СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИСПЫТАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОБСАДНЫХ ТРУБ ЗАО «ТМК»
А. ЕМЕЛЬЯНОВ, зло «тмк»
Б. ЩЕРБАКОВ, П. СИДОРЕНКО, оло «тагмет»
Условия работы обсадных труб в скважинах в составе нагнетательных, эксплуатационных и других конструкционных типов обсадных колонн
В результате бурения и последующего обвало-образования стенок скважины в люлинворских глинах Западной Сибири формируются просторные и асимметричные каверны. В процессе цементирования в интервале каверн происходит неполное заполнение заколонного пространства тампонажным раствором. Как следствие, у нагнетательной колонны появляется незначительная стрела прогиба, которой достаточно для возникновения в месте максимального искривления ствола разгерметизации резьбового соединения. Через негерметичность вода под высоким давлением начинает поступать в глинистые породы.
Аналогичные явления происходят и в добывающей скважине, однако в нагнетательной скважине высокое внутреннее давление значительно ускоряет процесс нарушения колонны. Вода, поступающая в глины под высоким давлением, полностью изменяет их физико-механические свойства, меняется напряженно-деформированное состояние пород в окрестности скважины, что приводит к ее дальнейшему деформированию.
Многообразие нагрузок, в условиях которых эксплуатируются обсадные колоны, диктует необходимость использования по возможности наиболее надежных конструкций применяемых труб, обеспечивающих многолетнюю, безаварийную эксплуатацию скважин и поддержание высоких темпов добычи углеводородов.
Некоторые вопросы герметичности конических резьбовых соединений обсадных и насосно-компрессорных труб
Герметичность резьбовых соединений труб — это свойство, обеспечивающее их непроницае-
мость при нагружении избыточным давлением жидкости или газа. Если говорят о герметичности резьбового соединения, это значит, что движение жидкости или газа, находящихся под давлением в трубах или за трубами, отсутствует на длине участка труб, соединенных при помощи резьбы, т. е. величина давления жидкости или газа не изменяется с течением времени по причине пропусков в резьбе.
Р1
Для случая: Р2 > Р1
Р2 Рис. 1
Известно, что касание двух твердых тел (оболочек) всегда дискретно, что обусловлено шероховатостью и волнистостью их поверхностей. Даже для тщательно отполированной поверхности высота выступов составляет не менее 1 нм. Поэтому две наложенные друг на друга поверхности изначально соприкасаются лишь своими выступами. Следовательно, контакт двух конических оболочек (без натяга) условно можно считать проницаемым для газа (рис. 1). С приложением полезного натяга резьбового соединения площадь «пятен» касания увеличивается, а наличие в зоне контакта жидкости (смазки) делает его непроницаемым даже для газа. Это связано с тем, что для столь малых поперечных сечений каналов капиллярные силы достигают огромных значений; вытеснение из каналов жидкости становится невозможным и контакт, естественно, — непроницаемым.
Сегодня хорошо известна освоенная на ОАО «ТАГМЕТ» конструкция резьбового соединения обсадных безмуфтовых труб СТТ.
Рис. 3. Зависимость максимальных усилий в контакте при различных значениях диаметриальных натягов по уплотнению, при постоянном натяге по резьбе, равном 0,12 соединения (показан характер контакта)
Тонкостенные обсадные трубы с высоко герметичным резьбовым соединением СТТ (рис. 2) широко применяются в нефтяных скважинах на месторождениях Западной Сибири.
В процессе отработки резьбового соединения и расширения его применимости на газовых скважинах были проведены динамические испытания образцов соединений СТТ 139,7х7,0 группы прочности Д на термоциклирование под высоким давлением газа.
В зарубежных аналогах безмуфтовых резьбовых соедине-
ний используется, помимо узла герметичности «металл-металл», дополнительный узел — тефлоновое кольцо. На отечественной конструкции соединения СТТ все стендовые испытания проводятся без дополнительного узла, что позволяет выявить фактическое поведение соединения, работу всех его конструктивных элементов в процессе спуска обсадной колонны и дальнейшей ее эксплуатации.
Испытываемый образец нагружался внутренним давлением природного газа величиной 310 кгс/см2, а затем помещался в ванну с водой, температура в которой циклически изменяется от 20° до 950° С. Это вызывало колебания внутреннего давления и осевого усилия на 15—20%, что моделировало возможные негативные условия эксплуатации. Перед проведением указанных испытаний образцы проходили трехкратное свинчивание-развинчивание и последующую статическую гидро- и газоопрессовку внутренним давлением по ступеням до достижения в стенке трубы давления, равного 0,8 т тела трубы с выдержкой на каждой ступени 15 мин.
Испытания показали, что соединение СТТ в среде природного газа может быть улучшено с точки зрения устойчивости к термоциклированию под высоким давлением газа.
Была поставлена задача проанализировать результаты испытаний, выяснить возможные пути увеличения надежности
Рис. 4. Зависимость максимальных усилий в контакте при различных значениях диаметральных натягов по уплотнению, при постоянном натяге по резьбе, равном 0,28 соединения (показан характер контакта)
конструкции и внести соответствующие предложения по повышению надежности.
Для сокращения времени и затрат на многократные повторные стендовые испытания, проведен расчет соединения, освоенным в Отделе разработки новых резьбовых соединений ОАО «ТАГМЕТ» методом конечно-элементного анализа.
На основе геометрических моделей соединений были разработаны конечно-элементные модели.
Вследствие конструктивных особенностей герметичность соединения обеспечивается за счет контакта по уплотнительным поверхностям узла герметизации, поэтому критерием герметичности соединений было выбрано максимальное радиальное сжимающее усилие в контакте по уплотнению, возникающее в результате радиальных деформаций контактирующих поверхностей при свинчивании их с натягом. Сжимающее усилие в контакте по упорному торцу несколько снижается при растяжении, возникающем от действия внутреннего давления на заглушки испытательного образца, поэтому считаем, что для наших условий он не создает эффективного барьера герметизации.
Проводимая работа была поделена на два этапа.
• На первом рассмотрено влияние сочетаний величин суммарных диаметральных натягов по резьбе и уплотнительным поверхностям на герметизирующую способность соединения.
• На втором этапе изучалось возможное влияние чрезмерного докрепления избыточным крутящим моментом на герметичность соединения.
Результаты расчета по первому этапу представлены в виде графиков на рис. 3 и 4. Все расчеты велись с докреплением 0,05 мм в осевом направлении, что составляет 5—6 мм в окружном направлении по наружной поверхности тела трубы. Это соответствует состоянию соединения, свинченного оптимальным крутящим моментом.
В результате анализа серии проведенных расчетов с различными сочетаниями суммарных диаметральных натягов по резьбе и уплотнению были выделены три характерных варианта влияния натяга по резьбе на уплотнение.
1. В случае, когда суммарный натяг по резьбе имеет максимальное значение, а по уплотнению — минимальное, контакт носит точечный характер. Точка контакта находится на носике ниппеля (рис. 5, деформации показаны в масштабе).
2. В случае, когда суммарный натяг по резьбе имеет минимальное значение, а по уплотнению — максимальное, контакт также носит точечный характер. Точка контакта находится у основания уп-лотнительной поверхности раструба (рис. 6, деформации показаны в масштабе).
Рис. 6
3. В случае, когда суммарный натяг по резьбе и уплотнению имеют одинаковое значение, контакт теряет точечный характер и происходит по всей площади уплотнительных поверхностей (рис. 7, деформации показаны в масштабе).
Рис. 7
По результатам расчета наибольшую величину усилий обеспечивает контакт, показанный на рис. 6.
На втором этапе проведена серия расчетов, показавшая, что увеличение докрепления более 0,15 мм в осевом направлении (15 мм в окружном направлении по наружной поверхности трубы) приводит к уменьшению контактных усилий в уплотнении, излишнему предварительному догружению шейки ниппеля. Докрепление соединений в пределах 0,05—0,15 мм в осевом направлении (5—15 мм в окружном направлении по наружной поверхности трубы) достаточно, чтобы обеспечить смыкание упорных поверхностей раструба и ниппеля при нагружении соединений максимальной растягивающей нагрузкой, рассчитанной по опасному сечению шейки ниппеля.
Расчеты методом конечных элементов позволяют получить картину распределения напряжений в соединения от действия внешних нагрузок и определить их предельные значения, выявить опасные сечения.
Пример распределения эквивалентных напряжений по соединению от различных нагрузок показан на рис. 8 и 9.
Результаты расчетов показали, что имеющиеся суммарные конструктивные натяги по уплотни-тельным поверхностям достаточны для создания герметичности при работе соединения в среде жидкости и требуют увеличения для нормальной его работы в среде газа.
Таким образом, задача увеличения герметичности резьбового соединения может быть решена за счет:
• увеличения суммарного диаметрального натяга по уплотнению, при котором напряжения по носику ниппеля достигают предела текучести;
• ужесточения допусков на диаметральные натяги резьбы и уплотнения, что нецелесообразно с точки зрения технологичности производства.
Расчет методом конечных элементов позволил подобрать оптимальные натяги по уплотнению, обеспечивающие требуемую герметичность в среде газа, без изготовления натурных образцов и проведения промежуточных стендовых испытаний.
Рис. 5
Рис. 8. Соединение нагружено натягом (по уплотнению = 0,3 мм; по резьбе = 0,2 мм); докрепление в осевом направлении составляет 0,1 мм_
кй?- -«у iP? ¿¡¿
РЛ '■■} I ' i; »í¡i Sä? " vj
■ ___. г—>
у-. Г\ Г\ г\Г\ГЛ
Рис. 9. Соединение нагружено натягом (по уплотнению = 0,3 мм; по резьбе = 0,2 мм); докрепление в осевом направлении составляет 0,1 мм и догружено вну
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.