Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Теоретическое обоснование использования гибких труб из армированных полимерных материалов для заканчивания и ремонта скважин

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Теоретическое обоснование использования гибких труб из армированных полимерных материалов для заканчивания и ремонта скважин"

Для служебного пользования

оог2.

На правах рукописи УДК 622.665

КРАСОВСКАЯ НИНА ИВАНОВНА

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИБКИХ ТРУБ ИЗ АРМИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАКАНЧИВАНИЯ И РЕМОНТА СКВАЖИН

Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень - 2001

Работа выполнена в Тюменском государственном нефтегазовом университете (ТюмГНГУ )

Научный руководитель - доктор технических наук Никифоров В.Н.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Якубовская С.В.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Ишкаев Р.К.; - кандидат технических наук, профессор Бочарников В.Ф.

Ведущее предприятие - Тюменский научно-исследовательский и проектный институт природного газа и газовых технологий ( ОАО ТюменНИИгипрогаз )

Защита состоится 21 апреля 2001г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.01 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625039, г.Тюмень, ул. 50 лет Октября, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625000, г.Тюмень, ул. Володарского, 38.

Автореферат разослан 21 марта 2001 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.П.Овчинников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время в российской нефтедобыче значительно выросли объемы работ, связанные с подземным и капитальным ремонтом скважин, а также со вторичными воздействиями на пласт. Проведение этих работ сопровождается постоянным усложнением условий эксплуатации скважинного оборудования, что приводит к увеличению числа аварийных ситуаций на нефтепромыслах.

К наиболее распространенным причинам аварий со стальными трубами, применяемыми для внутрискважинных операций относятся: недостаточная устойчивость материала труб к агрессивным средам, снижение прочности и герметичности колонны труб в местах резьбовых соединений, усталостные разрушения.

В этой связи более перспективными являются технологии проведения внутрискважинных операций с помощью длинномерных гибких труб из коррозионно-стойких материалов, которые не только ведут к уменьшению числа аварийных ситуаций на промыслах, но и значительно сокращают время на проведение буровых и ремонтных работ.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования в области совершенствования установок с гибкими трубами как за рубежом, так и в России. В первую очередь они связаны с использованием альтернативных материалов для изготовления гибких труб и методами расчета их на прочность.

Вопросам разработки конструкций установок с гибкими трубами и расчетов на прочность этих труб посвящены работы многих авторов, таких как: K.R. Newman, U.B. Sathuvalii, L.R. Stone, S. Wolhart, W.P. Adrichem, D.G. Gordon, D.J. Newlanda, Матур А., Вайншток C.M., Молчанов А.Г., Некрасов В.И., Чсрнобровкин В.И. и др. В этих работах исследуются возможности изготовления гибких труб из титана, алюминия, композитных и других материалов.

Однако до сих пор нет научно-технического обоснования возможное™ применения полимерных многослойных труб в качестве гибкой колонны пр1 проведении работ на скважине, что связано с отсутствием методики расчет: таких труб на прочность.

Цель исследования

Теоретическое обоснование использования гибких труб из полнмеро! для совершенствования технологий ремонта и заканчивания скважин.

Задачи исследования

1 Анализ существующих направлений в области совершенствования эксплуатационных свойств гибких труб из различных материалов и методов расчета их на прочность.

2 Исследование факторов, определяющих эксплуатационную надежность длинномерных гибких труб.

3 Разработка методики расчета многослойных гибких труб из армированных полимерных материалов.

4 Обоснование условий их применения.

Научная новизна

1 Теоретически обоснована и экспериментально установлена возможность использования многослойных труб из армированного полиэтилена в качестве длинномерных гибких труб на барабане для проведении скважинных работ,

2 Разработаны программы расчета на прочность длинномерной гибкой трубы из армированного полиэтилена с учетом этапов ее эксплуатации, позволяющие подбирать оптимальные сочетания параметров конструкции.

Практическая ценность

Разработанная методика расчета гибких труб принята к внедрению для применения в проектировании конструкций, предназначенных для внутрипромыслового транспорта и проведения некоторых внутрискважинных операций в НГДУ «Азнакаевскнефть».

Разработана технология спуска длинномерной трубы из армированного полиэтилена с учетом особенностей ее материала.

Апробация работы

Основные положения и результаты ' диссертационно« работы докладывались на семинарах кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» института нефти и газа Тюменского государственного нефтегазового университета, на международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири» (Тюмень, 1996), на Всероссийской научно-технической конференции «Эксплуатация технологического транспорта и специальной автомобильной и тракторной техники в отраслях топливно-энергетического комплекса» (Тюмень, 1998), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы совершенствования технологий строительства скважин и подготовки кадров для Западно-Сибирского нефтегазодобывающего комплекса» (Тюмень, 2000), на заседаниях научно-технических советов ОАО Запсибгазпром, ОАО ТгоменНИИгипрогаз и НГДУ «Азнакаевскнефть».

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах.

Объем н структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающих 110 наименований. Объем работы 130 страниц, в том числе 23 рисунка и 24 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика содержания диссертации, обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическая ценность.

В первом разделе проведен обзор зарубежного и отечественного опыта применения установок с длинномерными гибкими трубами в нефтегазовой отрасли, а также основных направлений в области совершенствования технологий с использованием этих установок и'их конструкций.

Установка с колонной гибких труб ( колтюбинг) - это конструкция, основой которой является барабан с намотанной непрерывной колонной труб

и системой ее подачи в скважину. В состав установки входит также кабина оператора, система автоматики, система контроля параметров труб, система вычислительной техники для выполнения рабочих операций. Установка с гибкими трубами обычно выполняется в транспортабельном виде (на базе мощного автомобиля и трейлера). Большой диаметр барабана позволяет трубам сохранять свою форму и состояние при напряжениях ниже предела текучести материала труб.

Использование гибких труб (ГТ) нашло широкое применение при бурении и ремонте скважнн, при этом сокращается время и количество рабочих для проведения операций, отпадает необходимость в использовании установок для ремонта скважин, отпадает необходимость в глушении скважин, отсутствуют соединения, через которые возможны утечки, более успешно выполняются различные операции в горизонтальных скважинах, не повреждается продуктивный пласт, повышается безопасность проведения операций, обеспечивается экономия пространства при монтаже поверхностного оборудования, в большей степени обеспечивается охрана окружающей среды и др.

Но в работе с ГТ есть и недостатки: тенденция колонн ГТ к скручиванию; ограниченная длина труб, размещаемых на барабане; при проведении операций на большой глубине отдельные плети приходится сваривать; трудности с осуществлением ремонта ГТ в промысловых условиях; большие габариты барабана, который нелегко поднимать и транспортировать; малую по сравнению с обычными бурильными трубами усталостную выносливость и т.д.

Гибкие трубы изготавливаются в основном из стали. Но анализ проблем, связанных с оснащением нефтегазовой отрасли новыми высоконадежными трубами показывает, что повышенная коррозия, образование отложений на поверхности труб, эксплуатируемых в скважинах, высокая стоимость стальных труб, трудоемкость работ при транспортировке и спуске их в скважину могут ограничить использование стальных труб в будущем. Поэтому для снижения металлоемкости нефтегазопромысловых работ, уменьшения веса колонн ГТ,

увеличения срока службы предпринимаются попытки их производства из других материалов. В той связи доминирующие материалы дополняются или заменяются новыми композитными сочетаниями, в которых особое значение придается полимерам.

В данной работе гибкие трубы, применяемые на нефтепромыслах, классифицированы по двум признакам: по назначению и материалам, из которых они изготавливаются. Штриховыми линиями обозначены виды труб, применение которых в настоящее время еще только исследуется ( рисунок 1 ).

Трубы, изготовленные на основе полимеров имеют несколько преимуществ перед стальными: высокая коррозийная стойкость к воздействию агрессивных химических сред, низкие потери при напоре, что увеличивает на 10-15% пропускную способность, относительная легкость и гибкость, что упрощает и удеЩевляет погрузочно-разгрузочные, транспортные и монтажные работы, высокий гарантийный срок службы (до 50 лет), самогерметизация с повышением давления. Для изготовления пластмассовых труб применяется чаще всего полиэтилен высокой и низкой плотности. Технические характеристики труб из пластмасс улучшаются с применением различных способов их армирования (в 20-100 раз повышается прочность термопластика при применении волокон). Для армирования применяют металлические, стекдяные, лавсановые, полиэфирные, арамидные н др. нити. Достигаемые механические свойства зависят от механических свойств основного материала и волокон, их объема, размеров и ориентации, характера адгезии между армирующим и основным материалами.

Широкое применение армированных пластмассовых труб в промысловой практике должно базироваться на знаниях их физико-химических свойств в условиях, приближенных к условиям эксплуатации, что требует особых, методов расчета их на прочность.

Вопросам расчета на прочность конструкций, работающих как гибкая труба в области пластических деформаций посвящены работы многих авторов, занимающихся вопросами теории криволинейных стержней.

Рисунок 1 -

Классификация гибких труб для нефтепромыслов

К ним можно отнести работы Бейлина Е.А., Мулляминова Р. М, Касумова А. К., Степаненко А. Н., Антонова В.В., Павелко В. П.. Павелко И. В., Friedman Z„ Kosmatka J.B., Kim Jin Gon, Kim Yoon Young Massa Julio C., Barbero Ever J., Ляховича Л.С., Крайнова A.B., Одинокова А.Ю., Савинова В.И. и др.

Однако, несмотря на большое количество различных методик расчета, не решены задачи по определению напряженно-деформированного состояния таких конструкций, как многослойная длинномерная гибкая труба.

На основании проведенного обзора сделан вывод о том, что для дальнейшего совершенствования технологий буровых и ремонтных работ с применением длинномерных гибких труб необходима методика расчета на прочность многослойных труб из полимеров, позволяющая учитывать работу конструкции в области пластических деформаций при внутреннем давлении.

Во втором разделе выполнен анализ напряженного состояния гибкой трубы при ее эксплуатации. Эксплуатационный процесс включает в себя несколько основных этапов. На первом этапе рассматривается состояние трубы, подвергающейся изгибу от барабана при одновременном действии на нее внутреннего давления технологической жидкости, подаваемой в скважину. Наибольшие напряжения возникают на первом витке трубы у сердечника барабана, поскольку именно здесь материал ее подвергается комбинированному воздействию деформаций, выходящих за пределы упругости. На следующем этапе, при размотке с барабана деформированная труба ведет себя упруго и подвержена растяжению и внутреннему давлению. Далее при прохождении направляющей арки труба вновь подвергается комбинированному воздействию внутреннего давления и изгиба. После этого при спуске трубы в скважину, она подвергается сжатию и внутреннему давлению.

Поэтому в основу построения методики расчета на прочность такой :ложной конструкции была положена специально разработанная математическая модель, которая учитывает работу длинномерной гибкой

трубы в зоне пластических деформаций при изгибе и внутреннем давлении одновременно. Модель представлена в форме дифференциальных уравнений, описывающих работу длинномерной трубы с учетом условий ее эксплуатации.

Величина деформации трубы от изгиба (к/2 ) в сочетании с деформацией от внутреннего давления (£"/ ) в произвольной точке

поперечного сечения трубы по высоте представляется как:

гк - РаГв» Лк гк

¿Я" П

где X - координата точки, в которой определяется деформация, изменяемая в пределах 2 С (- Гп; Г„ );

ра - внутреннее давление в трубе;

ГШ1 - внутренний радиус поперечного сечения трубы;

к- толщина стенки трубы;

IV - прогиб;

и -перемещение в направлении Б;

Лцк — коэффициент, учитывающий соотношение между переменным модулем (Ес) и коэффициентом поперечной деформации (V).

С учетом выражений (1) получены дифференциальные уравнения, которые в результате проведенных преобразований представлены в операторной форме:

I, (и)+ + £,(£,) = 0

¿2(и) + Ь2(м) + Ь2 (вв) = д. (2)

¿/ г/ йи йВи 1 ¿ги \ с!и с!С

г / \ и и ии иои 1 а и _

А М = тт" п+ -1—г1+

п

где Л Л К ¿я2 К <к Л

ЗУ ?

_ / ч с/ б? \vdCi, / ¿ги>

с}2\уЛСп 1 <13\у в 1 (Юц , ¿й"3 11 С182~~с& Л Л3 " Л Л2 Л

т и р л Р йс12 итл

¿И СИ /< Л ОУ

в}},в]2, си,с12, -оц, оц и т.д. - приведенные характеристики жесткости растяжения, сжатия и изгиба .

Предложенная модель расчета позволяет прогнозировать напряженно-деформированное состояние гибкой трубы при различных нагрузках в зависимости от геометрических параметров конструкции. Это позволит в свою очередь определять область применения данных установок при проведении скважинных работ.

Обоснование достоверности представленной математической модели проведено в сравнении с известными уравнениями криволинейных стержней.

В третьем разделе выполнен анализ проведенных экспериментальных исследований по определению механических, прочностных и деформационных характеристик армированного полиэтилена, которые необходимы для численной реализации предложенной математической модели.

Первые испытания были проведены на стойкость к осевой нагрузке на эазе отраслевого института «Омскгазтехнология» по следующей методике.

Образцы - отрезки труб из полиэтилена ПЭ-80, армированных двумя глоями арамидной нити; длина - 615 мм, диаметр наружный - 138 мм; диаметр внутренний - 107 мм; площадь поперечного сечения - 6023 мм2

Температура испытания

температура кондиционирования — 20 С; зремя кондиционирования - 120 мин.; скорость перемещения захвата -25 мм/мин.

Результаты испытаний:

- осевая нагрузка на первой стадии текучести - 129 кН;

- максимальная осевая нагрузка (при растяжении 200 мм-240 кН);

- предел текучести (сгт) - 21,4 МПа;

- предел прочности (сгвр ) - 39,8 МПа;

- относительное удлинение - 13,1%.

В ходе эксперимента получена диаграмма растяжения Р\ц-Л1Глм).

В результате обработки экспериментальной кривой получена величина расчетного модуля материала многослойной трубы, которая позволяет численно реализовать математическую модель. Расчетный модуль полиэтиле -на, армированного двумя слоями нити составил Ео= ЗОЮ МПа.

Далее были проведены испытания на внутреннее давление трубы армированной полиэтиленовой термопластичной А220, (марка полиэтилена ПЭ-80, армирующий материал - арамид). Испытания проводились на внутреннее давление от 0 МПа до Ркрит. (до разрыва) по методике, адаптированной к условиям работы трубы в скважине.

Образны - отрезки труб длиной по 600 мм, с наружным диаметром 140 мм, толщиной стенок 16,5 мм.

Контроль осуществлялся манометром класса точности не менее 1,5. Испытательная жидкость - вода; скорость роста давления не более 1 МПа/с.

Порядок испытания:

- создали давление в 10 МПа - выдержали 30 е.;

- сбросили давление - выдержали 1800 е.;

- повысили давление до 19 МПа - выдержали 30 е.;

- сбросили давление - выдержали 1800 е.;

и так далее до потери герметичности.

Рекомендации к методике испытания.

После испытания трубы должны иметь гладкие наружную и внутреннюю поверхности. Допускаются незначительные продольные полосы и

волнистость, не выводящие толщину стенки труб за пределы допускаемых отклонений. На наружной, внутренней, торцевой поверхностях не допускаются пузыри, трещины, раковины, посторонние включения.

Внешний вид поверхности труб определялся визуально. Контроль размеров труб проводился при температуре (23°С + 5) после выдержки их при указанной температуре.

Определение среднего наружного диаметра проводилось в одном сечении на необработанной части трубы, как среднее арифметическое измерений диаметра в двух взаимно перпендикулярных направлениях штангенциркулем с погрешностью не более 0,1 мм.

Толщину стенки трубы измеряли до механической обработки торцов труб микрометром в четырех точках, расположенных равномерно по периметру трубы и на расстоянии не менее 10 мм от торца с погрешностью не более 0,1мм.

Результаты испытаний: внешний вид поверхности - соответствует; номинальный наружный диаметр 138,5-139,0 мм; разрушающее давление при температуре 20°С - 19,5 МПа.

При испытании на стойкость к циклическим нагрузкам образцы выдержали 16753 цикла без разрушения.

По проведенным расчетам с помощью математической модели доказано, что рабочее давление для труб с меньшими наружными диаметрами при двухслойном армировании возрастает до 15 МПа, а для четырехслойного и шестислойного армирования - до 20 МПа и более.

В четвертом разделе приведены результаты расчета на прочность гибких труб с учетом пластических деформаций и влияния внутреннего давления. Когда труба наматывается на барабан, она подвергается действию изгиба, и материал ее начинает работать в области пластических деформаций в связи с относительно небольшим диаметром барабана.

Для учета нелинейных свойств материала используется переменный модуль (Ес ), который определяется по следующей формуле:

Г-Г-г. (3)

1ч- ¿»СГГ

где Ео - мгновенный модуль упругости материала (МПа);

Ь - коэффициент зависимости жесткости от величины деформации (МПа "2);

<7,„ - интенсивность напряжений (МПа).

Напряжения при изгибе с учетом внутреннего давления определяются по формуле:

т - Е'2 • - РМи + Лан) , , ,

а'-Т~' —Ти—' ()

где С7ц- напряжение при изгибе вдоль оси криволинейного стержня, т.е. оси трубы (МПа);

СХд - напряжения от действия внутреннего давления (МПа);

г - координата по высоте поперечного сечения (-с1,/2 < г < ¿/„/2);

К-расч. ~ + ^н 12) - расчетный радиус кривизны;

Я - радиус сердечника барабана;

с1и и с!е/1 - наружный и внутренний диаметры трубы соответственно;

ра - внутреннее давление подаваемой технологической жидкости;

к - толщина стенки трубы.

Для определения напряжений при рассматриваемом состоянии конструкции с учетом физической нелинейности работы материала и действия внутреннего давления разработан алгоритм расчета и составлена программа на ПЭВМ. В результате построены графики для анализа различных сочетаний параметров конструкции ( рисунки 2 и 3 ).

Рисунок 2 - Влияние геометрических параметров трубы на величину напряжений

Рисунок 3 - Зависимость напряжений от толщины стенки трубы

На рисунке 2 представлены зависимости величины максимальных напряжений от радиуса барабана, наружного диаметра трубы в состоянии изгиба с учетом внутреннего давления. Из графика видно, что увеличение диаметра барабана в два раза при диаметре трубы 60 мм приводит к уменьшению напряжений на 28,1 % при рабочем давлении 10 МПа.

На основе графиков рисунков 2,3 определяем, что увеличение толщины стенки трубы на 17,5% приводит к уменьшению напряжений для конкретных параметров конструкции (диаметр трубы 75 мм, радиус барабана 1000 мм, внутреннее давление 10 МПа ) на 6,3%.

На основе анализа представленных численных результатов сделан вывод о том, что для проведения скважинных операций с применением гибкой трубы из армированного полиэтилена с двухслойным армированием рекомендуются следующие размеры конструкции:

1 Радиус барабана - 750 мм; наружный диаметр трубы - 60 мм; толщина стенки - 16,5 мм; рабочее давление - до 15 МПа.

2 Радиус барабана - 1000 мм; наружный диаметр трубы - 75 мм; толщина стенки - 20 мм; рабочее давление - до 15 МПа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 На основании анализа условий работы труб нефтяного сортамента теоретически обоснованы и даны рекомендации возможности использования гибких труб из армированного полиэтилена для совершенствования технологий заканчивания и ремонта скважин.

2 Для исследования напряжений материала гибкой трубы с учетом пластических деформаций, возникающих при эксплуатации ее на барабане, и ¡[[утреннего давления разработана математическая модель в форме щфференциальных уравнений.

3 Разработан алгоритм решения задачи изгиба многослойной гибкой -рубы для исследования влияния геометрических параметров конструкции на »еличину напряжений, определяющих ее эксплуатационную надежность.

4 Обосновано близкое к оптимальному сочетание геометрических размеров конструкции при различных внешних нагрузках и заданном внутреннем давлении: радиуса барабана, диаметра и толщины стенки трубы.

5 На основании теоретических исследований рекомендованы области применения многослойных армированных гибких труб из полиэтилена: для внутрискважинных операций на нефтепромысле; для монтажа временных водоводов подачи технологической жидкости при строительстве скважин; для монтажа временных трубопроводов при пробной эксплуатации скважин; для монтажа трубопроводов по дну водоемов; в качестве обсадной колонны в скважинах малой глубины (экологические и водозаборные).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Красовская H.H. Перспективные направления производства гибких груб из альтернативных материалов/ Н.И. Красовская, С.В.Якубовская // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы совершенствования технологий строительства скважин и подготовки кадров для Западно-Сибирского нефтегазодобывающего комплекса». - Тюмень: ТюмГНГУ, 2000. - С. 112.

2 Якубовская C.B. Математическая модель напряженно-деформированного состояния колонны гибких труб, применяемых при подземном ремонте и бурении скважин / C.B. Якубовская, Н.И. Красовская // - Известия вузов, Нефть и газ.-Тюмень: ТюмГНГУ, 2000. - №5. - С.123-127:

3 Якубовская C.B. Определение напряженно-деформированного состояния колонны гибких труб из композитных материалов / С.В.Якубовская, H.H. Красовская, В.П. Ковапьков // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы совершенствования технологий строительства скважин и подготовки кадров для Западно-Сибирского нефтегазодобывающего комплекса)). -Тюмень: ТюмГНГУ, 2000. - С.113.

4 Красовская Н.И. Использование стеклопластиковых труб для добычи и транспорта нефти и газа // Проблемы транспорта Западно-Сибирского региона России. Межвузовский сборник науч. тр. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001,- С.138.

5 ТарачевВ.Н. Методика выбора диагностических параметров оборудования промысловых трубопроводов / В.Н.Тарачев, Н.И.Красовская // Проблемы транспорта Западно-Сибирского региона России. Межвузовский сборник науч. тр. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2001,- С.266.

6 Красовская Н.И. Надежность элементов нефтепромысловых трубопроводов в комплексной системе их технического обслуживания и ремонта. / Н.И.Красовская, В.Д. Куликов//Материалы международной научно-технической конференции « Нефть и газ Западной Сибири ».- Тюмень: ТюмГНГУ, 1996. - С.128-130.

•t/'

Соискатель ';//<• С f Н.И.Красовская

ЛР № 020520 от 23.04.92 г.

Подписано к печати Заказ №

Формат 60x84 Vi 6 Отпечатано на RISO GR 3750

Издательство «Нефтегазовый университет»

Тюменского государственного нефтегазового университета 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38

Бум. писч. №1 Уч. - изд. л. Усл. печ. л. Тираж экз.