автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Определение нестационарных температурных напряжений в обсадной колонне при подвижной температурной нагрузке

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

К и 0.

1 Ч [{ПЯ 'О

(СтГТУ)

На правах рукописи

ФЕДОРОВА НАТАЛЬЯ ГРИГОРЬЕВНА

I

УДК 622.245.1.001.24

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБСАДНОЙ КОЛОННЕ ПРИ ПОДВИЖНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НАГРУЗКЕ

Специальность 05.15.10-Бурение скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ставрополь 1997

Работа выполнена в Северо-Кавказском научно-исследовательском проектном институте природных газов (СевКавНИПИгазе).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Тагиров K.M.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Посташ С.А.

- кандидат технических наук Горлов А.Е.

Ведущее предприятие . - ДАО " Бургазгеотерм" РАО " Газпром"

Защита состоится 26ноября 1997 г. в часов на заседании писсертаиион- • ного совета К 064.11.04. в Ставропольском Государственном Техническом университете по адресу 355 029 г. Ставрополь, проспект Кулакова, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан

Ученый секретарь

специализированного совета, KAH^ugtvr /

геолого-минералогических наук Stf л/ •— В.А. Гридин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Расчет обсадных колонн на прочность в соответствии с "Инструкцией по расчету обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин", РД 39.7/1.0001.97 - Куйбышев, ВНИИТнефть, 1997 - обязателен.

Однако на практике отмечаются случаи их повреждения при нагрузках , меньше допускаемых в несколько раз. Это свидетельствует о существовании в обсадных колоннах особых зон - концентраторов напряжений. Ими могут явиться участки труб, прилегающие к муфтовым соединениям, зоны установки цементных мостов, некачественное цементирование отдельных участков обсадных колонн и т.д.

Концентрация напряжений расчетами на прочность обсадных колонн по " Инструкции..." не учитывается.

Не всегда разрушение конструкции можно подтвердить величиной напряжений в местах их концентрации. Несоответствие расчетной схемы изучаемому аспекту работы конструкции и вида нагружения экстремальной эксплуатационной нагрузки приводит к неверным результатам и не позволяет оценить надежность конструкции.

Например, не находит объяснения разрушение зацементированных участков обсадных колонн геотермальных скважин. Представление теплового воздействия на обсадную колонну как стационарного не отражает ее экстремального теплового нагружения . Экстремальной является подвижная тепловая нагрузка, соответствующая выбросу пароводяной смеси или начальному моменту

ввода скважины в эксплуатацию. Такая нагрузка вызывает появление в конструкции нестационарных температурных напряжений.

Эти напряжения не рассчитываются по " Инструкции..." Понятно, что охватить нормативным документом все многообразие встречающихся на практике случаев нагружения обсадных колонн невозможно. Выявление особенностей их нагружения , характерных для того или иного месторождения и применение обоснованных способов расчета конструкций на прочность остаются актуальными.

На практике чаще происходит следующее. Аварии с обсадными колоннами относят на счет дефектов обсадных труб. Эта позиция не конструктивна. Она не исключает повторения аварийной ситуации.

Исследование условий нагружения , повлекших повреждение конструкции, установление характера её напряженного состояния является гораздо более сложной задачей, чем списание аварии на счет дефектов труб.

Но такой подход конструктивен. В результате всегда появляется инженерное решение задачи, обеспечивающее надежную работу конструкции при установленных режимах нагружения.

Цель работы.

Целью работы является повышение надежности работы крепи скважин, сооружаемых для добычи высокотемпературного флюида.

Основные задачи исследования.

Основными задачами, решенными в процессе работы, явились :

установление факта существования для обсадных колонн динамической температурной нагрузки, определение способа расчета нестационарных температурных напряжений и необходимых исходных параметров расчета , исследование уровня напряжений в характерных участках обсадной колонны.

Научная новизна.

Установлен экстремальный вид теплового нагружения обсадных колонн геотермальных скважин. Разработана методика расчета обсадных колонн на его воздействие.

Впервые рассчитаны нестационарные температурные напряжения, возникающие в обсадных колоннах при подвижной температурной нагрузке, исследовано напряженное состояние концентраторов напряжений по длине обсадной колонны..

Практическая ценность.

Практическая ценность работы заключается в снижении аварийности при строительстве скважин за счет предупреждения повреждений обсадных колонн.

Реализация работы в промышленности.

Основные результаты работы внедрены при расчете на прочность на действие подвижной температурной нагрузки эксплуатационных обсадных колонн для шести скважин Мутновского месторождения термальных вод Камчатской области. Определены требуемая группа прочности металла труб и толщина их стенки.

Результаты эксплуатации данных колонн положительны

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на конференции " Особенности строительства нефтяных и газовых скважин в аномальных условиях " ( Киев , 1994 г. ) , на техническом совещании " Строительство скважин на Мутновском месторождении парогидротерм Камчатской области" ДАО "Бургазгеотерм" ( Москва, 1995 г. ), на выездной сессии НТС РАО "Газпром" "Техника и технология бурения скважин" ( Ставрополь, 1996 г., 1997 г.), в полном объеме диссертационная работа была доложена и обсуждена на заседании кафедры "Бурение скважин" Ставропольского государственного технического университета (17 июля 1997 г.).

Публикация.

По материалам диссертации опубликовано б печатных трудов.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 3 приложений.

Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка, 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки специальных методик расчета обсадных колонн на прочность, учитывающих особенности их нагружения, характерные для того или иного месторождения, и применения для этого современного программного обеспечения для расчетов конструкций на прочность.

Целью выполненной работы является повышение надежности работы крепи скважин месторождения высокотемпературного сырья.

В первой главе приводится краткий обзор литературы па исследованию температурного режима скважин в различные периоды их существования, его влияния на свойства промывочной жидкости и напряженное состояние скважинного оборудования. Предметом изучения большинства исследователей ( Б.И. Есьмана, С.М. Кулиева, А.Н. Щербань, Ю.М. Проселкова, Н.И. Ягу-бова и др.) являются установившиеся тепловые режимы, смена которых приводит к появлению в обсадных колоннах температурных напряжений. Один из способов их расчета заключается в следующем. Необходимым условием возникновения температурных напряжений считается наличие в обсадной колонне участков , работающих по схеме стержня с закрепленными концами. Существенными считаются нормальные напряжения от осевых сжимающих и растягивающих нагрузок, возникающих вследствие стеснения температурных деформаций. В такой постановке задачи простота расчетной схемы объекта сочетается со сложностью определения зависимости температуры от глубины скважины при проведении различных операций и в определении максимального градиента температуры, воздействующего на рассчитываемый участок колонны. Однако, несмотря на то, что защемление части колонны может произойти на любом ее интервале при схватывании тампонажного раствора или прихвате труб, на практике температурные напряжения учитываются только в расчете усилия натяжения ее незацементированного верхнего участка. Существующие методики расчета усилия натяжения различаются по способу определения градиента температуры.

Термоупругие напряжения в обсадных колоннах глубоких нефтяных, газовых и паронагнетательных скважин предлагается определять аналитически, как соответствующие установившемуся в скважине стационарному теплообмену ( Н.И. Ягубов ). При этом считается, что на внутренней поверхности обсадной колонны температура по оси изменяется линейно и адекватна температуре промывочной жидкости. Температура внешней поверхности изменяется по закону параболы и адекватна температуре горных пород. Теплообмен возникает вследствие разности температур промывочной жидкости и горной породы. Математический аппарат, применяемый как при решении задачи теплопроводности, так и при расчете термонапряжений, сложен. Практическое использование предлагаемой методики расчета затруднительно. Расчет термонапряженного состояния обсадной колонны глубиной 10000 м при закачке воды с температурой 20° С и температуре на забое 180° С показал, что при сделанных допущениях, существенными являются осевые напряжения, радиальные и окружные пренебрежимо малы. Например, при диаметре колонны 219 мм, толщине стенке 11 мм осевые напряжения на глубине 5000 м составляют 87 МПа.

Характерно, что для обсадных колонн нефтяных и газовых скважин температурные напряжения являются дополнительными к напряжениям от нагрузок другого типа.

Иная картина наблюдается в геотермальных скважинах. Здесь температурные напряжения способны самостоятельно повредить обсадные колонны. Среди причин, вызывающих отказы крепи, -наряду с низкими пластовыми давлениями , коррозионной активностью флюида, низким качеством цементирования указывают высокую температуру флюида. Практические способы борьбы с температурными напряжениями заключаются во включении в компоновку

компенсаторов температурных удлинений, либо в применении специальных составов , обеспечивающих подвижность обсадной колонны при изменении ее длины. Но это не предотвращает разрушение труб в зацементированных участках колонны.

Надежность работы обсадных колонн связана с конструкцией скважин. Зарубежный опыт показал, что только применение тяжелей конструкции, при которой толщина стенки обсадных колонн составляет от 12,06 до до 12,7 мм и их цементирование до устья, обеспечивает удовлетворительную эксплуатацию скважины. Но это не было результатом теоретического исследования термонапряженного состояния обсадных колонн.

Отечественный опыт поискового и геологоразведочного бурения на Мут-новском месторождении парогидротерм Камчатской области показал, что в удовлетворительном состоянии в эксплуатацию передается около 12 % от числа пробуренных скважин, в основном, из-за аварий с обсадными колоннами. Разрушение рассчитанной на прочность конструкции может означать, что расчет велся не на максимальную эксплуатационную нагрузку. Существующие отечественные методики расчета температурных напряжений в обсадных колоннах базируются на представлении о стационарности температурного воздействия. Но выброс пароводяной смеси ( ПВС ) в процессе строительства скважины, вызов притока флюида при вводе скважины в эксплуатацию означают нагружение обсадных колонн высокоскоростным тепловым потоком, вызывающим появление в обсадных колоннах нестационарных температурных напряжений. Автором установлено, что экстремальной нагрузкой для обсадных колонн геотермальных скважин является подвижное температурное поле.

Прочность обсадных труб должна обеспечить надежность работы конструкции при данном виде теплового воздействия.

.Во второй главе приводятся результаты исследования напряженного состояния обсадных труб при подвижной температурной нагрузке, полученные при использовании критериев теории приспособляемости. В основе лежит наиболее простая модель среды - идеальное упруго-пластическое тело, предполагающая концепцию пластического разрушения. Внешние нагрузки, которые тело может воспринимать в условиях равновесия, ограничиваются предельным значением - величиной предела текучести материала.

Теория приспособляемости является обобщением теории равновесия на случай повторно-переменного воздействия.

Данная теория раскрывает особые механизмы разрушения конструкций, характерные для динамического температурного воздействия и позволяет определить условия их возникновения непосредственно, избавляя от необходимости последовательного расчета кинетики деформирования в процессе стабилизации цикла нагружения. Характер воздействия подвижного теплового потока принципиально отличен от характера воздействия стационарного теплового поля. При этом возможно возникновение таких явлений как прогрессирующее формоизменение и знакопеременное течение, каждое из которых может привести конструкцию к разрушению. Знакопеременное течение возникает, если воздействие температурного поля циклическое, а размах напряжений за цикл равен удвоенному пределу текучести материала. Во втором случае разрушение обусловлено накоплением относительных перемещений, определяющих прогрессирующее изменение геометрии (формоизменение ). При строительстве геотермальных скважин обсадные трубы работают в условиях теп-

лосмен, но число циклов их относительно незначительно ( < 10000 ) для того, чтобы знакопеременное течение было причиной разрушения. Необходимым условием возникновения прогрессирующего разрушения является неизохронность распределения определяющих значений переменных напряжений , что имеет место при подвижном температурном поле. Причем вероятность его возникновения возрастает с увеличением его " нестационарности".

В условиях температурного нагружения геотермальных скважин в обсадных колоннах способно реализоваться прогрессирующее формоизменение. При несущественном влиянии механических нагрузок для его возникновения достаточно, чтобы максимальные термоупругие напряжения хотя бы незначительно превышали предел текучести материала обсадных труб.

Отсутствие пластических деформаций принято в качестве достаточного условия прочности конструкции.

Расчет напряженного состояния обсадных труб, возникающего под действием подвижной температурной нагрузки, выполнен при следующих допущениях.

Обсадная колонна представлена как бесконечно длинная , геометрически однородная оболочка . Температурное поле идеализированное, квазистационарное, создающее в ней градиент температуры в осевом направлении I. Поле симметрично, механические нагрузки несущественны. Распределение температуры по толщине стеьки в зоне действия температурного поля равномерное. Нагрузка представлена обратно симметричной. Термоупругие напряжения определяются , исходя из непрерывности перемещений ( прогибов ) в сечении, расположенном на границе поля. Вследствие обратной симметрии здесь возни-

кают только поперечные силы С!о ■ Максимальные окружные напряжения равны

(<тф)т1х = 0,5аЕ1, (1)

где а - коэффициент температурного расширения материала;

Е - модуль его упругости.

При движении температурного поля область максимальных окружных напряжений ( сжатие слева, растяжение справа от его границы ) смещаются в направлении оси оболочки. Преимущественное направление деформаций определяется только температурной зависимостью предела текучести материала. Он уменьшается с повышением температуры и деформация оболочки будет происходить в сторону сжатия в окружном направлении. Это явление наблюдается на практике в насосно-компрессорных трубах паронагнетательных скважин.

Формулу (1) можно использовать для определения предела текучести материала обсадных труб для геотермальных скважин. Для этого в нее введен коэффициент запаса п и коэффициент К , учитывающий температурную зависимость предела текучести материала

от=0,5Еа!^. (2)

Градиент температуры I определяется как разность между температурой выбрасываемого флюида и минимальной температурой пласта, перекрываемого рассчитываемым участком колонны. Величина коэффициента запаса обоснована анализом введенных в расчет допущений и предположений , п = 1,5.

Величина коэффициента К установлена на основании имеющегося справочного материала. При температуре 300 - 400° С для качественных углеродистых сталей его можно принять равным 0,85, К = 0,85.

Третья глава посвящена исследованию неравномерности термонапряженного состояния обсадной колонны при статическом температурном воздействии.

Реальная обсадная колонна отличается от своей идеализированной расчетной схемы. Кроме температурной зависимости предела текучести материала причиной возникновения направленной деформации может служить неравномерное напряженное состояние конструкции. Выявление в обсадной колонне концентраторов температурных напряжений, получение для них величины коэффициентов концентрации позволит, в случае необходимости, предусмотреть меры по их снижению.

Динамический процесс нагружения конструкции подвижным температурным полем сопровождается стационарными процессами : неравномерным нагревом в осевом направлении и перепадом температуры по толщине стенки. Для исследования термонапряженного состояния обсадной колонны при этом используется моментная теория длинных цилиндрических оболочек вращения.

Установлено, что перепад температуры в осевом направлении обсадной колонны, рассматриваемой как оболочка, при статическом температурном поле геотермальных скважин не опасен для нее.

Если обсадная колонна некачественно зацементирована, ее отдельные участки начинают работать подобно стержням с защемленными концами. Разница температур при цементировании обсадной колонны и выбросе (или вызове притока ) флюида способна вызвать потерю устойчивости таких участков,

Величина критического перепада температуры зависит от их длины и предела текучести материала обсадных труб.

Перепад температуры в радиальном направлении вызывает неравномерное напряженное состояние обсадной колонны. Причиной этого являются места изменения ее геометрии, т.е. муфтовые соединения труб, место крепления и свободный край. Возле заделки, каждой стороны муфты и свободного края в трубах образуются зоны повышенных напряжений, коэффициенты концентрации напряжений составляют соответственно 2,0 ; 1,4; 1,25 ( при диаметре трубы 219 мм, толщине стенки 10 мм, диаметре муфты 245 мм,).

Заделка и свободный край могут реализоваться в верхней и нижней части обсадной колонны, а муфтовое соединение труб сопровождает- колонну по всей длине.

Анализ напряженного состояния конструкции при этом позволил сделать следующие выводы. Температурные напряжения, вызываемые градиентом температуры по толщине стенки : не опасны для нижней призабойной части конструкции, в верхней, устьевой части, колонна может испытывать значительные температурные напряжения, но они носят местный характер; муфтовое соединение труб будет вызывать всплески температурных напряжений, усиливающиеся от забоя к устью. Муфта является по сути дестабилизирующим напряженное состояние конструкции элементом, способным провоцировать развитие прогрессирующего формоизменения, с этих позиций объяснимо разрушение обсадных труб в геотермальных скважинах в основном по муфтовым соединениям.

Расчет обсадной колонны по приближенной формуле ( 2 ) дополнен рекомендациями по выбору толщины их стенки.

Для предупреждения возможности возникновения радиальных колебаний конструкции при динамическом тепловом воздействии используется инженерный критерий тонкостенное™, толщина стенки обсадных труб назначена 12, 14 мм.

Здесь же приведены примеры определения группы прочности материала обсадных колонн для геологоразведочной и типовой эксплуатационной конструкции скважин Мутновского месторождения парогидротерм. Для крепления данных скважин рекомендуется применять обсадные трубы, изготовленные из металла группы прочности Л, Е, Д с толщиной стенки 14,12,12 мм соответственно. Ранее применялись трубы из металла группы прочности Д с толщиной стенки 10,1; 10; 8,9 мм.

В четвертой главе приводятся результаты исследования термонапряженного состояния обсадной колонны методом конечных элементов. Решается задача нестационарной теплопроводности, возникающей в стенке обсадных труб при действии подвижного температурного поля и проводится расчет соответствующих нестационарных термонапряжений.

Рассматриваемая конструкция симметрична и симметрично нагружена. Конечный элемент используемый при расчете - осесимметричный.

Задача о воздействии на тело подвижного температурного поля представляет значительные математические трудности, так как она объединяет теорию упругости с теорией теплопроводности при переходном режиме. В большинстве обычных прикладных задач можно без значительной погрешности ввести некоторые упрощающие допущения. Главнейшие из них заключаются в том , что в уравнении энергии опускается его часть, отражающая механическую связанность, а в уравнении движения - инерционные части. Механическая связанность заключается в том, что, если внешнее механическое воздействие вызывает изменение деформации внутри тепа, то в общем случае они сопровождаются изменением температуры и, следовательно, появлением теплового потока. Однако деформации от действия внешних нагрузок сопровождаются лишь незначительным изменением температуры и поэтому вполне допустимо вычислить эти деформации без учета температурного расширения. Точно так же , если деформации в теле вызываются неразномерным распределением температуры, то влияние указанных деформаций на температуру невелико. Во всех задачах, кроме тех, где вопрос термоупругого рассеивания энергии представляет основной интерес, в уравнении теплопроводности можно пренебрегать членом . отражающим механическую связанность. Результаты исследова-

ний о том , можно ли в уравнениях термоупругости пренебречь инерционными членами, сводятся к следующему:

- если скорость изменения температуры мала по сравнению со скоростью звука в материале, указанные члены не могут быть значительными ;

- инерционные эффекты становятся существенными в массивных телах;

- в бесконечно длинных цилиндрах инерционные эффекты проявляются в возникновении радиальных колебаний. Ими нельзя пренебрегать , если конструкция очень тонкостенная, для сплошного бесконечно длинного цилиндра амплитуды колебаний оказываются чрезвычайно малыми, даже при очень неблагоприятных условиях как, например, при внезапном возрастании температуры (термоударе).

Отношение скорости движения пароводяной смеси при выбросе к скорости распространения звука в металле составляет примерно 0,06.

Тонкостенными считаются оболочки , толщина которых меньше либо равна 1/20 радиуса. Инженерным критерием тонкостенности, • позволяющим выполнять расчеты толстостенных цилиндров на основе теории тонкостенных цилиндрических оболочек, считается отношение толщины стенки к радиусу меньшее либо равное 1/(3 5). Для обсадных труб основного типоразмерного ряда это отношение составляет 1/(9 + 10). То есть , обсадные трубы не относятся к классу очень тонкостенных конструкций и пренебрегать инерционными членами в уравнениях движения при инженерном термоупругом расчете допустимо. Температурное поле, создаваемое выбросами ПВС считается квазистационарным и при решении задачи используется несвязанная квазистатическая теория. -Это позволяет в качестве первого и независимого шага находить температурное поле в стенке трубы. Вторым шагом является расчет термонапряжений, вызванных полученным распределением температуры. Преимущественное движение теплового поля по обсадным трубам - осевое, поэтому тепловые процессы при его движении существенны только в радиальном направлении.

Расчетная схема максимально приближена к объекту расчета. Термонапряженное состояние рассматривается в обсадной трубе, заключенной в цементную оболочку.

Рассматриваемая конструкция симметрична и симметрично нагружена. Конечный элемент, используемый при расчете - осесимметричный. Расчетная схема наделена геометрическими параметрами обсадной трубы и цементной оболочки, длина объекта расчета составляет один метр.

Задача нестационарной теплопроводности решается при граничных условиях третьего рода. Считается, что теплообмен цементного камня с окружающей средой (горной породой ) происходит за счет естественного конвективного теплообмена с жидкостью или газом, заключенных в их несплошностях. На внутренней поверхности трубы происходит вынужденный конвективный теплообмен со средой, образующей подвижное температурное поле.

Теплофизические параметры материалов и коэффициенты теплоотдачи теплоносителя и окружающей цементную оболочку среды приняты константами.

При расчете термонапряжений учитывются характерные участки обсадной колонны : заделанный край, участок без закрепления и муфтовое соединение.

Тепловой и термоупругий расчет велись на параметры выброса пароводяной смеси. Для установления исходных параметров расчета использовался промысловый материал и специальная справочная литература.

При проведении расчетов варьировались характеристики подвижного температурного поля и затрубной среды при постоянных параметрах обсадной трубы и цементного камня. И напротив, при постоянных параметрах среды внутри и снаружи конструкции, варьировалось толщиной стенки трубы и цементного камня.

Результаты расчета показали следующее. Мерой воздействия температурного поля является интенсивность прогрева конструкции в радиальном направлении. Определяющее влияние на процесс нестационарной теплопроводности оказывает величина коэффициента теплоотдачи подвижной среды, условия за цементным камнем влияют в гораздо меньшей степени.

Анализ результатов расчета термоупругих напряжений показал, что по степени влияния на напряженное состояние конструкции исходные параметры делятся на две группы. Имеющие первостепенное значение - это коэффициент теплоотдачи подвижного поля, его температура, толщина стенки обсадной тру-

бы и условия закрепления; и второстепенное - это параметры среды за колонной и толщина цементного камня.

Максимальные напряжения при нестационарном тепловом режиме способны разрушить конструкцию.

Определяющими , задающими тон напряженному состоянию обсадной трубы , для любой расчетной схемы являются окружные напряжения. Этот результат получен впервые.

Величина напряжений в трубе уменьшается с возрастанием толщины ее стенки. Например, при температуре теплоносителя и среды за цементным камнем соответственно 350° и 20° С , коэффициентах теплоотдачи 100-Ю3 и 50 Вт/м2 •0 С, наружном диаметре трубы 245 мм, толщине цементного камня 25 мм максимальные напряжения в ее части, прилегающей к заделке, равны 1380 МПа при толщине стенке 8,9 мм и охватывают практически все поперечное сечение . Они будут буквально перерезать конструкцию. С увеличением толщины стенки трубы область действия максимальных напряжений сужается. При толщине стенки трубы, равной 12 и 14 мм, она локализуется во входящем углу заделки , величина напряжений при этом составляет 900 и 750 МПа соответственно.

Наращивание толщины цементного камня приводит к снижению термонапряжений в стенке трубы, но к этому результату необходимо отнестись критически. На практике нет не только идеального контакта между трубой и цементным камнем, но проблематичным является проведение качественного цементирования колонн.

Жесткая заделка края конструкции повышает напряжения примерно в 2,3 раза по сравнению с их величиной в свободной от закрепления части трубы. Условия закрепления сказываются на виде напряженного состояния. При защемлении края конструкции максимальными являются окружные и радиальные напряжения. Если она свободна - то окружные и осевые. Но окружные напряжения всегда максимальны.

Моделирование муфтового соединения качественно подтвердило существование зон повышенных напряжений в примыкающей к муфте части труб.

В результате расчетом однозначно устанавливается величина предела текучести обсадных труб в зависимости от толщины стенки, вида соединения и

интервала крепления ствола скважины, достаточная для их безотказной работы при выбросе теплоносителя.

В пятой главе результаты расчета обсадных колонн на подвижную температурную нагрузку сравниваются с экспериментальными зарубежных авторов, полученными при изучении эксплуатационных качеств обсадных труб в условиях термальной добычи газа при рециркуляции газообразного агента. Схождение результатов удовлетворительное.

В шестой главе приводится табличный вариант методики расчета на прочность обсадных труб геотермальных скважин. Заключается он в оформлении результатов расчета в виде таблицы, где а2 - коэффициент теплоотдачи теплоносителя. Величина коэффициента запаса равна 1,1.

Как видно из таблицы группа прочности металла и толщина стенки обсадных труб определяются в зависимости от температуры флюида , его коэффициента теплоотдачи, вида соединения обсадных труб и интервала крепления ствола скважины.

Оформить в таком виде результаты расчета позволило следующее:

- установление несущественного влияния диаметра обсадных труб, применяемых для крепления геотермальных скважин на их термонапряженное состояние. Все необходимые расчеты выполнены на модели трубы диаметром 245 мм;

- выявление решающего влияния на термонапряженное состояние конструкции параметров температурного поля ( коэффициента теплоотдачи пароводяной смеси и ее температуры) , толщины стенки трубы и наличия крепления, в зависимости от которых определялась величина напряжений;

- определение диапазона изменения коэффициента теплоотдачи флюида.

Сделано это следующим образом. Его нижнее значение 5-Ю4 Вт/ м2- 0 С

получено по рекомендованной для практических расчетов формуле. Верхнее, 10-Ю4 Вт/ м2 0 С является результатом обобщения экспериментальных данных по исследованию величины коэффициента теплоотдачи при вынужденной конвекции кипящей воды и конденсирующегося водяного пара. Значение его взято из специальной литературы;

- значительная длина рассчитываемого участка конструкции. Это позволило определить термонапряженное состояние зоны крепления трубы и

Таблица

Табличный вариант методики расчета обсадных труб для геотермальных скважин с пластовой температурой 100 * 350° С

Пласто- Обсадные трубы для Обсадные трубы для крепления

вая крепления устьевой поспеустьевои части ствола скважины

тем- части ствола скважи-

пература ны

флюида 80-5-100 м Соединения резьбо- Соединения резьбо-

вые муфтовые вые безмуфтовые

Г руппа Толщина Группа Толщина Группа Толщина

прочности стенки, прочности стенки, прочности стенки,

мм мм мм

а2 < 5 ■ 10" Вт / м' -0 С

100-И 50 Д 11 Д 9 Д 7

200 Л 11 К 11 Д 10

250 М 10 Е 10 К 9

300 М 12 Е 14 Е 11

-г Л 12

350 Л 14 М 11 К 12

5 ■ 104Вт/м' -иС<а2<10- 10" Вт/м*-" С

100-И 50 К 8 Д 10 Д 12

200 Л .12 К 12 Д 12

250 М 11 Л- 11 к 11

300 М 14 л 14

н- Е 12

350 Р 12 м 12

свободной от закрепления части по одной расчетной схеме, включающей жесткое защемление края конструкции. Влияние муфтового соединения учитывается коэффициентом концентрации ><апряженик?в зоне трубы без эффекта закрепления. Порядок расчета коэффициента концентрации приведен в третьей главе работы. Для рассматриваемого типоразмера труб его средняя величина равна 1,5;

- незначительное влияние на термонапряженное состояние обсадных труб условий среды за цементным камнем и его толщины позволило считать их по-

стоянными. Температура и коэффициент теплоотдачи среды приняты равными 20° С и 50 Вт/ м2-0 С соответственно. Они отражают условия затрубья, характерные для скважин Мутновского месторождения парогидротерм - это наличие относительно холодных пластовых вод и возможность их перетоков. Толщина цементного камня равна 25 мм.

При назначении величины коэффициента запаса учитывалась возможность превышения эксплуатационными напряжениями их расчетной величины. При этом принималось во внимание, что

- расчет ведется на самый жесткий вид температурного воздействия;

- погрешность применяемого расчетного метода незначительна;

- расчет ведется в пределах упругости;

- учитывается различное напряженное состояние характерных участков обсадной колонны;

- превышение расчетной величины напряжений возможно за счет введения в расчет приближенного значения коэффициента теплоотдачи теплоносителя.

Основные результаты работы внедрены в ДАО "Бургазгеотерм' РАО "Газпром" при расчете на прочность эксплуатационных колонн скважин Мутновского месторождения парогидротерм Камчатской области. Определена группа прочности и толщина стенки труб, обеспечивающие их надежную работу при выбросах пароводяной смеси. По результатам расчета были скомпонованы обсадные колонны для шести скважин данного месторождения.

Последующая эксплуатация скважин не выявила нарушений в этих обсадных колоннах, в отличие от применяемых ранее.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлено, что экстремальным видом эксплуатационной нафузки обсадных колонн геотермальных скважин является подвижная температурная нагрузка.

2. В дополнение к "Инструкции по расчету обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин", РД 39.7/1.0001.97 - Куйбышев, ВНИИТнефть, 1997 обсадные колонны скважин, сооружаемых для добычи высокотемпературного флюи-

да, необходимо рассчитывать на прочность, на действие подвижной температурной нагрузки.

3. Термонапряженное состояние обсадной колонны неравномерное.. Концентрацию температурных напряжений в обсадной колонне вызывают

муфтовые соединения и наличие крепления.

4. Математическое моделирование теплофизического процесса воздействия подвижного температурного поля на обсадную колонну позволило установить , что толщина стенки и группа прочности материала обсадных труб должны определяться расчетом на прочность на нестационарное тепловое воздействие с учетом вида их резьбового соединения и интервала крепления ствола скважины.

5. Расчетной схемой труб, предназначенных для крепления устьевой части ствола скважины, является оболочка, имеющая жесткую заделку края.

6. Расчетной схемой труб, предназначенных для крепления его нижерасположенной части является оболочка, не имеющая креплений.

7. Наличие муфтового соединения учитывается введением коэффициента концентрации напряжений. .

8. Требования к материалу и компоновке обсадной колонны сводятся к следующему:

- обсадные трубы должны изготавливаться из металла , обладающего пластичными свойствами, хорошо переносящего местные перенапряжения и в меньшей степени подверженного охрупчиванию при повышении температуры,

- предел текучести материала обсадных труб должен иметь минимальную температурную зависимость;

- обсадная колонна может компоноваться из обсадных труб как с муфтовыми, так и безмуфтовыми соединениями - ( предпочтение отдается безмуфтовым резьбовым соединениям;

- обсадная колонна должна состоять из двух частей : части, предназначенной для крепления устья скважины и части для крепления его нижележащего участка ствола скважины, для которых различны расчетые схемы для определения термонапряжений;

- обсадные колонны цементируются до устья.

Под устьевой частью скважины понимается 80 - 100 м ее ствола.

Разработанная методика расчета на прочность обсадных колонн на подвижную температурную нагрузку может применяться не только при условии их эксплуатации в геотермальных скважинах, но и в любых газовых или нефтяных , где возможно появление подвижных температурных полей. Температурные напряжения в этом случае будут дополнительными к напряжениям от нагрузки другого типа.

Методика внедрена при расчете на прочность обсадных колонн термальных скважин " Союзбургаза" (ДАО "Бургазгеотерм" РАО " Газпром " ). Результаты их эксплуатации положительны.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Девятое Е.В., Федорова Н.Г. Краевой эффект при проведении опрессовки обсадных колонн. Определение величины допускаемого давления опрессовки.-М., 1989. - 4 е.: ил. - Библиогр.: 4 назв. - Рус.- Деп. в ВНИИЭгазпроме, № 499 Д.

2. Девятов Е.В., Федорова Н.Г. Применение моментной теории осесиммет-ричных цилиндрических оболочек к исследованию напряженного состояния обсадных труб // Строительство газовых и газсконденсатных скважин: Сб. научн. тр. / Государственный газовый концерн "Газпром", Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и технологий (ВНИИгаз).-- 1992.-С. 3-6.

3. Федорова Н.Г., Девятов Е.В. Разгерметизация колонн при их опрессовке // Строительство газовых и газоконденсатных скважин: Сб. научн. тр./ Государственный газовый концерн "Газпром", Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и технологий (ВНИИгаз). - 1993. -С. 39 -46.

4. Девятов Е.В. , Федорова Н.Г. Определение температурных напряжений в обсадных трубах геотермальных скважин // Строительство газовых и газоконденсатных скважин: Сб. научн. тр./ Государственный газовый концерн "Газпром", Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и технологий (ВНИИгаз). -1995. - С. 3-14.

5. Девятов Е.В., Федорова Н.Г. Температурные напряжения в обсадных колоннах геотермальных скважин // Газовая промышленность. - 1995. - № 2. • С. 17 -19.

6. Федорова Н.Г., Девятов Е.В. Расчет температурных напряжений в обсадных трубах геотермальных скважин И Нефтяное хозяйство. - 1996. - № 4. - С. 59 -62.