Разработка расчетно-методического комплекса для мониторинга несущей способности обсадных колонн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.15, доктор технических наук Федорова, Наталья Григорьевна

• Федорова, Наталья Григорьевна
• доктор технических наук
• 2007

Оглавление диссертации доктор технических наук Федорова, Наталья Григорьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 НЕОБХОДИМОСТЬ ПЕРЕХОДА ОТ КЛАССИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОБОЛОЧЕК НА ПРОЧНОСТЬ К МЕТОДУ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

1.1 Классический подход в задачах расчета на прочность цилиндрических оболочек.

1.2 Основы метода конечных элементов.

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБСАДНЫХ 34 ТРУБ, ИМЕЮЩИХ ДЕФЕКТЫ ФОРМЫ.

Преамбула.

2.1 Исследование напряженно-деформированного состояния обсадных труб, имеющих деформированное поперечное сечение, ^ методом конечных элементов.

2.1.1 Краткий анализ литературы и обоснование расчетной схемы

2.1.2 Алгоритм расчета коэффициентов снижения несущей способности.

2.1.3 Порядок построения конечно-элементной модели овальных труб.

2.1.4 Исследование напряженно-деформированного состояния, возникающего под действием избыточных наружного и внутреннего давлений в обсадной трубе диаметром 244,5 мм, имеющей нормативное значение овальности поперечного сечения.

2.1.5 Исследование напряженно-деформированного состояния, возникающего под действием избыточных наружного и внутреннего давлений в обсадной трубе диаметром 244,5 мм, имею- ^ щей деформированное поперечное сечение.

2.1.6 Алгоритм получения выражений для определения коэффициентов снижения несущей способности.

ВЫВОДЫ.

2.2 Исследование напряженно-деформированного состояния обсадных труб, имеющих на внутренней поверхности желобообраз- ^ ную выработку.

2.2.1 Результаты имеющихся в отрасли аналитических и экспериментальных исследований несущей способности поврежден- ^ ных труб.

2.2.2 Исследование напряженно-деформированного состояния обсадных труб с желобообразной выработкой на внутренней поверхности методом конечных элементов.

2.2.2.1 Расчетная схема и порядок построения конечно-элементной модели.

2.2.2.2 Исследование напряженно-деформированного состояния, возникающего в обсадной трубе диаметром 177,8 мм с желобообразной выработкой на внутренней поверхности, под действием избыточных наружного и внутреннего давлений.

2.2.2.3 Алгоритм расчета коэффициентов снижения несущей способности и сравнение результатов расчета предельного наружного давления для поврежденных труб с эксперименталь- ^ ными данными.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3 ЛОКАЛЬНЫЕ ДЕФЕКТЫ. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБСАДНЫХ ТРУБ, ИМЕЮЩИХ ПОРЕЗЫ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ВООРУЖЕНИЕМ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА.

3.1 Концентрация напряжений в зонах порезов и результаты имеющихся в отрасли экспериментальных исследований их влияния на несущую способность обсадных труб.

3.2 Исследование методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния обсадных труб, имеющих порезы внутренней поверхности.

3.2.1 Обоснование расчетной схемы и порядок построения конечноэлементной модели.

3.2.2 Исследование напряженно-деформированного состояния, возникающего под действием избыточного внутреннего давления в обсадной трубе диаметром 244,5 мм, имеющей U-образный порез внутренней поверхности.

3.2.3 Исследование напряженно-деформированного состояния, возникающего под действием избыточного внутреннего давления в обсадной трубе диаметром 244,5 мм, имеющей V-образный порез внутренней поверхности.

3.2.4 Особенности напряженного состояния поврежденных обсадных труб, работающих на избыточное наружное давле

3.2.5 Алгоритм расчета коэффициентов снижения несущей способности

3.2.6 Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными. 0/

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБСАДНЫХ ТРУБ, ИМЕЮЩИХ ОБЩЕЕ КОРРОЗИОННОЕ ПОВРЕЖДЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ.

4.1 Анализ литературы, посвященной исследованию коррозии трубопроводных систем и ее влияния на характеристики металла

4.2 Расчетная схема для исследования влияния снижения жесткости корродированных обсадных труб и математическая модель их несущей способности.

4.2.1 Анализ соответствия рассмотренной расчетной схемы условиям работы участков труб, входящих в муфтовое соединение

4.2.2 Определение площади поперечного сечения кольца.

4.2.3 Результаты расчета коэффициентов концентрации напряжений. HI

4.3 Исследование коррозионного повреждения как геометрического концентратора напряжений методом конечных элементов.

4.3.1 Моделирование гладкой поверхности коррозионного повреждения. из

4.3.2 Моделирование шероховатости поврежденной поверхности

4.3.3 Результаты расчетов коэффициентов концентрации напряжений при учете коррозионного повреждения общепринятым в отрасли способом.

4.4 Получение основных положений методики расчета труб, имеющих общее коррозионное повреждение внутренней поверхности.

4.4.1 Анализ полученных результатов.

4.4.2 Роль муфтовых соединений в напряженном состоянии поврежденных труб, работающих на избыточное наружное давление.

4.4.3 Основные положения методики расчета параметров остаточной прочности труб, имеющих общее коррозионное повреждение внутренней поверхности.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 5 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОСТАТОЧНОЙ ПРОЧНОСТИ ОБСАДНЫХ ТРУБ, ИМЕЮЩИХ СОЧЕТАЮЩИЕСЯ ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ.

Преамбула.

5.1 Результаты исследования напряженно-деформированного состояния и рекомендации по расчету обсадных труб, имеющих сочетающиеся механические повреждения внутренней поверхности.

5.2 Рекомендации по расчету труб, имеющих механические повреждения, сочетающиеся с коррозионным износом. ^

5.2.1 Сочетание коррозионного износа с единичным механическим повреждением внутренней поверхности.

5.2.2 Сочетание коррозионного износа с механическими повреждениями внутренней поверхности.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 6 ПОЛУЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВЫРАЖЕНИЙ ДЛЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ СНИЖЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ К НАРУЖНОМУ И ВНУТРЕННЕМУ ИЗБЫТОЧНЫМ ДАВЛЕНИЯМ ОБСАДНЫХ ТРУБ, ИМЕЮЩИХ ДЕФОРМИРОВАННОЕ ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ ИЛИ ЖЕЛОБООБРАЗНУЮ ВЫРАБОТКУ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ.

6.1 Результаты расчетов и статистической обработки массивов значений коэффициентов снижения несущей способности к наружному К] и внутреннему К2 избыточным давлениям обсадных труб, имеющих деформированное поперечное сечение.

6.1.1 Значения коэффициентов в формуле, обобщающей полученные выражения для расчетов коэффициентов снижения несущей способности. 1^

6.2 Результаты расчетов и статистической обработки массивов значений коэффициентов снижения несущей способности к наружному К] и внутреннему К2 избыточным давлениям обсадных труб, имеющих на внутренней поверхности желобообразную выработку замковыми соединениями бурильных труб.

6.2.1 Значения коэффициентов в формуле, обобщающей полученные выражения для расчетов коэффициентов снижения несущей способности.

ГЛАВА 7 ПОЛУЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВЫРАЖЕНИЙ ДЛЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ СНИЖЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ К НАРУЖНОМУ И ВНУТРЕННЕМУ ИЗБЫТОЧНЫМ ДАВЛЕНИЯМ ОБСАДНЫХ ТРУБ, ИМЕЮЩИХ ПОРЕЗЫ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ВООРУЖЕНИЕМ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА.

7.1 Результаты расчетов и статистической обработки массивов значений коэффициентов снижения несущей способности к наружному К[ и внутреннему Кг избыточным давлениям обсадных ^ труб с U-образным порезом внутренней поверхности.

7.1.1 Значения коэффициентов в формуле, обобщающей полученные выражения для расчетов коэффициентов снижения несущей способности.

7.2 Результаты расчетов и статистической обработки массивов значений коэффициентов снижения несущей способности к наружному К] и внутреннему Кг избыточным давлениям обсадных труб с V -образным порезом внутренней поверхности.

7.2.1 Значения коэффициентов в формуле, обобщающей полученные выражения для расчетов коэффициентов снижения несущей способности.

ГЛАВА 8 ПОЛУЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВЫРАЖЕНИЙ ДЛЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ СНИЖЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ К ВНУТРЕННЕМУ ИЗБЫТОЧНОМУ ДАВЛЕНИЮ ОБСАДНЫХ ТРУБ, ИМЕЮЩИХ ОБЩЕЕ КОРРОЗИОННОЕ ПОВРЕЖДЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ.

8.1 Результаты расчетов и статистической обработки массивов значений коэффициентов снижения несущей способности к внутреннему избыточному давлению К2 для зацементированных обсадных труб с общим коррозионным повреждение внутренней поверхности.

8.1.1 Значения коэффициентов в формуле, обобщающей полученные выражения для расчетов коэффициентов снижения несущей способности.

8.2 Результаты расчетов и статистической обработки массивов значений коэффициентов снижения несущей способности к внутреннему избыточному давлению Кг для незацементированных обсадных труб с общим коррозионным повреждение внутренней поверхности.

8.2.1 Значения коэффициентов в формуле, обобщающей полученные выражения для расчетов коэффициентов снижения несущей способности.

ГЛАВА 9 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА ОБСАДНЫХ КОЛОНН С ОБЩИМ КОРРОЗИОННЫМ ИЗНОСОМ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка расчетно-методического комплекса для мониторинга несущей способности обсадных колонн»

Надежность работы обсадных колонн является одним из необходимых условий, обеспечивающих возможность углубления скважин до проектных отметок и их эксплуатацию без появления межколонных давлений, образования техногенных залежей или грифонов. Как каждая ответственная конструкция обсадные колонны рассчитываются на прочность [1]. В зависимости от нагрузок, определяемых условиями проводки и крепления скважин, а также ожидаемых давлений продукции, устанавливаются группа прочности металла и толщина стенки труб, составляющих компоновки колонн. При этом объектом расчета, даже если рассматривается завершение эксплуатации скважин, является новая обсадная труба.

Однако в процессе эксплуатации обсадные колонны повреждаются и изнашиваются.

С отказами промежуточных колонн, вследствие потери прочности из-за механических повреждений (желобообразной выработки замковыми соединениями бурильных труб), столкнулись в семидесятые годы при строительстве глубоких скважин. Тогда же, для расчета фактических прочностных параметров, была разработана временная инструкция по расчету обсадных колонн с установленным видом повреждения [2]. При разработке инструкции использовались результаты экспериментальных и аналитических исследований несущей способности поврежденных труб [3,4, 5].

Отметим, что при аналитических исследованиях желобообразная выработка теряла четкие очертания и расчетной схемой поврежденной трубы являлась оваль-но-разностенная. В связи с этим для расчета предельной величины наружного давления инструкцией [2] предлагалась формула Г. М. Саркисова [1], в которой минимальная толщина стенки, допускаемая при изготовлении труб, принималась равной ее минимальному значению в зоне износа.

Предельную величину внутреннего давления рекомендовалось определять по зависимости, выведенной на базе формул Ляме, не позволяющих учитывать особенности напряженного состояния конструкции, возникающие в зоне дефекта.

Как видно, повреждение не рассматривалось как концентратор напряжений, и вызываемые им повышенные напряжения не рассчитывались.

Последствиями завышенной (грубой) оценки фактической прочности промежуточных колонн могут являться их отказы, в худшем случае способные привести к ликвидации скважин.

Статистические данные о повреждениях обсадных колонн внутренним давлением приведены А.А. Мамедовым [6]. Обращает внимание факт, что трубы диаметром 146 и 168 мм с толщиной стенки от 7 до 14 мм, изготовленные из стали групп прочности Д; К; Е (что характерно для эксплуатационных колонн), повреждались давлениями, величины которых были в два, четыре и более раз (до двенадцати) меньше разрушающих. Автор отмечает, что аварийные обсадные трубы удовлетворяли требованиям ГОСТа на их изготовление [7].

Нагрузки, вызывающие разрушение обсадных труб, относительно малы и это склоняет к мысли, что трубы имели не выявленные повреждения.

Мониторинг технического состояния обсадных колонн подразумевает не только установление геофизическими методами и средствами зон износа, видов повреждений и остаточной толщины стенки, но и наличие методического обеспечения, позволяющего по полученным данным рассчитать фактические прочностные характеристики поврежденных труб [8, 9].

Понятно, что при отсутствии значений параметров остаточной прочности, решения о возможности (или невозможности) продолжения углубления скважин или эксплуатации поврежденных колонн в заданных режимах, базируются только на интуиции и опыте технического персонала и могут быть ошибочными.

В настоящее время существует тенденция к увеличению объема строительства глубоких, сверхглубоких, наклонно направленных, а также скважин, сооружаемых в сложных горно-геологических условиях. Для успешного завершения строительства объектов такого типа контроль технического состояния и безотказная работа промежуточных колонн приобретают особое значение.

Кроме того, в связи со значительным сроком эксплуатации добывающих скважин и скважин ПХГ в отрасли проводится экспертиза их промышленной безопасности (переаттестация). Обязательным при этом является определение фактических прочностных параметров эксплуатационных колонн.

Поэтому разработка комплекса методик расчета на прочность обсадных колонн по данным их дефектоскопии - АКТУАЛЬНА, направлена на создание методического обеспечения для мониторинга несущей способности обсадных колонн и решение задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение: повышение безопасности строительства и эксплуатации опасных производственных объектов, к категории которых относятся скважины (газовые, газоконденсатные, нефтяные). Объектом исследований при разработке методик расчета является поврежденная обсадная труба.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является повышение безопасности и эффективности строительства и эксплуатации скважин за счет разработки комплекса методик расчета на прочность поврежденных обсадных колонн для мониторинга их несущей способности, позволяющего рационально использовать прочностной запас колонн и предупреждать их отказы, вызванные несоответствием эксплуатационных нагрузок фактической прочности конструкций.

Поставленная цель достигается за счет разработки автором методик расчета на прочность поврежденных обсадных труб, количество которых практически соответствует количеству основных видов повреждений обсадных колонн, указанных в [5] за исключением дефектов типа «порывы и трещины».

Методики расчета разработаны для труб, имеющих следующие виды повреждений: желобообразный износ замковыми соединениями бурильной колонны, порезы внутренней поверхности резцами долот, деформацию поперечного сечения, общее коррозионное повреждение внутренней поверхности, сочетающиеся виды указанных механических повреждений и механических - с коррозионным.

Объектом исследований при получении методик являлась поврежденная обсадная труба. Использование для выполнения расчетов профессионального комплекса прочностного анализа конструкций, основанного на методе конечных элементов («Базис+» с пре - и постпроцессором «Гном», разработка МАДИ), обеспечило рассмотрение каждого повреждения как концентратора напряжений.

Уточним, что понятия «расчет обсадной колонны» и «расчет обсадной трубы» эквивалентны. Рассчитать на прочность обсадную колонну - на деле означает выполнение расчетов на прочность ее основных конструктивных элементов - обсадных труб на нагрузку, величина которой определяется их расположением в конструкции - обсадной колонне.

Практическое использование любой методики обеспечивается ее простой для пользователя, достоверностью результатов расчетов и принудительным принципом их применения.

Эти положения в работе реализованы следующим образом.

Параметрами остаточной прочности, определяемыми в результате расчета, являются величины избыточных наружного Р'кр и внутреннего Р'т давлений, при которых максимальные напряжения в поврежденных трубах равны пределу текучести материала. Наиболее просто их определить, если известны коэффициенты (соответствующие виду и размерам дефектов), устанавливающие снижение несущей способности поврежденных труб к наружному К] и внутреннему К2 давлениям. В таком случае фактические значения предельных давлений для поврежденных труб рассчитываются как произведение их номинальных прочностных характеристик Ркр и Рт и коэффициентов К] и К2

Р кр ~ Ркр' К),

Р'т=Рт- Кг (0.1)

По сути, коэффициенты Ki и К2 являются эффективными коэффициентами концентрации напряжений, которые при напряжениях, постоянных во времени показывают, во сколько раз наличие концентратора снижает несущую способность конструкции [10].

Коэффициенты К] и К2 названы коэффициентами снижения несущей способности. Принципиально важно, что коэффициенты снижения несущей способности принимались равными обратным величинам теоретических коэффициентов концентрации упругих напряжений. В [10, 11] отмечается, что в случае хороших пластичных свойств металла, это может приводить к заниженной оценке несущей способности конструкции. В нашем случае коэффициенты снижения несущей способности рассчитывались для обсадных труб, поврежденных в процессе эксплуатации. Пластичные свойства металла при этом могут утрачиваться.

Определение зависимостей для расчета коэффициентов снижения несущей способности поврежденных труб являлось конечной целью при разработке каждой методики расчета.

Получены эти выражения следующим образом.

Разработка каждой методики состояла из получения расчетной схемы поврежденной трубы, алгоритма построения соответствующей конечно-элементной модели, исследований ее напряженно-деформированных состояний, возникающих под действием наружного и внутреннего избыточных давлений и расчета коэффициентов концентрации напряжений.

Теоретические коэффициенты концентрации упругих напряжений рассчитывались как отношение максимальных эквивалентных напряжений, возникающих в конечно-элементных моделях поврежденных труб, к максимальным эквивалентным напряжениям, рассчитанным на конечно-элементных моделях новых труб (с учетом нормативного значения овальности). Понятно, что сравнивались напряжения, рассчитанные на моделях труб одного типоразмера при одних и тех же величинах наружного и внутреннего давлений. В качестве нагрузок использовались Ркр и Рт - величины наружного и внутреннего давлений соответственно, при которых максимальные напряжения в новых трубах рассматриваемого типоразмера, равны пределу текучести материала.

Для труб, имеющих локальные повреждения, расчет теоретических коэффициентов концентрации напряжений выполнялся с учетом вида напряженного состояния, возникающего в зоне дефекта, что снижало консервативность принятого критерия.

Далее, для труб каждого типоразмера рассчитывались дискретные значения коэффициентов снижения несущей способности при увеличении характерного размера повреждения. Полученные массивы данных обрабатывались при помощи стандартной программы Microsoft Excel.

По результатам обработки статистических данных была определена форма выражения для расчета коэффициентов снижения несущей способности Ki;2. В безразмерной форме оно имеет вид

К,,2 = (А-8° + В)ехр((С-8° - F) -и0- 5°), (0.2) где 5° = 5/ Дии° = и/ 5 = и/(Д-8°) - безразмерные толщина стенки и размер повреждения соответственно; 5 - толщина стенки трубы, мм; Д - ее наружный диаметр, мм, и - размер повреждения, мм). А, В С, F - безразмерные коэффициенты, зависящие, главным образом, от диаметра труб Д.

Учитывая, что результаты геофизических исследований технического состояния колонн содержат размерные данные о диаметре труб, толщине стенки и величине повреждений, формула (0.2) преобразована для применения размерных величин 5 и и (мм), в результате чего она принимает вид

К,)2 = (а-8 + В)ехр((с-5 - е) -и), (0.3) где а = А / Д; с = С / Д2; е = F / Д. (0.4)

Из (0.4) видно, что коэффициенты а, с и е в формуле (0.3) будут размерными, а ij именно [а] = 1/мм; [с] = 1/мм ; [е] = 1/мм.

Для каждого вида повреждения и диаметра труб установлены индивидуальные выражения для расчета коэффициентов снижения их несущей способности к наружному и внутреннему давлениям, а также коэффициенты для обобщающих полученные выражения формул. Этот этап являлся стандартной операцией и подробно рассмотрен только во второй главе.

Выражения для расчета коэффициентов снижения несущей способности к наружному и внутреннему давлениям получены для обсадных труб диаметром от 114,1 до 323,9 мм.

Отметим, что формулы, полученные для расчета коэффициентов снижения несущей способности труб, имеющих повреждения, приводящие к уменьшению толщины их стенки, имеют конкретную область применимости. А именно, для труб, имеющих отношение 8/Д < 0,06 они справедливы при 0,5 мм < и < 0,7-8 мм; для труб с отношением 8/Д > 0,06 допустимый диапазон и определяется неравенством

0,5 мм < u < 0,8-8. Ограничение снизу связано с незначительностью размеров повреждения, а сверху - с целью недопущения аварийной ситуации.

Достоверность результатов расчетов предельных давлений проверялась сравнением их величин с имеющимися в литературе соответствующими экспериментальными данными, а также по результатам апробации методик на предприятиях отрасли.

Принудительный характер выполнения расчетов может быть реализован, если методики расчета имеют статус нормативного документа. Поэтому все методики были доработаны до уровня инструктивного материала и подготовлены к изданию. Это включало необходимую процедуру их рецензирования и апробации в ведущих научных и производственных предприятиях отрасли и переработку с учетом полученных замечаний.

Исследования, выполненные в процессе разработки методик, позволили получить новые результаты. К ним, в частности, относятся установленные особенности влияния каждого повреждения на несущую способность труб к наружному и внутреннему давлениям. Существующая классификация повреждений дополнена новым содержанием.

Дефекты, глобально искажающие форму поперечного сечения труб, относятся к категории дефектов формы. Установлено, что они примерно в равной степени снижают несущую способность труб к любому виду избыточного давления. Кроме того, дефекты формы способны провоцировать возникновение непрекращающейся деформации труб под действием постоянного, но превышающего допускаемое значение, как наружного, так и внутреннего давлений. К дефектам формы (из рассмотренных повреждений) относятся овальность поперечного сечения и желобообразная выработка на внутренней поверхности труб.

К категории локальных относят повреждения, не вносящие радикальных изменений в форму конструкций, но создающих высокую местную концентрацию напряжений. Применительно к обсадным трубам этот тип повреждений опасен тем, что в трубах, работающих на избыточное внутреннее давление, он создает самый опасный вид напряженного состояния - трехосное растяжение. При этом локальные повреждения является реальным источником образования трещин. С этих позиций они менее опасных для труб, работающих на избыточное наружное давление.

К локальным повреждениям из рассмотренных относятся порезы внутренней поверхности труб.

Общее коррозионное повреждение внутренней поверхности труб занимает отдельное место в классификации дефектов. Оно является не только геометрическим концентратором напряжений, но и фактором, снижающим физико-механические характеристики конструкции. Уменьшение жесткости, происходящее за счет изменения толщины стенки труб, увеличивает вероятность их работы с изгибом в зонах концентрации напряжений, а снижение пластичных свойств металла [10, 11, 12] приводит к утрате его способности перераспределять высокие местные напряжения за счет незначительных пластических деформаций. В комплексе это означает, что несущая способность конструкций будет ограничиваться напряженным состоянием, возникающим в зонах концентрации напряжений.

В обсадных колоннах такими зонами являются муфтовые резьбовые соединения. Для колонн с общим коррозионным повреждением роль муфтовых соединений зависит от вида избыточного давления, на которое они работают. Для труб, работающих на избыточное внутреннее давление, муфты являются элементами, сдерживающими их свободные радиальные деформации и вызывающими появление изгиб-ных деформаций. Несущая способность поврежденных труб к внутреннему давлению будет ограничиваться напряженным состоянием, возникающим в зонах муфтовых соединений.

Для поврежденных труб, работающих на избыточное наружное давление, муфты являются подкрепляющими элементами, жесткость которых распространяется на входящие в соединение участки труб. Несущая способность труб с общим коррозионным повреждением к наружному давлению будет ограничиваться напряженным состоянием, возникающим в их частях, удаленных от зон влияния муфтовых соединений.

Работа построена следующим образом. В первой главе кратко освещены проблемы расчета на прочность оболочек, имеющих произвольную конфигурацию поперечного сечения, и показана рациональность применения для их расчетов метода конечных элементов. Вторая глава содержит результаты исследований методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния обсадных труб, имеющих дефекты формы, и алгоритм получения выражений для расчета коэффициентов снижения их несущей способности к наружному и внутреннему давлениям. В третьей главе приведены результаты исследований (методом конечных элементов) напряженно-деформированного состояния обсадных труб, имеющих локальные повреждения. В четвертой главе приведены результаты исследований несущей способности обсадных труб при общем коррозионном повреждении их внутренней поверхности. Методом конечных элементов повреждение исследовано как геометрический концентратор напряжений и аналитически как фактор, приводящий к снижению физико-механических свойств конструкции.

В пятой главе приводятся результаты исследования напряженно-деформированного состояния обсадных труб, имеющих сочетающиеся виды повреждений. Для расчета суммарных коэффициентов снижения несущей способности используются выражения, полученные для единичных повреждений.

В каждой из глав 2, 3, и 4 приведены: краткий анализ литературы, содержащей основные результаты теоретического и экспериментального изучения несущей способности труб, имеющих дефект, соответствующий рассматриваемому виду повреждения; обоснование принятой расчетной схемы и способ построения соответствующей конечно-элементной модели.

Главы шесть, семь и восемь содержат: массивы дискретных значений коэффициентов снижения несущей способности (рассчитанных для обсадных труб при рассматриваемых видах повреждений); этапы и результаты их статистической обработки; полученные выражения для расчета коэффициентов снижения несущей способности поврежденных труб (индивидуальные для каждого вида дефекта и диаметра труб); а также значения коэффициентов в обобщающих полученные выражения зависимостях.

В девятой главе излагается принцип прогнозирования ресурса обсадных колонн с общим коррозионным износом внутренней поверхности по несущей способности. (Рассматривается работа колонн на избыточное внутреннее давление.)

В приложении А приведены составленные инструкции по расчету поврежденных обсадных колонн.

Приложение Б содержит пример расчета остаточного ресурса эксплуатационной колонны диаметром 168,3 мм с общим коррозионным повреждением внутренней поверхности.

В приложении В приведен расчет экономического эффекта от использования филиалом «Астраханьбургаз» результатов расчета параметров остаточной прочности деформированного участка промежуточной колонны диаметром 244,5 мм скважины № 2 Девонской площади, выполненного по разработанной автором методике.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

1 Впервые получен комплекс методик, позволяющих рассчитать параметры остаточной прочности обсадных колонн по данным их дефектоскопии.

2 Дефекты обсадных труб рассмотрены как геометрические концентраторы напряжений.

3 Расчеты и исследования напряженно-деформированного состояния поврежденных труб выполнены с использованием профессионального комплекса прочностного анализа конструкций, основанного на методе конечных элементов («Базис+» с пре- и постпроцессором «Гном», разработка МАДИ).

4 Установлены особенности, вносимые в напряженно-деформированное состояние труб каждым видом повреждения.

Существующая классификация дефектов дополнена новым содержанием, отражающим особенности влияния каждого из рассмотренных повреждений на несущую способность труб к наружному и внутреннему давлениям.

5 Получена математическая модель несущей способности обсадных труб с общим коррозионным повреждением внутренней поверхности, работающих на избыточное внутреннее давление.

6 Впервые получены выражения для расчета коэффициентов снижения несущей способности обсадных труб (диаметром от 114,1 до 323,9 мм) к наружному и внутреннему давлениям при рассмотренных видах повреждений.

7 Впервые предложен способ прогнозирования остаточного ресурса обсадных колонн, имеющих общий коррозионный износ внутренней поверхности, с использованием выражений, полученных для расчета коэффициентов снижения их несущей способности к внутреннему давлению.

ЛИЧНЫЙ ТВОРЧЕСКИЙ ВКЛАД АВТОРА. Методики расчета поврежденных обсадных труб разрабатывались в рамках научно-исследовательских договоров с ОАО «Газпром» в период с 1998 по 2003 год, по которым автор являлся ответственным исполнителем (в 2002 г. соруководителем темы). Автором создавались и обосновывались расчетные схемы, конечно-элементные модели поврежденных труб, выполнялись расчетные работы для получения алгоритмов определения коэффициентов снижения несущей способности, и массивов данных их дискретных значений, обрабатывались и анализировались полученные результаты, а также были написаны отчеты о проделанной научно-исследовательской работе.

Предложенный способ прогнозирования ресурса обсадных труб с общим коррозионным повреждением внутренней поверхности является идеей автора.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Разработанные методики использовались при расчете параметров остаточной прочности:

- деформированных (в зонах залегания текучих соляных пород) интервалов промежуточных колонн скважин Астраханского региона (Девонская № 2, Девонская № 3, Прибрежная № 1 ф «Астраханьбургаз» и т.д.);

- поврежденных промежуточных колонн скважин № 7 СГ Ен-Яхинской площади, № 1 Г Восточная Ачи-Су;

- эксплуатационных колонн скважин Канчуринского ПХГ ООО «Баштранс-газ», находившихся в эксплуатации более тридцати лет (при его переводе на повышенное давление нагнетания);

- эксплуатационных колонн более 180-ти скважин ПХГ ОАО «Газпром» (ООО «Кавказтрансгаз», ООО «Югтрансгаз», ООО «Оренбурггазпром» и др.) при экспертизе их промышленной безопасности;

- методики расчета параметров остаточной прочности обсадных труб, имеющих деформированное поперечное сечение или желобообразную выработку на внутренней поверхности, вошли составными частями в ВРД 39-1.9-048-2001 «Инструкция по расчету обсадных колонн на особые условия эксплуатации» (Инструкция по расчету обсадных колонн на особые условия эксплуатации [Текст]: ВРД 39-1.9048-2001: утв. Членом правления ОАО «Газпром» Б. А. Никитиным 26.07.2001: ввод в действие с 05.12.2001.- М.: ИРЦ Газпром, 2001. - 42 е.).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты, полученные при разработке методик расчета на прочность поврежденных обсадных колонн, оформлялись в виде отчетов о НИР и защищались на заседаниях ученого совета ОАО «СевКавНИПИгаз» (с 1998 по 2003 годы); результаты исследований напряженно-деформированного состояния поврежденных обсадных труб и расчетов коэффициентов концентрации напряжений докладывались на 17-ой международной конференции «Методы граничных и конечных элементов в механике деформируемых тел и конструкций» (22-25 июня 1999 г., г. С.-Петербург), на 18-ой международной конференции «Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов» (16-20 мая 2000 г., г. С.- Петербург), на Научно-техническом совете ОАО «Газпром» «Совершенствование технологии крепления скважин» (г. Тюмень, 17-20 сентября 2001 г.); на Научно-техническом совете ОАО «Газпром» «Результаты и пути повышения эффективности использования передовых технологий при строительстве скважин» (9-13 сентября 2002 г., г. Ставрополь) на международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации и капитального ремонта скважин на месторождениях и ПХГ» (22-26 сентября 2003 г., г. Кисловодск); способ прогнозирования остаточного ресурса обсадных колонн с общим коррозионным повреждением внутренней поверхности по характеристике их несущей способности докладывался на 3-ем межотраслевом семинаре «Прочность и надежность нефтегазового оборудования (18-20 ноября 2003 г., г. Москва, организованным Инженерным центром прочности, надежности и ресурса оборудования атомной энергетики, дочерним предприятие ФГУП НИКИЭТ); о результатах расчетов параметров остаточной прочности обсадных колонн докладывалось на международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации и капитального ремонта скважин» (20-25 сентября 2004 г., г. Кисловодск); результаты применения методик расчета поврежденных обсадных колонн при технической диагностике скважин ПХГ докладывались на международной научно-практической конференции «Проблемы добычи газа, газового конденсата, нефти» (24-28 октября 2005 г., г. Кисловодск).

Кроме того, все методики, доработанные до уровня инструкций по расчету параметров остаточной прочности обсадных колонн, рассылались научным и производственным предприятиям отрасли на научную экспертизу, отзывы и замечания. Инструкции сопровождались дополнительным материалом для специалистов, в котором подробно излагались принятые допущения, полученные результаты расчетов и способы их обработки.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, девяти глав, трех приложений и списка литературы. Работа изложена на 388 страницах машинописного текста, включает 182 таблицы и 183 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Технология бурения и освоения скважин», Федорова, Наталья Григорьевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Разработаны методики и инструкции, комплекс которых впервые образует методическую базу для мониторинга технического состояния обсадных колонн, и позволяют рассчитать фактические прочностные параметры колонн по данным геофизических исследований их технического состояния.

2 Методом конечных элементов и аналитически выполнены исследования напряженно-деформированного состояния обсадных труб при основных видах повреждений, наблюдаемых в практике строительства и эксплуатации скважин.

Повреждения рассмотрены как геометрические концентраторы напряжений, а общий коррозионный износ внутренней поверхности обсадных труб и как фактор, приводящий к снижению физико-механических свойств конструкции.

3 Установлены особенности влияния каждого повреждения на несущую способность обсадных труб.

Существующая классификация дефектов дополнена новым содержанием, отражающим особенности влияния каждого повреждения на несущую способность труб к наружному и внутреннему давлениям.

4 Установлена возможность дефектов формы провоцировать непрекращающиеся деформации труб под действием постоянных избыточных давлений (как наружного, так и внутреннего,), если их величины превышают допускаемые значения.

5 Подтверждено существование в зонах локальных дефектов (порезов) трехосного напряженного состояния. Показана особая опасность данного типа повреждения для труб, работающих на избыточное внутреннее давление. При этом создается самый опасный вид напряженного состояния - трехосное растяжение. Показано, что степень его приближения к однородному трехосному растяжению зависит от формы и глубины повреждения.

6 Предложена математическая модель несущей способности обсадных труб с общим коррозионным повреждением внутренней поверхности, работающих на избыточное внутреннее давление.

7 Получены индивидуальных для вида повреждения и диаметра труб выражения для расчета коэффициентов снижения несущей способности в функции толщины стенки и характерного размера дефекта.

8 Получены выражения для расчета коэффициентов снижения несущей способности обсадных труб, имеющих сочетающиеся виды повреждений внутренней поверхности: механических; и механических с общим коррозионным.

9 Часть материалов, изложенных в диссертационной работе, вошла в ВРД 391.9-048-2001 «Инструкция по расчету обсадных колонн на особые условия эксплуатации» (Инструкция по расчету обсадных колонн на особые условия эксплуатации [Текст]: ВРД 39-1.9-048-2001: утв. Членом правления ОАО «Газпром» Б.А. Никитиным 26.07.2001 г.: ввод в действие с 05.12.2001.г.- М.: ИРЦ Газпром, 2001. - 42 е.).

10 Разработанные методики использовались при расчете параметров остаточной прочности деформированных (в зонах залегания текучих соляных пород) интервалов промежуточных колонн скважин Астраханского региона (Девонская № 2 и 3, Прибрежная №1 ф «Астраханьбургаз» и т.д.), эксплуатационных колонн скважин Канчуринского ПХГ ООО «Баштрансгаз» при его переводе на повышенное давление нагнетания, для эксплуатационных колонн скважин ООО «Кавказтрансгаз», ООО «Югтрансгаз», ООО «Оренбурггазпром» при переаттестации скважин, принадлежащих им ПХГ и т.д. Отказов колонн, связанных с несоответствием рассчитанных прочностных параметров труб их фактическим значениям, не наблюдалось.

11 Экономический эффект от использования результатов расчета параметров остаточной прочности деформированного участка промежуточной колонны диаметром 244,5 мм скважины № 2 Девонской площади, выполненного автором по разработанной методике, составил (в 2001 г.) 81.194.414 рублей.

В результате расчета было установлено, что прочности поврежденного участка колонны достаточно для продолжения углубления скважины согласно проекту. Что было выполнено ф. «Астраханьбургаз» без осложнений, связанных с недостаточной прочностью колонны.

В аналогичных ситуациях при смятии колонны проводят, как правило, пере-буривание ствола скважины от верхней границы интервала повреждения до забоя.

Рациональное использование прочностного запаса колонны позволило избежать затрат на перебуривание участка ствола скважины.

12 Предложен способ прогнозирования остаточного ресурса обсадных колонн, имеющих общий коррозионный износ внутренней поверхности, с использованием полученных автором выражений для расчета коэффициентов снижения несущей способности поврежденных труб к внутреннему давлению.

Автор имеет 48 публикаций, из них относящихся к специальным расчетам обсадных колонн 29, в том числе один ведомственный нормативный документ.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Федорова, Наталья Григорьевна, 2007 год

1. Инструкция по расчету обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин Текст.: взамен РД 39-7/1-0001-89: утв. 18.09.96: ввод, в действие с 01.07.97.-М.:ВНИИГАЗ, 1997.-194 с.

2. Временная инструкция по расчету изношенных обсадных колонн Текст.: утв. зам. генерального директора «Грознефть» A.M. Гончаренко: ввод, в действие с 18.11.1975. Грозный: СевКавНИПИнефть, 1975. - 10 с.

3. Кисельман, M.JI. Износ и защита обсадных колонн при глубоком бурении Текст./ M.JI. Кисельман М.: Недра, 1971. -210 с.

4. Измайлов, Л.Б. Методы повышения долговечности обсадных колонн Текст./ Л.Б. Измайлов М : Недра, 1984. - 183 с.

5. Песляк, Ю.А. Расчет напряжений в колоннах труб нефтяных скважин Текст. / Ю.А. Песляк. М.: Недра, 1973.- 216 с.

6. Мамедов, А. А. Предотвращение нарушений обсадных колонн Текст. / А. А. Мамедов М.: Недра, 1990. - 240 е.).

7. ГОСТ 632-80. Трубы обсадные и муфты к ним Текст . Взамен ГОСТ 632-64; введ. 1986-01.01. - М.: Изд-во стандартов, 1986.

8. Техническое состояние крепи скважин на месторождениях и ПХГ: проблемы и их решение Текст . / В.В. Климов // Обзор, информ. сер. Бурение газовых и газоконденсатных скважин. М.: ИРЦ Газпром, 2001. - 65 с.

9. Биргер, И.А. Техническая диагностика Текст. / И.А. Биргер.- М.: Машиностроение, 1978,- 234 с.

10. Пономарев, С.Д. Расчеты на прочность в машиностроении Текст. В 3 т. Т.З. Инерционные нагрузки, колебания и ударные нагрузки, выносливость, устойчивость / С.Д. Пономарев, В.Л. Бидерман, К.К. Лихарев [и др.] -М.: Машгиз, 1959.-1118 с.

11. Тимошенко, С.П. Сопротивление материалов Текст . В 2 т. Т.2. Более сложные вопросы теории и задачи: [пер. с англ. Федорова В.Н. с третьегоамерик. издания. / Степан Тимошенко. М.: Наука, Главная ред. физико-математической литературы, 1965.- 480 е.

12. Физическое металловедение. Вып. 2: Фазовые превращения. Металлография: пер с англ. под ред. д.т.н. И.И. Новикова. / Под ред. Р. Кана М., Мир, 1968.-490 с.

13. Новожилов, В.В. Теория тонких оболочек Текст. / В.В. Новожилов -М.: Гос. изд.судостроительной лит., 1951.-344 с.

14. Машиностроение. Энциклопедия в сорока томах. Книга 1: Динамика и прочность машин. Теория механизмов и машин / Ред. совет: К.В. Фролов, К.С. Колесников, А.П. Гусенков М., Машиностроение, 1994. - 533 с.

15. Зенкевич, O.K. Метод конечных элементов в технике Текст. / O.K. Зенкевич-М.: Мир, 1975.-541 с.

16. Оден, Дж. Конечные элементы в механике сплошных сред Текст. / Дж. Оден М.: Мир, 1976. - 464 с.

17. Расчет параметров остаточной прочности обсадных колонн Текст . /Н.Г. Федорова // Нефтяное хозяйство. 2003. - № 6. - С. 40-41.

18. Бояршинов, С.В. Основы строительной механики машин Текст .: учебное пособие для студентов машиностроительных специальностей вузов / С.В. Бояршинов. -М.: Машиностроение, 1973. -456 с.

19. Вольмир, А.С. Устойчивость деформируемых систем Текст .: / А.С. Вольмир. 2-е изд. перераб. и доп.- М.: Наука, Гл. ред. физико-математ. лит., 1967.-984 с.

20. Еременко, Т.Е. Крепление нефтяных и газовых скважин Текст.: / Т.Е. Еременко М.: Недра. 1965.- 214 с.

21. Тимошенко, С.П. Сопротивление материалов Текст. В 2 т. Т.1. Элементарная теория и задачи: [пер. с англ. В.Н Федорова с третьего америк.издания. / Степан Тимошенко. М.: Наука, Гл. ред. физико-математ. лит., 1965.-363 с.

22. Инструкция по расчету обсадных колонн на особые условия эксплуатации Текст.: ВРД 39-1.9-048-2001: утв. Членом правления ОАО «Газпром» Б.А. Никитиным 26.07.2001 г.: ввод в действие с 05.12.2001.г.- М.: ИРЦ Газпром, 2001.-42 с.

23. Зубарев, А.В. и др. Одношарошечные долота Текст. / А.В.Зубарев -М.:Недра, 1971.-176 с.

24. Проблемы надежности и технологической безопасности газотранспортных систем Текст.:/ В.В. Харионовский. // Надежность газопроводных конструкций: сб. науч . тр./ ВНИИгаз. М., 1998. -С. 6-25.

25. Будников, В.Ф. Анализ влияния оползней на устойчивость газопроводов Текст. / В.Ф. Будников, А.Н. Москалев, М.И.Васильев // Надежность газопроводных конструкций: сб. науч . тр. / ВНИИгаз. М.: Вниигаз, 2000. -С. 7-10.

26. Дефекты в магистральных трубопроводах Текст. / A.M. Шарыгин // Обз. информ. Сер. Транспорт и хранение газа.- М.: ИРЦ Газпром, 2000. 50 с.

27. Анализ методов оценки работоспособности газопроводов с дефектами Текст. / М.А. Широков. // Надежность газопроводных конструкций: сб. науч . тр. / Вниигаз. М.: Вниигаз, 2000. -С. 40-54.

28. Эйлертс, С.К. Коррозионная стойкость легированных сталей по отношению к газоконденсатным жидкостям Текст.: [пер. с англ.] Часть I / С.К. Эйлертс, ф. Грин, Ф.Г. Арчер [и др.] М.: ВНИИгаз, 1963. -30 с.

29. Кац, A.M. Теория упругости Текст. / A.M. Кац. М.: Гос. Изд-во технико-теорет. лит., 1956.- 207 с.

30. Тимошенко, С.П. Пластинки и оболочки: пер. с англ. В.И. Контов-та; под ред. Г.С. Шапиро. [Текст] / С.П Тимошенко, С. Войновский-Кригер. -М.: изд-во «Наука», Гл. ред. физико-математ. лит., 1966. 635 с.

31. Специальные высокогерметичные резьбовые соединения ФОКС. Кавасаки Стал Корпорейшн и Хантинг ОйлФилд Сервис (СК), Лтд. Япония, 1-1, Кавасаки-тё, 1986. - 65 с.

32. Булатов, А.И. Проблемы механики крепления и цементирования нефтяных и газовых скважин Текст. / А.И. Булатов, С.А. Шаманов. Краснодар: Просвещение-Юг, 2001. - 376 с.

33. Дарков, А.В. Сопротивление материалов: учеб. для заочных высш. техн. заведений Текст. / А.В. Дарков, Г.С.Шпиро. М.: Изд-во. Высшая школа, 1965.-762 с.

34. Федорова, Н.Г. Увеличение несущей способности обсадных труб за счет установки упрочняющих колец Текст. /Н.Г. Федорова Н.Г., В.Е. Дубен-ко //Сб. науч. тр./ ВНИИгаз. М.: ВНИИгаз, 1996.

35. Сароян, А.Е. Трубы нефтяного сортамента: справочник. Текст. / А.Е. Сароян, Н.Д. Щербюк, Н.В. Якубовкий [и др.].; под общ. ред. А.Е. Са-рояна. М.: Недра, 1997.- 488 с.

36. Коллинз, Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение Текст.: [ пер. с англ. A.M. Васильева] / Джек Коллинз. М.: Мир, 1984.- 624 с.

37. Федорова, Н.Г. Прогнозирование ресурса обсадных колонн Текст. / Н.Г. Федорова // Газовая промышленность. 2004.- № 11. - С. 69-72.

38. Федорова, Н.Г. Принцип прогнозирования остаточного ресурса конструкций с общим коррозионным повреждением по их несущей способностии его применение к расчетам обсадных колонн Текст. / Н.Г. Федорова // Нефтяное хозяйство. 2005.- № 9. - С. 196-197.

39. Федорова, Н.Г. Несущая способность обсадных труб при общем коррозионном повреждении их внутренней поверхности Текст. / Н.Г. Федорова // Нефтяное хозяйство. 2004. - № 5. - С.32-35.

40. Прочность газопромысловых труб в условиях коррозионного износа Текст.: / Э.М Гутман, Р.С.Зейнуллин, А.Т. Шаталов [и. др.] // Сер. Надежность и качество. М.: Недра, 1984. - 74 с.