автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Исследование напряжений и деформаций в обсадной колонне при локальном воздействии осесимметричной нагрузки

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ГЕРАСИМОВ ДМИТРИЙ СЕМЁНОВИЧ

УДК 622.24.002

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В ОБСАДНОЙ КОЛОННЕ ПРИ ЛОКАЛЬНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ

Специальность 05.15.10 - Бурение скважин

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор Якубовский Ю.Е.

Тюмень - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Обзор методов решения задач прочности обсадных колонн .................................................. 11

1.1. Проблемы прочности обсадных колонн ..................................................................................... 11

1.2. Анализ различных вариантов теорий, описывающих

изгиб составных конструкций ....................................................................................................................................... 15

1.3. Методы расчёта составных конструкций 21

1.4. Основные задачи исследований ............................................................................................................................. 24

/

2. Математическая модель задачи изгиба крепи скважин как составной конструкции ................................................................................................................................................................................................................................................ 25

2.1. Основные гипотезы и допущения ........................................................................................................................ 25

2.2. Запись интегральных усилий и характеристик жесткости в составных оболочках .......................................................................................................................................................................... 29

2.3. Дифференциальные уравнения задачи изгиба составных конструкций. ........................................................................................................................................................................................................ 3 8

2.4. Определение коэффициентов приведения и запись компонентов напряжённого состояния в слоях составной

конструкции.................................................................................................................................................................................................................. 41

2.5. Краевые условия .............................................................................................................................................................................................. 51

2.6. Результаты и их обсуждение ....................................................................................................................................... 55

3. Приведение к единому пакету многослойной конструкции обсадной колонны из вязкоупругих материалов ....................................................................................................................................... 57

3.1. Определение интегральных характеристик составных

оболочек из вязкоупругих материалов .................................................................................................... 57

3.2. Алгоритм расчета деформирования во времени составных конструкций ........................................................................................................................................................................................... 61

3.3. Достоверность численных результатов................................................................................................. 67

4. Расчет обсадной колонны при осесимметричном деформировании 71

4.1. Сравнение развиваемого варианта теории изгиба составных конструкций с дискретным ........................................................................................................................................................................................................................................................................71

4.2. Определение коэффициента приведения для шарнирно-опертой составной конструкции на прямоугольном контуре 82

4.3. Исследование влияния отдельных параметров составной на ее деформированное состояние во времени 87

4.4. Расчет обсадной колонны при воздействии осесимметричной локальной нагрузки ..................................................................................................................................................................... 100

Основные выводы и рекомендации .................................................................................................................................. 118

Литература ...................................................................................................................................................................................................................................... 119

Приложение ................................................................................................................................................................................................................................. 131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В целях повышения эффективности строительства скважин, снижения материалоемкости и стоимости при сохранении условий надежности ее работы и долговечности одной из самых важных задач является крепление стенок скважины с использованием новых технологий и внедрением обсадных труб, отвечающих геокриологическим условиям месторождения.

Смятие крепи скважин является одним из тяжелых по последствиям видов аварий. На территории крайнего севера Западной Сибири известно более 40 скважин, в которых произошло смятие обсадных колонн. Больше половины этих скважин было ликвидировано. Затраты на ремонтно-восстановительные работы остальных скважин составили 2/3 их сметной стоимости.

Одной из составляющих нагрузок является высокое давление в результате повторного (обратного) промерзания околоскважинного затрубного пространства. Вследствие наличия в цементном камне каналов это давление локализуется на небольших участках, создавая в конструкции локальное напряженное состояние высокого порядка.

При действии локальной кольцевой нагрузки на обсадные трубы возникает изгиб. Если вследствие тех или иных причин на участке или по всей поверхности контакта цементного камня и стальной трубы отсутствует сцепление, то в многослойной конструкции под нагрузкой происходит сдвиг одного слоя по отношению к другому. Иными словами, по линиям контакта между слоями происходит нарушение сплошности. Нарушение контакта происходит под воздействием сдвигающих напряжений. Это приводит к существенному изменению напряженно-деформированного состояния всей конструкции обсадной колонны в целом.

Разработка метода расчета, позволяющего спрогнозировать поведение конструкции под нагрузкой, ее напряженно-деформированное состояние, является одним из главных условий определения необходимых параметров крепи скважины. В этом случае можно сформулировать условия работы конструкции, механические характеристики материалов, в частности цементного камня, позволяющие обеспечить надежность работы обсадной колонны.

Цель работы состоит в уточнении методики расчета обсадной колонны при возникновении локальных осесимметричных нагрузок. Основные задачи исследований:

1. Комплексное изучение состояния крепи скважин на месторождениях в районах вечной мерзлоты Западной Сибири.

2. Анализ имеющихся методик расчета крепи скважин от воздействия наружных давлений.

3. Разработка и уточнение методов расчета, и обоснование выбора типа материала, толщины стенок обсадных труб, физико-механических свойств тампонажного камня с учетом их устойчивости к воздействию локальных осесимметричных нагрузок.

4. Разработка технических и технологических рекомендаций по повышению прочности крепи скважин к воздействию избыточных внешних давлений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- показано, что одной из причин нарушения прочности цементного камня крепи скважины в результате воздействия локальной осесимметричной нагрузки есть нарушение контакта обсадных труб и тампонажного материала;

- развиты положения теории составных конструкций, позволяющие сводить задачу изгиба обсадной колонны к решению известных дифференциальных уравнений технической теории однослойной цилиндрической оболочки;

- получены соотношения для определения коэффициентов приведения к монослою при рассмотрении задачи изгиба обсадной колонны;

- выявлено влияние геометрических размеров, механических характеристик материалов конструкции на ее напряженно-деформированное состояние в соответствии с разработанной методикой расчета обсадных колонн при локальной осесимметричной нагрузке.

Практическая ценность работы. Разработаны программы для расчета обсадных колон с учетом особенностей воздействия нагрузок на крепи скважин в районах вечной мерзлоты, позволяющие обосновывать выбор групп прочности материалов, толщину стенок обсадных труб и физико-механических характеристик тампонажного камня для условий крайнего севера Западной Сибири. Сделаны расчеты напряженно-деформированного состояния конструкции обсадной колонны при локальной осесимметричной нагрузке. Проведен анализ влияния условий сцепления цементного камня со стальными трубами на напряженно-деформированное состояние всей обсадной колонны.

Внедрение результатов. Разработанные уточнения методики расчета обсадных колонн при воздействии локальной осесимметричной нагрузки рекомендуется к использованию в проектных и научно-исследовательских организациях при проектировании крепи скважин.

Апробация работы._Основные положения диссертации обсуждались и докладывались: на международной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (г. Тюмень, 1996г); на научно-технических семинарах кафедры "Теоретическая и прикладная механика" Тюменского государственного нефтегазового университета (1996, 1998, 1999 г); на XVII научно-технической конференции Тюменского государственного нефтегазового университета (1998г); на семинаре кафедры "Бурения нефтяных и газовых скважин" (1999г.); на научном семинаре "СибНИИНП"(1999г).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано: статей - 2, тезисов докладов - 3.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы 101 страница машинописного текста; 25 страниц рисунков и 7 страниц таблиц. Библиографический список литературных источников - 112 наименований.

В первом разделе сделан обзор литературы по исследуемой теме. Проведен анализ современного состояния расчетных систем для обсадных колон. Рассмотрены положения, полученные различными авторами, с позиции теории составных оболочек.

Проведенный анализ по исследованию аварийных ситуаций и известных мероприятий по выяснению причин смятия обсадных колонн показал, что существует опасность возникновения высокого давления, возникающего при обратном промерзании заколонного пространства скважин. Это давление при наличии каналов в цементном камне локализуется на небольшом участке и создает напряжения. Эти напряжения от местного изгиба существенно зависят от условий сцепления цементного камня со стальной трубой. При разрушении межслойных связей между стальной трубой и тампонажным камнем происходит сдвиг одного слоя по отношению к другому по поверхности контакта, что вызывает перераспределение усилий между отдельными элементами конструкции. Используемые в настоящее время нормы и методы расчета обсадных колон не учитывают данный эффект.

Проблема расчета с позиции теории составных конструкций, не смотря на большое количество работ по данной тематике, продолжает оставаться актуальной.

Во втором разделе развивается математическая модель изгиба составных конструкций. Задача изгиба обсадной колонны сводится к

решению дифференциальных уравнений теории изгиба однослойных конструкций. Жесткость межслойных связей учитывается введением

коэффициента приведения ос. Этот коэффициент входит в интегральную величину изгибной жесткости всего пакета в целом. Здесь форма записи для сведения задачи изгиба составной оболочки к монослою позволяет уменьшать количество разрешающих уравнений и использовать известные решения теории однослойных оболочек для расчета составных конструкций. Дифференциальные уравнения задачи изгиба составных конструкций с позиции монослоя записаны в смешанной форме. Рассмотрен случай изгиба изотропной конструкции.

Интегральные характеристики жесткости при изгибе всего пакета определялись с учетом работы межслойных связей. Чтобы замкнуть систему дифференциальных уравнений, необходимо иметь выражение для определения коэффициента приведения а. Для этого использованы уравнения, описывающие работу «швов». Получены дифференциальные соотношения для определения коэффициентов приведения а. В последнем параграфе второго раздела сформулированы частные случаи краевых условий, которые записываются как единые для всего пакета в целом и практически не отличаются от однослойных. Для предельных жесткостей межслойных связей (нулевая или бесконечная) дифференциальные уравнения для задачи изгиба составной оболочки записываются в более простой форме.

В третьем разделе представлена математическая модель задачи изгиба обсадной колонны во времени при локальной осесимметричной нагрузке. При длительном деформировании крепи скважин рассмотрено определение интегральных характеристик жёсткости. Для сложного напряжённого состояния записаны физические соотношения в соответствии

с положениями деформационной теории и с учётом изменения во времени деформаций и напряжений.

Объёмные деформации, как и при мгновенном деформировании, связаны со средними напряжениями упругой линейной зависимостью и только в деформациях изменения формы конструкции проявляется ползучесть. Жёсткость материала в точке определяется зависимостью между

интенсивностями деформаций £ш(1:) и напряжений СПп(Х) с учётом

процессов ползучести и релаксации. Дальнейшие выкладки по определению интегральных характеристик жёсткости отдельных элементов составной оболочки сохраняются те же, что и при мгновенном деформировании.

Для решения этой задачи использован алгоритм, основанный на введении дискретной шкалы времени.

В четвертом разделе проведено обоснование достоверности численных результатов в сравнении с данными других вариантов теории. Получены формулы и проведен анализ влияния геометрических размеров конструкции, механических характеристик материалов обсадной колонны на величину коэффициента приведения а.

Расчет задачи изгиба обсадной колонны при локальном воздействии осесимметричной нагрузки проведен для участка с условием шарнирного опирания по торцам конструкции, как при мгновенном нагружении, так и при деформировании во времени из-за проявления вязкоупругих свойств материала среднего слоя.

Результаты расчета при локальном воздействии нагрузки на обсадную колонну показывают, что нарушение сцепления по поверхностям контакта тампонажного камня со стальными трубами приводит к существенному изменению напряженно-деформированного состояния конструкции.

В заключении сделано обобщение основных результатов, полученных в диссертационной работе.

На защиту выносятся следующие положения диссертации:

- построение математической модели теории изгиба составных конструкций, позволяющей свести задачу изгиба обсадной колонны при осесимметричной нагрузке к однослойной конструкции;

- развитие методики определения коэффициента приведения составной конструкции обсадной колонны к однослойной при локальной осесимметричной нагрузке;

- разработка алгоритма расчета составной конструкции крепи скважин при изгибе с использованием решений для цилиндрических оболочек;

- решение и анализ численных результатов по исследованию осесимметричного деформирования конструкции обсадных колонн;

- выделение влияния геометрических размеров, механических характеристик материалов конструкции крепи скважин на ее напряженно-деформированное состояние при локальной осесимметричной нагрузке.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРОЧНОСТИ ОБСАДНЫХ

КОЛОНН

1.1. Проблемы прочности обсадных колонн

Одним из наиболее распространенных и тяжелых по последствиям видов осложнений является смятие труб обсадных колонн. Это происходит в интервале залегания мерзлых горных пород /24,48,47,102/ от воздействия давления, возникающего при обратном промерзании во время длительных простоев или консервации скважин.

Одним из способов предупреждения смятия является создание прочной крепи скважин. Существующие методы расчета обсадных колонн перекрывающих креолитозону не учитывают возможных локальных воздействий осесимметричной нагрузки на обсадную колонну, где происходит перераспределение напряжений и деформаций во времени между стальными слоями и цементным камнем.

В настоящее время интенсивно ведется поиск новых методик расчета крепи скважин и необходимости создания технических устройств, предназначенных для усиления обсадных колонн, применяемых в районах Крайнего Севера. Эти районы характеризуются наличием мерзлых горных пород, создающих специфические осложнения при сооружении и эксплуатации скважин.

Анализ промысловых данных Якутии /24,48/, Аляски /102/ и Западной Сибири /38/ показывает, что смятие обсадных колонн происходит в интервале залегания мерзлых горных пород. Устранить смятие обсадных труб возможно лишь при небольших деформациях. Глубина повреждения обсадных колонн происходит в интервале от 2,5 м. до 234 м. (скв. №633, скв. №643, скв. №651, скв. №5100 Уренгойского месторождения, скв. №629 месторождение Медвежье, скв. №103, скв. №105 Гыданской площади и т.д.). Образование замкнутых промерзших объемов с жидкостью, имеющей

при замерзании положительный ко