобщения и герметизации обсадной колонны при бурении, освоении, эксплуатации и ремонте скважины

2 Разработана математическая модель для оценки напряженно-деформированных состояний цельноформованных и многослойных уплотнителей.

3 Разработан аналитический метод определения характера распределения внутренних напряжений в монолитном и многослойном уплотнителях.

4 Создан, научно обоснован и запатентован сгендово-испьггательный комплекс, моделирующий жесткие условия эксплуатации пакеров, приближенные к реальным условиям скважины

5 На основе новых экспериментальных и теоретических методов исследования разработаны математические и физические модели натурных условий работы пакера в заданном интервале герметизации обсадной колонны

Практическая значимость и реализация результатов работы

1 Разработан, изготовлен и испытан многослойный уплотнитель, применение которого позволяет увеличить перепад воспринимаемого давления и предотвратить выдавливание резины в уплотняемый зазор

2 Созданный многослойный уплотнитель обладает возможностью деформироваться при переходе из транспортного положения в рабочее при малых сжимающих нагрузках

3 Разработан и изготовлен стендово-испытательный комплекс для исследования напряженно-деформированного состояния уплотнителей внутрискважинных герметизаторов,

4 Проведенные сравнительные стендовые испытания серийных и многослойных уплотнителей показали, что предлагаемые уплотнители обладают более высокой способностью воспринимать и поглощать прикладываемые к ним внешние нагрузки, чем стандартные

5 Разработан метод применения предлагаемых уплотнителей, расширяющий возможности проведения технологических операций в скважине увеличивающих нефтеотдачу пласта

6 Разработанные новые уплотнители и стендово-испытательный комплекс практически используются в ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть» для принятия обоснованных проектных решений

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (2001, первая премия), международном научном симпозиуме «Безопасность жизнедеятельности, XXI век» (Волгоград, 2001), научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «ТюменНИИгипрогаз» (2002, диплом 3-й степени и грамота), экологических чтениях (Волгоград, 2002), всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (М, РГУ нефти и газа, 2003, 2005, 2007), международной научной конференции молодых ученых «Организация и управление на предприятиях нефтегазового комплекса» (С -Пб, 2001), научно-практической конференции «Проблемы обустройства морских нефтегазовых месторождений северного Каспия и Балтики» (Волгоград, 2003), научных конференциях Волгоградской ГСХА (2001) и Волгоградской Г АСУ (2004, 2005) В полном объеме

диссертация доложена и обсуждена на научных семинарах Волгоградской ГСХА, ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгофадНИГШморнефть»

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 печатных работ, из них 5 патентов РФ, в тч 2 работы в научно-технических журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, утвержденный ВАК РФ

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников, включающего 158 наименований, и содержит 128 страниц машинописного текста, 82 рисунка, 6 таблиц, 3 приложения

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность за оказанную практическую помощь, и поддержку при написании диссертационной работы Пындаку В И, Ефимченко СИ, Репею AM, Поликарпову АД, Белоусову НН, Оганову Г С, Оганову А С, Гусману A M, Сухоносову Г Д, Смолянскому А А, Мухину Б M, Пуртову JIH

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, ее научная и практическая значимость, формулируются цели и задачи исследования

В первой главе дается анализ существующих типов и конструкций уплотнителей внутрискважинных герметизаторов (пакеров), рассмотрены основные виды причин, влияющих на надёжную установку различных пакеров в скважинах На основании анализа патентной и научно-технической литературы, приведена характеристика различных условий применения и эксплуатации уплотнительных элементов

Данной проблеме посвящены труды MA Абдуллаева, АФ Абрамова, ХА Асфандиярова, А Ф Беленькова, 3 И Захарчука, В И Крылова, Б M Курочкина, В Ш Локсина, РА Максутова, В И Масича, Я С Мкртычана, В И Пындака, ЮП Смирнова, ЭФ Соколовского, ГД Сухоносова, И Б Хейфеца, А А Цыбина, ЮЗ. Цырина, С С Яковлева, A M Ясашина, Hertz JR Darnel, Fan J, Yang X, P A Reinhard, Ross Colby, Rubbo Richard P, J.V Selemi, идр

В основе современных представлений о теории и практике применения внуфискважинных

герметизаторов и их уплотнительных элементов, лежат работы по разработке и классификации пакеров, работы по исследованию путей совершенствования пакеров и технологических схем их установки, исследования в области рациональной конструкции уплотнителей и характера их деформации

Патентная и научно-техническая литература показывают, что для решения проблемы установки пакера в скважине уплотнительные элементы можно армировать проволочными каркасами, вулканизировать твердые резиновые сферы в более мягкой резине, изменять наружную форму уплотнителя, соединять в наборы шайбы различной твердости Однако это не обеспечивает заметное снижение предварительных нагрузок и равномерного распределения контактного давления по высоте уплотнителя, так как, по сути, они являются лишь модификациями монолитного полого цилиндра, т е стандартного уплотнителя Это еще раз подтверждает необходимость создания принципиально новых уплотнителей и пакеров на их основе

Во второй главе представлены теоретические основы и технологические особенности многослойных уплотнителей Разработано на уровне изобретения схемно-конструктивное решение пакера с многослойным уплотнителем, основной особенностью, которого является уплотнитель, разделенный на три независимых эластичных оболочки (рис 1) Стенка уплотнителя в осевом сечении представляет собой три независимых вертикальных слоя Каждый слой имеет различную твердость Торцы наружного и внутреннего слоев армированы резиной повышенной твердости, внутренний слой изготовлен высокоэластичным и является передаточным звеном На уплотнителе

Рисунок 1 Внугрискважинный герметизатор с многослойным уплотнителем

предусмотрены особые разделительные кольца, выполненные в виде закрепленных на торцах обеих оболочек центрирующих колец с утопающими между ними выступами Уплотнитель позволяет получить в промысловых условиях не только простое и неэнергоёмкое уплотнение, но и обеспечить высокие пружинящие свойства, позволяющие вернуть его в транспортное положение после деформации

Разработана математическая модель работы многослойного и стандартного уплотнителей Изложены особенности установки многослойного уплотнителя в скважине, разработан алгоритм выбора режимов и геометрических характеристик при различных условиях работы Для описания напряжённо-деформированного состояния уплотнителя в условиях осесимметричной задачи использовался метод функции напряжений С П Тимошенко, интерпретированный нами следующим образом

т № т л пг Ж 1 д¥ д2^

где б - модуль сдвига, и„ иэ щ- перемещения, г, г, <р- цилиндрические координаты, а№ <?т Ощ> V т^ ха - нормальные и касательные напряжения в соответствующих координатах, ^ - потенциал деформации Ламе, как функция напряжения Применительно к нашей задаче данная функция является решением уравнения Лапласа для полого слоистого цилиндра в замкнутом объеме

Математическая модель напряженно-деформированного состояния стандартного и многослойного уплотнителей разработана для изучения физических процессов в уплотняемой зоне, которая основана на расчете напряжений в цилиндрических координатах трех слоев уплотнителя, параллельно деформируемых в три этапа установки, причем стандартный уплотнитель рассмотрен как однослойный Аналитически определены основные факторы, позволяющие снизить предварительную сжимающую нагрузку, и параметры, влияющие на равномерное распределение контактного давления Установлена связь между технологией изготовления уплотнительных

Рисунок 2 Расчётная схема многослойного уплотнителя

г.

Г1

р 3

Шг

г

элементов и работоспособностью уплотнителя, количественная взаимосвязь между такими технологическими факторами создания уплотняющего эффекта и характеристиками уплотнителей как количество слоёв, геометрическая форма, величина усилия, потребного для приведения уплотнителя в рабочее положение и распределения контактного давления по высоте Анализ показал, что на работоспособность уплотнителя влияют режимы установки (величина предварительной нагрузки,

скорость деформации, распределение напряжений), размеры и положение уплотнителя в пространстве, качество уплотняемой поверхности, форма и размеры уплотнителя, форма, параметры торцовых поверхностей уплотнителя и эффективность защиты уплотняемой поверхности, технологическая наследственность изготовления уплотнителя и другие параметры

Для описания напряжённо-деформированного состояния уплотнителя, состоящего из набора полых цилиндров, использовалась расчётная схема, имеющая вид, как показано на рисунке 2 В качестве математической модели была принята система алгебраических уравнений, связывающих геометрические параметры с режимами приведения уплотнителя в рабочее положение при воздействии перепада давлений Результаты теоретических исследований основных параметров и режимов установки уплотнителя пакера в скважине, описываются по методике С П Тимошенко, которая обобщена нами на случай слоистых полых цилиндров предложенной системой уравнений

Ьц, Ью, Ь12, Ьдз, Ь13 - неизвестные константы, определяемые из граничных

Ч*. = сое 01У0 (¡кг )+ Ьи (гкг )/, (¡кг )} Ч? п = соэ (кг 1Ь0^0 (¡кг )+Ьи (гкг )■/, (¡кг )} ¥3 = сое (кг Хб0з ¿о (1кг )+ Ь13 (гкг (¡кг )}

где

коэффициент, в котором^- длина цилиндра в начальный момент, Ь(

условий, // - функции Бесселя 1-го рода соответственно 0 и 1-го порядка, г, г - текущие координаты

Неизвестные коэффициенты функции напряжений определяются из решения системы линейных алгебраических уравнений

Для анализа характера деформации уплотнителя на первом этапе установки внутрискважинного герметизатора рассматривается случай с однослойным уплотнителем, что соответствует стандартному монолитному уплотнителю Аналогично решается система уравнений для многослойного уплотнителя, в которой неизвестные коэффициенты функции напряжений определяются из решения системы линейных алгебраических уравнений для каждого слоя Граничные условия удовлетворяются на каждом контуре уплотнителя приближенно Их точное соответствие выполняется в отдельных точках контура, число которых выбиралось произвольно Полученная система уравнений удовлетворяет уравнениям теории упругости при приближенном выполнении граничных условий

Полученные математические зависимости положены в основу алгоритма компьютерной программы РМЬ Особенностью программы является расчет параметров установки уплотнителя в скважине по трём программным циклам, обеспечивающим выполнение граничных условий Полученные значения напряжений на каждом цикле расчетов учитывались на последующих Результаты расчетов отображаются на диаграммах и эпюрах соответствующих напряжений На рис 3 и рис 4 приведены в качестве примера распределение радиальных напряжений по осевому сечению соответствующего уплотнителя и эпюры радиальных напряжений в радиальном сечении

Подобные графические отображения строятся по всем напряжениям в цилиндрической системе координат Примеры на рисунках 3 и 4, представляют наибольший интерес, так как радиальные напряжения в зоне контакта уплотнитель-стенка обсадной колонны являются контактными давлениями (напряжениями) Это - основной показатель герметизирующей способности

а) 37

' 53.5 ' '70'

Я, мм

Рисунок 3 Распределение радиальных напряжений по осевому сечению стенки уплотнительного элемента на первом этапе установки уплотнителя а) сплошного, 6) многослойного

-41,7

а г, МПа

Пкг

14,6

-17,

-30,5

-3,9/

-56,8

-30,0

-1,0

-44,8

-в.ЗгптттТТТЛ

-14,6

а)

-68,6

<т„ МПа -26,5

Рисунок 4. Эпюры радиальных напряжений в стенке уплотнительного элемента по радиальному сечению на втором этапе установки а) сплошного б) многослойного

уплотнителя дающий возможность сравнить характер распределения контактного давления в различных уплотнителях (рис 5)

Третья глава посвящена разработке методики экспериментальных исследований, целью которых было определение напряженно-деформированного состояния

многослойного уплотнителя в сравнении со стандартным уплотнителем Особенностью данных экспериментальных исследований являлось получение данных измерения непосредственно в зоне контакта уплотнитель-стенка обсадной колонны Для обеспечения прямого измерения было адаптировано специальное измерительное оборудование Объектами сравнительных испытаний при давлениях до 100 МПа были три вида уплотнителей стандартные монолитные (цельноформованные)

уплотнители, спрессованные резиновые шайбы различной твердости - «твердые» на торцах, «мягкие» в середине, а также разработанные нами на уровне изобретения многослойные уплотнители с вертикально расположенными слоями (рис 6) Все уплотнители имели одинаковые размеры

Для исследования указанных уплотнителей создан на уровне изобретения специальный гидравлический стендово-испытательный комплекс (рис 7), включающий три блока, испытательный, фиксирующий и силовой. Основу комплекса составляет трехмодульный блок модели скважины, блок управления и аналогово-цифровая измерительная система. В процессе экспериментальных исследований внугрискважинных герметизаторов (стандартных и многослойных) на специальном гидромеханическом стенде изменяли усилие сжатия уплотнителей и величину гидравлического давления Для этого проводили варьирование скорости деформации уплотнительного элемента, а также скорости и величины нарастания перепада давления под уплотняемой зоной

321 73,3

-аг МПа

Рисунок 5 Распределение контактного давления по высоте уплотнителя

а) п-1 - сплошной,

б) п=3 - многослойный

Рисунок 6. Многослойный уплотнитель в сборе к в разобранном виде

Рисунок 7. Фрагмент стен лоно-испытательного комплекса

В процессе экспериментов измерялись следующие параметры

1) давление жидкости в силовом гидроцилиндре,

2) перемещение штока силового гидроцилиндра,

3) давление жидкости в рабочем гидроцилиндре,

4) температура в рабочем гидроцилиндре;

5) контактное напряжение по высоте и окружности уплотнителя,

6) утечки рабочей жидкости через уплотнитель (при наличии),

7) состояние рабочей поверхности рабочего гидроцилиндра,

8) состояние уплотнительных элементов

В результате обеспечивалось физическое моделирование натурных условий, позволяющее с помощью специального программного обеспечения фиксировать в режиме реального времени изменения измеряемых параметров для дальнейшего их анализа и интерпретации

В четвёртой главе представлен анализ результатов экспериментальных исследований, который позволил выявить характер распределения контактного давления по высоте уплотнителей и установить зависимость между предварительной сжимающей нагрузкой и количеством слоев многослойного уплотнителя

На первом этапе определяли величину предварительно сжимающей нагрузки, прикладываемой к

уплотнителю, что соответствует режиму работы пакера в скважине при приведении его в рабочее состояние В ходе экспериментальных исследований была установлена зависимость предварительно сжимающей нагрузки от количества вертикальных слоев в уплотнителе (рис 8), причем значительные изменения в снижении предварительно сжимающей нагрузке наблюдались при переходе с двух вертикальных слоев на три слоя В результате полученных экспериментальных

Рисунок 8 Зависимость предварительно сжимающей нагрузки О от количества вертикальных слоев N в уплотнителе

данных предложена зависимость предварительно сжимающей нагрузки £> от количества вертикальных слоев N в уплотнительном элементе на первом этапе приведения пакера в рабочее положение = (К+1)/0,752*14, где К - коэффициент герметичности (К = (Рк~Рж)*Р, в котором Рк — контактное давление; Рж—давление запираемой жидкости при условии Рк > Рж), Р - площадь поперечного сечения деформированного уплотнительного элемента, количество вертикальных слоев в уплотнительном элементе

На втором этапе в стандартных (монолитных) и многослойных уплотнителях определяли величину и характер распределения контактного давления по высоте уплотнителя Все три уплотнителя подвергали нагруженною с изменением скорости нарастания усилия сжатия и перепада давления, которое приводило к изменению распределения контактного давления по высоте между уплотнителем и обсадной

колонной в начальный момент времени (рис 9)

Установлено, что распределение контактного давления существенно зависит от типа уплотнителя (рис 10) При этом наиболее равномерное распределение контактного давления обеспечивает многослойный

уплотнитель с вертикальным расположением слоев, твердость которых изменяется как в вертикальном, так и в радиальном направлении

Кроме того, многослойные уплотнители обеспечивают надежную герметизацию при высоких давлениях в различных рабочих средах Торцовые шайбы разрушений не имеют, хотя со стороны действия перепада давления наблюдались незначительные повреждения уплотняющих кромок на торцовой шайбе Таким образом, было показано, что пакер с многослойным уплотнителем удовлетворяет условиям

давления по длине уплотнительного элемента в зависимости от скорости приложения нагрузки

а) Стандартный уплотнитель (синий) - 1 (0,1 МПа/с), 2 (0,5 МПа/с), 3 (1 МПа/с), 4 (5 МПа/с),

б) Многослойный уплотнитель (зеленый) - 5 (0,1 МПа/с), 6 (0,5 МПа/с), 7 (1 МПа/с), 8 (5 МПа/с)

работоспособности в скважине при высоком давлении (до 90 МПа) В то же время серийные пакеры оказались работоспособными только при давлении до 70 МПа.

Н мм

С

\ц \/ X б

Я / \ .— г

\ V 1 1 л

\ с

-Ог Н1а

Рисунок 10 Распределение контактного давления в зависимости от типа уплотнительного элемента

а - монолитный, б - многослойный с горизонтальными слоями и переменной твердостью по вертикали, в - многослойный однородный с вертикальными слоями, г - многослойный с вертикальными слоями и переменой твёрдостью по радиусу, д - многослойный с вертикальными слоями и переменной твердостью по вертикали и радиусу

В результате сравнительных испытаний стандартных (монолитных) и многослойных с вертикально расположенными слоями уплотнителей стало возможным сделать следующие вывода

1 Герметизирующая способность многослойного уплотнителя при указанных давлениях за счёт независимой деформации слоев обеспечивает меньшую предварительную сжимающую нагрузку при ограниченном предварительном поджатии,

2. За счет меньшей силы трения между слоями, по сравнению с силой трения между уплотнителем и обсадной колонной и меньшей твёрдостью внутреннего слоя, обеспечивается равномерное распределение контактного давления по высоте уплотнителя,

3 Контактное давление, возникающее от предварительной сжимающей нагрузки в многослойном уплотнителе, в основном, пропорционально силе

трения между слоями уплотнителя, поэтому контактное давление многослойного уплотнителя в 2-3 раза меньше, что повышает долговечность внугрискважинного герметизатора в целом

4 Ресурс работы многослойных уплотнителей с вертикально расположенными слоями при высоком давлении (не менее 80 МПа) при герметизации модели обсадной колонны превысил в три раза ресурс стандартных уплотнителей в аналогичных условиях

Сравнение полученных расчетных параметров (величина предварительной нагрузки, контактное напряжение и его распределение, высота и количество слоев уплотнителя) с экспериментальными показало, что относительная погрешность их сходимости не превышает 10% Это обеспечивает возможность при сопоставлении результатов расчетов выбирать рациональный вариант технологии установки, например, минимальную предварительную нагрузку при достаточно высоком уровне воспринимаемых давлений и тд.

Питая глава посвящена оценке экономической эффективности применения пакеров с многослойными уплотнителями на примере проведения гидравлического разрыва пласта в процессе освоения скважины

0,06 0,05 0,04

Р(х)

0,03 0,02 0,01 0

0 20 40 60 D 80 100 120 140

Р, МПа

Рисунок 11 Вероятность распределения предельных давлений в заданных интервалах для определения области аварии

1 - кривая распределения давлений гидроразрыва, 2 - кривая распределения предельных давлений стандартных уплотнительных элементов, 3 - кривая распределения предельных давлений многослойных уплотнительных элементов

Экономический эффект от применения технологии герметизации обсадной колонны определяется путем сравнения затрат на проведение гидравлического разрыва пласта и на ликвидацию аварий с использованием многослойных уплотнителей с затратами при применении стандартных (монолитных) уплотнителей в аналогичных случаях

Принятие решений при проведении технологических операций в скважине определяется не только на детерминированном уровне, но и в случае, когда на технологический процесс влияет много случайных факторов Это предопределяет степень вероятности выхода из строя уплотнителя внутрискважинного герметизатора при заданных условиях эксплуатации Тем самым, экономическая эффективность обуславливается оценкой вероятности отказа объекта в течение определенного времени, т е эту оценку можно рассматривать как оценку математического ожидания вероятности наступления Р(х) некоторой случайной величины в зависимости от р (рис 11) Применение технологии герметизации обсадной колонны с помощью многослойных уплотнителей обусловлено экономическим эффектом, выраженным разницей между вероятными затратами на ликвидацию аварии со стандартным уплотнителем и затратами на ликвидацию аварии с многослойным уплотнителем

В = ШР , - ШР 2 + Е , где й7- затраты на проведение работ, Р1 - вероятность отказа стандартного уплотнителя, Р2—вероятность отказа многослойного уплотнителя, Е— экологический ущерб от выброса нефти в результате возникновения аварии

Е = Ь Б

?

здесь Ь - экологический урон от выброса 1 т нефти, руб/т, И - количество сброшенной нефти, т

Возможное значение экономического эффекта от применения многослойных уплотнителей относительно монолитных определялась путем сравнения затрат на ликвидацию аварий и проведение гидравлического разрыва пласта на один комплекс в год и была оценена в 1,7 млн руб без учета выгоды от предотвращения экологического ущерба

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Созданы новые и усовершенствованные методы герметизации обсадных колонн, обеспечивающие необходимое качество герметизации и снижение затрат при строительстве, освоении и ремонте скважин, повышение экологической безопасности с применением многослойных уплотнителей с эластичными оболочками

2 Теоретически обосновано и практически доказано, что снижение предварительной нагрузки, равномерное распределение контактных напряжений и безаварийный возврат в транспортное положение уплотнителя внутрискважиннош герметизатора, приводимого в рабочее состояние за счёт внешней сжимающей нагрузки, возможно путем деления объёма уплотнителя на как минимум три вставленные друг в друга эластичные оболочки

3 Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния уплотнителя пакера при различных сочетаниях свойств слоев с введением функции напряжений в уравнение линейной теории упругости, причём особенностью модели является расчет напряженно-деформированного состояния в три этапа — до соприкосновения со стенкой обсадной колонны, до заполнения уплотняемого пространства и до набора рабочего давления в запираемой зоне

4 Аналитическими исследованиями показано, что в многослойном уплотнителе предварительно сжимающая нагрузка на первом этапе приведения внутрискважиннош герметизатора в рабочее состояние может быть в 3 - 5 раз ниже по сравнению со стандартным уплотнителем, а после создания рабочего перепада давления контактное напряжение равномерно распределяется по высоте многослойного уплотнителя

5 Экспериментально установлено, что резкое уменьшение величины предварительно сжимающей нагрузки наблюдается при переходе деления с двух вертикальных слоев на три слоя уплотнительного элемента

6 Экспериментально доказано, что применительно к монолитным уплотнителям наибольшие контактные давления, деформации и прогрессирующий износ имеют

место на их торцовых поверхностях, а максимальные напряжения приходятся только на 1/3 часть высоты уплотнителя со стороны действия перепада давлений

7. При использовании многослойного уплотнителя, контактные напряжения распределяются практически по всей его высоте, причём по краям уплотнителя происходит снижение контактных напряжений относительно рабочей зоны в 5 10 раз

8 При давлении рабочей среды до 80 МПа многослойные уплотнители по сравнению с монолитными характеризуются отсутствием «выдавливания» резины в уплотняемый зазор и многократным повышением устойчивости к воспринимаемой нагрузке. Дополнительное повышение эффективности многослойных уплотнителей достигается за счет армированных торцовых колец твёрдостью выше твердости рабочих слоев

9 Создан стендово-испытательный комплекс, обеспечивающий условия, приближенные к реальным, и состоящий из трехмодульного блока модели скважины, блока управления и аналогово-цифровой измерительной системы

10 Возможная экономическая эффективность многослойных уплотнителей относительно монолитных рассчитывалась путем сравнения затрат на ликвидацию аварий при проведении гидравлического разрыва пласта на один комплекс в год и была оценена в 1,7 млн руб без учета выгоды от предотвращения экологического ущерба

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Щербин А В Многослойные эластичные оболочки для герметизации нефтяных скважин при их строительстве и ремонте//Материалы 6-й Региональной конф молодых исследователей Волг обл - Волгоград, 2001 - С 33-35

2 Щербин А В Применение многослойных эластичных оболочек в нефтяном оборудовании//Организация и управление на предприятиях нефтегазового комплекса Материалы междунар науч конф молодых ученых - С-Пб, 2002-С 212

3 Щербин А В Концепция создания внутрискважинных герметизаторов на основе многослойных эластичных оболочек // Проблемы развития газовой

промышленности Западной Сибири Материалы 12-й научно-практ конф молодых учёных и специалистов - Тюмень, 2002 -С 123

4 Щербин АВ, Ефимченко СИ, Пындак В И Экономическая эффективность применения многослойных уплотнительных элементов пакеров при проведении ГРП// Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России 6-я Всерос научно-техн конфУРГУ нефти и газа,- М, 2005 - С 220 - 221

5 Щербин А В Влияние вертикально ориентированной слоистой структуры уплотнительного элемента на надежность и эффективность работы внутрискважинного герметизатора//Актуальные проблемы состояния и развития нефтегаз комплекса России 7-я Всерос научно-техн. конф / РГУ нефти и газа- М, 2007 - С 350

6 Пындак ВИ, Щербин АВ, Ефимченко СИ Перспективные многослойные внугрискважинные герметизаторы для работы в осложненных условиях//Строигельство нефтяных и газовых скважин на суше и на море .-2004 - №12 - С 13 -17

7 Пындак В И, Щербин А В, Ефимченко С И Технико-экономическая эффективность внутрискважинных герметизаторов на основе многослойных эластичных оболочек/ТНефтепромысловое дело -2005 -№3 -С27-31

8 Поликарпов АД., Пындак В И, Мухин БМ, Щербин А В Исследование начального нагфтённо-деформированного состояния уплотнительного элемента пакера с многослойными эластичными оболочками//Вестник ассоциации буровых подрядчиков -2006-№4 -С 38-47

9 Пындак В И, Щербин А В Экология и безопасность жизнедеятельности при обустройстве и ремонте нефтяных скважин//Безопасносгь жизнедеятельности, XXI век Материалы междунар науч симпоз - Волгоград, 2001 - С.27 - 29

10 Поликарпов А Д, Щербин А В Экспериментальная отработка внутрискважинных уплотнителей //Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России. 5-я Всерос научно-техн конфУ РГУ нефти и газа - М, 2003 -С 48

11 Пындак ВИ, Щербин АВ, Ефимченко СИ Повышение эксплуатационно-технологических показателей внутрискважинных герметазаторов//Там же -С 11

12 Поликарпов А. Д., Щербин А В Технология заканчивания скважин с применением комплексного внугрискважинного оборудования //Гам же -С 351

13 Пындак В И., Щербин А В Повышение надёжности и долговечности уплотнительных элементов пакера//Тр ОАО «ВолгоградНИПИморнефтъ».-2001 - Выл 58-С 135-143

14 Пындак В И, Щербин А В Применение многослойных эластичных оболочек для герметизации нефтяных скважин//Тр ООО «ЛУКойл-ВолгофадШШИморнефтъ»— 2002.-Вып 60-С95-101

15 Поликарпов АД., Пындак В И, Щербин А В Повышение экологической безопасности при строительстве и ремонте нефтегазовых скважин/УПоволжский экологический вестник - 2002 - Вып. 9 - С 131 -132,136 -140

16 Поликарпов АД., Щербин АВ, Пындак ВИ, Душко О В Возможности повышения долговечности нефтепромысловых насосных агрегатов и снижения их энергоемкости//Тр ООО «ЛУКойл-ВолгоградНИПИморнефть» -2003 -Вып 61 -С 182-39

17 Поликарпов АД., Пындак В И, Щербин А В Повышение эксплуатационных свойств внутрискважинных герметизаторов/Яр ООО «ЛУКойп-ВолгофадНИПИморнефгь» - 2004 - Вып. 63 - С 24 - 39

18 Пуртов ЛН, Щербин А.В Механические напряжения в колонне НКТ, оборудованной пакером//Тр ООО «ЛУКойл-ВолшфадНИПИморнефть» - 2004- Вып 63-С 40-45

19 Поликарпов АД., Щербин АВ, Пындак В И Математическая модель многослойного уплотнительного элеменга//Тр ООО «ЛУКойл-ВолгофадНИПИморнефгь» —2005—Вып 64-С 270 -277

20 Пындак ВИ, Щербин АВ, Азиев ВЗ Повышение эксплуатационных показателей резинотехнических изделий//ИЛ № 51-019-01 ВолгЦНТИ. - 3 с

21 Пындак В И, Щербин А В, Душко О В Возможности повышения долговечности и снижения энергоемкости нефтепромысловых насосных агрегатов/ТИнтернет, ЬЦр//ритр5Уо1а.пшги/пБУегеЬ1т -2001 - 8с

22 Пындак В И, Щербин А В Высокоэффективное цилиндропоршневое устройство объемной гидромашины//ИЛ № 51-039-02 ВолгЦШ'И - 4 с

23 Методы повышения надежности и долговечности нефтепромысловых герметизаторов/Поликарпов АД, Пындак В И, Щербин АВ, Лапынин ЮГ/ АО «ВолгоградНИПИморнефть» -Волгоград,2002 - 5 с

24 Пындак В И, Щербин А В Внутрискважинный герметизатор высокой эластачности//ИЛ № 51-034-04 ВолгЦНТИ - 4 с

25 Пат № 2175403 РФ Цилиндропоршневой узел насоса/Щербин А В, Поликарпов АД,ПындакВИ,ЛапынинЮГ-2001 Бюл №30

26 Пат №2211912 РФ Пакер/Поликарпов АД, Пындак В И, Щербин АВ-2003, Бюл №25

27 Пат № 2230176 РФ Устройство для герметизации устья скважины/ Поликарпов А Д, Пындак В И, Стахов Б Г, Щербин А В - 2004, Бюл № 16

28 Пат № 2230957 РФ Уплотнение неподвижного соединения/Пындак В И, Лапынин Ю Г, Боев И В, Щербин А В -2004 Бюл №17

29 Пат № 2247222 РФ Стенд д ля испытания пакеров/Пындак В И, Щербин А В, Трохимчук М В - 2005, Бюл №6

\

1

Подписано к печати 28 08 2007 г Формат 60x84/16 Бумага офсетная Печать плоская Уел -изд, л 1 01 Тираж 100 экз Лицензия ИД №02721 от 30 августа 2002 г

ООО «ЛКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть» 400005, г Волгоград пр Ленина 96 лаборатория вскрытия пластов и освоения скважин

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Щербин, Алексей Викторович

Введение.

1. Современное состояние проблемы и задачи исследований.

1.1. Современный технический уровень и тенденции технического развития внутрискважинных герметизаторов.

1.2. Предпосылки экспериментально-теоретических исследований уплотнительных элементов внутрискважинных герметизаторов.

1.3. Задачи исследований.

2. Разработка и аналитическое исследование внутрискважинных герметизаторов на основе многослойных эластичных оболочек.

2.1. Схемно-конструктивные решения внутрискважинного оборудования при современных методах строительства и ремонта нефтегазовых скважин.

2.2. Поисковые аналитические эксперименты по обоснованию методики расчёта уплотнительных элементов.

2.3. Математическая модель напряжённо-деформированного состояния многослойных и традиционных уплотнительных элементов.

2.4. Результаты аналитического исследования герметизаторов. Оценка их деформированного состояния и оптимизация отдельных показателей.

3. Объекты и методика экспериментальных исследований.

3.1. Стендовое оборудование для испытаний внутрискважинных герметизаторов и объекты исследований.

3.2. Методика экспериментальных исследований на стенде.

4. Основные результаты экспериментальных исследований.

4.1. Сравнительные результаты испытаний серийных и многослойных уплотнительных элементов из маслобензостойкой резины.

4.2. Влияние вертикального расположения слоёв на работоспособность уплотнительного элемента.

5. Технико-экономическая эффективность совершенствования многослойных уплотнителей.

5.1. Перспективные герметизаторы и уплотнители, и их возможные области применения.

5.2. Пример определения технико-экономической эффективности внутрискважинных герметизаторов на основе многослойных эластичных оболочек.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Создание внутрискважинных герметизаторов с многослойными эластичными оболочками для строительства, освоения и ремонта скважин"

Актуальность проблемы. Проблема герметизации нефтяных и газовых скважин в процессе бурения, освоения и последующей эксплуатации, в том числе при капитальном ремонте, не утрачивает своей актуальности. В последнее время в нефтегазодобывающей отрасли наблюдается интенсификация добычи нефти и газа. Поэтому остро стоит задача обеспечения безопасности технологических процессов в нефтегазодобывающей отрасли и предотвращения негативного воздействия на природу. Проблемы безопасности возрастают в связи с развитием бурения горизонтальных скважин.

Объектом исследования данной работы являются уплотнительные элементы внутрискважинных герметизаторов (пакеров), их состояние и работоспособность в условиях подготовки и проведения различных операций по разобщению ствола скважины в процессе воздействия на продуктивный пласт.

За последние годы в нефтегазовой отрасли достигнуты определённые успехи как в области конструктивных решений и технологии применения, так и в области теоретических исследований работоспособности уплотнительных элементов внутрискважинных герметизаторов. Однако многие конструкции уплотнителей не соответствуют требованиям надёжности в эксплуатации. Теоретические исследования не раскрывают в полной мере механизма работоспособности уплотнительного элемента. Нет обобщающего комплексного подхода к функционированию уплотнителей.

Актуальность темы исследования определяется двумя обстоятельствами.

Во-первых, необходимостью обеспечения надёжной герметизации скважины, обусловленной такими свойствами материала уплотнительного элемента, которые позволяли бы достигать максимального контакта его наружной поверхности со стенками скважины для создания между ними надёжного уплотняющего эффекта. При этом должно выполняться условие не выдавливания уплотнительного элемента в уплотняемый зазор, что исключает прихват инструмента в скважине.

Во-вторых, решение задачи надёжной герметизации ствола скважины не должно вступать в противоречие с необходимостью безаварийного извлечения внутрискважинного инструмента из скважины, что обеспечивается, в свою очередь, способностью уплотнительного элемента сохранять первоначальную форму после снятия нагрузок и возвращаться в транспортное положение, за счёт упругих свойств материала, из которого он изготовлен.

В этой связи изучение свойств и механизма работоспособности уплотнительных элементов внутрискважинных герметизаторов вызывает интерес своей противоречивостью между процессом разобщения ствола скважины и необходимостью извлечения инструмента. Задача устранения этих противоречий - это сложная научно-техническая проблема, поскольку применение внутрискважинных герметизаторов ведётся во всё более осложнённых условиях - рост глубин, освоение шельфовых месторождений, строительство многоствольных, наклонных и горизонтальных скважин, повышение экологических требований к технической безопасности. Незначительные упущения в технологической цепи поиска и добычи углеводородного сырья, может привести к непредсказуемым техногенным последствиям. Именно поэтому исследование по повышению надёжности и долговечности уплотнительных элементов внутрискважинных герметизаторов актуально как в техническом, так и в научном аспекте. Исследование должно сопровождаться созданием новых схемно-конструктивных решений и принципов действия пакеров.

Усложнение условий эксплуатации, новейшие технологии проводки обустройства и последующего ремонта нефтегазовых скважин предопределяют необходимость создания принципиально новых внутрискважинных герметизаторов, работоспособных в осложнённых условиях, в том числе в горизонтальных скважинах, при повышенных давлениях и температурах.

Цель исследования. Разработать новые схемно-конструктивные решения и обосновать показатели работоспособности уплотнителей внутрискважинных герметизаторов на основе многослойных эластичных оболочек, провести необходимые теоретические и экспериментальные исследования.

Объект и предмет исследования. Многослойные уплотнительные элементы внутрискважинных герметизаторов, методы обеспечения их высокой надёжности. Напряжённо-деформированное состояние многослойных уплотнительных элементов, её решение и интерпретация методами теории упругости с элементами оптимизации уплотнительных элементов. Экспериментальные исследования эффективности новых технических решений.

Научная новизна. Обосновано новое направление в создании и совершенствовании уплотнительных элементов внутрискважинных герметизаторов на основе многослойных эластичных оболочек, работающих в осложнённых условиях при бурении, освоении и ремонте нефтегазовых скважин. Разработана математическая модель напряжённо-деформированного состояния многослойных уплотнительных элементов на основе линейной теории упругости с учётом потенциала Ламе, как функции напряжения являющейся решением уравнения Лапласа полого цилиндра в замкнутом объёме при осесимметричном нагружении. Установлено, что методы линейной теории упругости в сочетании с экспериментальным методом характера напряжений позволяют изучать работоспособность резиноёмких внутрискважинных уплотнителей и решать задачи их оптимизации. Новизна технических решений защищена изобретениями.

Достоверность разработанных положений, выводов и рекомендаций подтверждена практикой конструирования, решением аналитических задач на ЭВМ, испытаниями на стенде с имитацией жёстких условий эксплуатации, а также апробацией на научных и научно-практических конференциях, изготовлением и апробацией образцов в составе установок, работающих в реальных условиях, а так же апробацией на научных конференциях.

Практическая значимость. Создан многослойный уплотнительный элемент, применение которого позволяет увеличить перепад воспринимаемого давления и значительно уменьшить предварительные сжимающие нагрузки, необходимые для установки инструмента в скважине. Это позволяет перераспределить и снизить контактные напряжения между пакером и обсадной колонной, повысить эластичность и приспособляемость уплотнителя, предотвратить нерациональный износ и выдавливание в уплотняемый зазор резины, а также расширить диапазон технологических операций, увеличивающих нефтеотдачу. Для повышения надёжности работы и отработки конструктивных решений по уплотнителям создано стендово-испытательное оборудование с имитацией жёстких условий эксплуатации в скважине.

На защиту выносится:

1) многослойный уплотнитель, обладающий возможностью деформироваться при переходе из транспортного положения в рабочее при меньших нагрузках;

2) аналитический метод определения распределения внутренних напряжений в монолитном и многослойном уплотнителях;

3) стендово-испытательный комплекс для исследования напряжённо-деформированного состояния уплотнителей внутрискважинных герметизаторов;

4) сравнительные результаты экспериментальных исследований серийных и многослойных уплотнителей.

Реализация работы. Стендово-испытательное оборудование изготовлено и использовалось в ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть». Создан многослойный уплотнительный элемент.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (2001, первая премия); международном научном симпозиуме «Безопасность жизнедеятельности, XXI век» (Волгоград, 2001); научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «ТюменНИИгипрогаз» (2002, диплом 3-й степени и грамота); Экологических чтениях (Волгоград, 2002); научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (М., РГУ нефти и газа, 2003,2005,2007); международной научной конференции молодых учёных «Организация и управление на предприятиях нефтегазового комплекса» (С.-Пб., 2001); научно-практической конференции «Проблемы обустройства морских нефтегазовых месторождений северного Каспия и Балтики» (Волгоград, 2003); научных конференциях Волгоградской ГСХА (2001) и Волгоградской ГАСУ (2004, 2005), научно-технической конференции ООО «ЛЖОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть» (2003), молодых учёных и специалистов.

В полном объёме диссертация доложена и обсуждена на научных семинарах Волгоградской ГСХА, ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть».

Разработки автора демонстрировались на: межрегиональной выставке «Оборудование. Нефть. Газ. Химия» в экспозиции ООО «ЛУКОИЛ-ВолгоградНИПИморнефть» (Волгоград, 2002, экспозиции . - первое место, автору - свидетельство); выставке предприятий Москвы и Волгограда, секция «Наука Волгограда - производству» (Волгоград, 2002).

Публикации. С участием автора по теме диссертации опубликовано 29 работ, из них 5 патентов РФ на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников -158 наименований, содержит 128 страниц машинописного текста, 82 рисунка, 6 таблиц, 3 приложения.