ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ
УДК 622.276.5 (1-198)
© Коллектив авторов, 2015
Оценка напряженно-деформированного состояния конструкции соединения стволов многоствольных
скважин1
A.В. Ошибков, Д.Д. Водорезов,
К.В. Сызранцева, к.т.н.,
С.А. Фролов,
М.В. Двойников, д.т.н.,
B.Н. Светашов (ТюмГНГУ),
Д.Л. Бакиров, к.т.н.
(Филиал ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «КогалымНИПИнефть» в г. Тюмени)
Адрес для связи: dvoinik72@gmail.com
Ключевые слова: многозабойные скважины, боковой ствол, напряжения и деформации обсадных колонн, герметичность стыка
В настоящее время в России строительство многоствольных скважин - это стремительно развивающийся сегмент рынка сервиса нефтегазовой отрасли. Технологии многоствольного бурения позволяют увеличить рентабельность добычи нефти и газа, что имеет особое значение для эксплуатации пластов с трудноизвлекаемыми запасами, а также месторождений на завершающих стадиях разработки, доля которых с каждым годом увеличивается [1].
Существует множество технико-технологических решений для сооружения многоствольных и многозабойных скважин, конструкции которых можно отнести к шести уровням согласно общепринятой международной классификации TAML (Technology Advancement for Multi-Laterals). Каждый уровень TAML характеризуется определенным типом конструкции соединения бокового и основного стволов. Самые простые конструкции, например, с не-обсаженным боковым стволом, соответствуют первому уровню, наиболее сложные, обеспечивающие механическую и гидравлическую изоляцию места их соединения (стыка) с сохранением полнопроходных диаметров стволов, соответствуют шестому уровню. Наиболее универсальным и экономически оправданным решением для строительства многоствольных и многозабойных скважин на суше является тип конструкции стыка стволов, соответствующий четвертому уровню TAML [2], который
The stress-strain condition estimation of construction of multilateral well junction
A.V. Oshibkov, D.D. Vodorezov, K.V. Syzrantseva, S.A. Frolov, M.V. Dvoynikov, VN. Svetashov (Tyumen State Oil and Gas University, RF, Tyumen),
D.L. Bakirov (KogalymNIPIneft Branch of LUKOIL-Engineering LLC in Tyumen, RF, Tyumen)
E-mail: dvoinik72@gmail.com
Key words: multilateral wells, side-track wellbore, casing tensions and deformations, wellbore junction isolation.
The paper reviews the issues of construction of multilateral wells associated with junction of wellbores. The authors also presents technique of modeling of the stress-strain state of the joint multilateral well using software package ANSYS, which implements the finite element method, a nonlinear analysis based on elastic-plastic deformation in metal pipes. It is shown that tension occurring in the metal pipe due to differential pressure action at the junction, is significant factor affecting the structural integrity of the wellbore. Analysis of the results of computational experiments revealed that during the operation of considered TAML-4 design involves the risk of the annular flows behind column and gas and water breakthrough. It is also concluded that designing well construction should regard rock properties not only in the area of the joint, but at a considerable distance above and below the junction of wellbores. Analysis of factors affecting the magnitude of tension showed that the creation of isolated junction of TAML-4 level is impractical because it increases the value of the differential pressure, and thus significantly increases the tension in structure materials.
характеризуется тем, что основной и боковой стволы обсаживаются и цементируются. Данный тип соединений предусматривает механическое закрепление места стыка, но не имеет гидравлической изоляции, т.е. характеризуется недостаточно надежной крепью. Для анализа функционирования соединений по этому уровню в стволе скважины с целью определения направлений развития данной технологии и выявления технико-технологических ограничений конструкции был проведен вычислительный эксперимент по оценке напряженно-деформированного состояния (НДС) стыка стволов в скважине. Задача решалась в программном комплексе ANSYS, реализующем метод конечных элементов, в нелинейной постановке с учетом упругопластических деформаций в металле труб [3].
Обсадная труба основной колонны принималась стальной (сталь марки Д), что соответствует распространенным условиям при бурении многоствольных скважин из скважин старого фонда. Верхние трубы хвостовика бокового ствола были изготовлены из алюминиевого сплава. Данная особенность конструкции обусловлена возможностью дальнейшего разбуривания цемента и хвостовика в основной колонне. Свойства материалов изменялись в соответствии с мультилинейны-ми законами деформирования. В силу симметрии модели анализировалась ее половина. На плоскостях разреза
:Работа выполнена при поддержке финансирования Министерства образования и науки РФ на проведение прикладных научных исследований в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (проект «Разработка технологии формирования сочленения (стыка) основного и бокового стволов в многоствольных скважинах, обеспечивающего доступ в оба ствола в процессе эксплуатации скважины» (уникальный идентификатор прикладных научных исследований проекта RFMEFI57714X0060).
Внутреннее Максимальное Максимальное напряжение, МПа Погрешность конечно-элементной сетки, %
давление, МПа радиальное перемещение, мм в стали в алюминии в стали в алюминии
11 -1,651 509,154 262,686 12,28 7,42
12 -1,4963 437,101 233,197 10,8 7,17
13,6 -1,2537 324,384 187,155 0,92 7,92
15,3 -1,003 225,765 139,195 7,94 7,95
17 -0,877 148,062 91,65 10,4 9,4
18 -0,856 106,411 63,75 9,17 10,27
19 -0,8361 69,335 36,675 4,15 10,85
указывались условия симметрии. Верхняя и нижняя торцевые плоскости были жестко заделаны.
Геометрическая модель строилась средствами препроцессора ANSYS для обеспечения возможности варьирования геометрических параметров модели. Для дискретизации использовались конечные элементы типа SOLID95, описывающие упругие и пластические деформации квадратичными функциями, поэтому характеризующиеся хорошим качеством аппроксимации. В качестве внешних нагрузок условно принималось горное давление, которое при расположении стыка основного и бокового стволов скважины на глубине 2000 м равнялось 22 МПа. Поскольку стык рассматриваемой конструкции не имеет гидравлической изоляции, полость обсадной трубы и пласт в месте стыка сообщаются. В связи с этим внутреннее давление, зависящее от степени негерметичности стыка, свойств пород пласта в месте соединения, а также выполняемых в скважине работ в процессе моделирования, варьировалось. В качестве решателя был выбран SPARSE SOLVER, для улучшения сходимости нелинейного решения заданы четыре подшага.
В ходе компьютерного моделирования было проведено семь расчетов. Качество конечно-элементной сетки оценивалось аналогично подобным исследованиям [4] по формуле
Рис. 1. Распределение радиальных перемещений в стальной и алюминиевой трубах (а) и деформация труб (б)
ных напряжений в стальной и алюминиевой трубах при внутреннем давлении, равном 13,6 МПа.
По результатам компьютерного моделирования с помощью регрессионного анализа были восстановлены функциональные зависимости перемещений и напряжений в материалах труб от внутреннего давления х, представленные в виде полиномов: для радиальных перемещений
ESOL-NSOL ^ ESOL
100 %,
(1)
fr_UY(x):=-14,159633 +4,690112х -0,490807х2+ +0,021457х3-0,0003384167х4,
(2)
где ESOL - результаты в центрах масс элементов; NSOL - результаты, усредненные по узлам элементов.
Получены удовлетворительные результаты, приведенные в таблице.
На рис. 1 представлено распределение радиальных перемещений, а также характер деформации труб (деформации модели увеличены в 10 раз) при внутреннем давлении, равном 11 МПа, на рис. 2 - распределение глав-
для главных напряжений в стальной трубе fr_SL_st(x):=1891-177, 091х+5,268х2-0,052х3, (3) для главных напряжений в алюминиевой трубе й^_а!(х):=616,834-35, 545х+0,36х2-0,005066х3. (4)
Рис. 2. Распределение главных напряжений в стальной и алюминиевой трубах (а) и отдельно в алюминиевой трубе (б)
06'2015
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
84
Рис. 3. Зависимости радиальных перемещений (а) и главных напряжений (б) для стали (1) и алюминия (2) от внутреннего давления (ромбами обозначены данные компьютерных экспериментов)
Результаты представлены на рис. 3. На рис. 3, а показана функция радиальных перемещений, на рис. 3, б -главных напряжений для стали (кривая 1) и алюминия (кривая 2).
Анализ полученных результатов
В ходе вычислительного эксперимента было установлено, что конструкция стыка по четвертому уровню TAML испытывает значительные нагрузки, непосредственно зависящие от перепада давления со стороны скважины и породы. При этом высокие значения дифференциального давления создают напряжения в металле труб, близкие к пределу текучести.
Из рис. 3 видно, что даже при небольшом перепаде давления конструкция подвержена деформациям. Данный фактор неизбежно вызовет нарушение целостности контакта труб с цементом не только в рассматриваемом узле, но и выше и ниже него, что также видно из рис. 1, б. В процессе эксплуатации при снижении давления в скважине ниже порогового (например, если динамический уровень при эксплуатации электроцентробежного насоса поддерживается на глубине более 1000 м) происходят смещение колонны, нарушение адгезии и целостности камня. В результате наблюдается выход частиц цементного камня вместе с породой, что приводит к частым заклиниваниям и износу насосов. При такой эксплуатации существует риск появления в скважине межколонных перетоков и прорывов газа. Это необходимо учитывать при проектировании строительства многозабойной скважины и выбирать место зарезки бокового ствола с учетом повреждения цементного кольца снаружи основной колонны и бокового ствола на протяженном участке, а не только в интервале зарезки окна. Вырезанное в колонне окно и фрезеров
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.