Конструкция резьбовых соединений для заканчивания горизонтальных скважин
С. А. РЕКИН, А. Р. НУРГАЛЕЕВ, С. А. ЯКУНИН – ООО «ТМК-Премиум Сервис»
А. Р. АГИШЕВ, В. В. СЛОБОДИН – ПАО «ТМК»
Продуктивные пласты современных разрабатываемых месторождений располагаются все глубже и во все более сложных геологических условиях. Для повышения нефтеотдачи пласта и сокращения общего количества скважин на проекте строятся горизонтальные скважины. Развитие технологии наклонно-направленного и горизонтального бурения привело не только к появлению нового бурового оборудования (роторно-управляемые системы, телеметрия и т.д.), но и разработке новых резьбовых соединений и подходов их расчета для выбора к проекту с учетом жесткости колонны на изгиб и контактных сил взаимодействия колонны со стенкой скважины.
Ключевые слова: ООО «ТМК-Премиум Сервис», резьбовое соединение TMK UP Moment, TMK UP Centum, эффективность на сжатие 100%, потеря продольной устойчивости, горизонтальные скважины, локальные изгибные напряжения в области муфты.
В виду того, что запасы «легкой» нефти и газа сокращаются, нефтегазовые компании все больше ведут освоение сложных месторождений. Это приводит к увеличению глубин бурения, бурению горизонтальных скважин и скважин с большим отходом от вертикали, разработке месторождений с аномально высокими пластовыми давлениями.
В 2013-2018 годах доля горизонтального бурения выросла с 21% до 48%, а объемы вертикального бурения снизились на 13%, и эта тенденция сохранится в ближайшем будущем, согласно данным отчета Delloite. Все это приводит к повышению требований к внутрискважинному оборудованию.
При бурении и заканчивании горизонтальных скважин оборудование при спуске и эксплуатации воспринимает комбинированное нагружение. В связи с одновременным воздействием сжимающей нагрузки, нагрузки от изгиба, внутреннего и внешнего давления наиболее опасные сечения находятся в наклонно-направленном интервале (рис. 1).
Выделим критерии, которые влияют на величину эквивалентного напряжения:
- геометрические параметры скважины (внутренний диаметр обсаженного ствола, эффективный диаметр открытого ствола, радиальный зазор между колонной и стенкой скважины, коэффициент трения колонны о породу);
- осевые силы сопротивления перемещению колонны и вращению колонны;
- интенсивность искривления ствола скважины и изгибающий момент;
- вес колонны и влияние контактных сил.
Осевые силы сопротивления колонны возникают из-за осевого перемещения колонны вверх/вниз, как результат трения о стенку скважины. Преодоление этих сил вызывает в колонне:
- повышенные сжимающие усилия в процессе передачи осевой нагрузки нижней части колонны;
- изгибающие нагрузки при прохождении наклонно-направленных участков с большой интенсивностью искривления,
- высокий крутящий момент вращения колонны при спуске с вращением колонны.
Сопротивление движению колонны определяется значением коэффициента трения на данном участке скважины и контактными силами, возникающими между колонной и стенкой скважины (рис. 1) [1].
Рис. 1. Нагрузки, действующие на колонну в процессе спуска в наклонно-направленном интервале
Наиболее опасным следствием действия сжимающих нагрузок является локальная потеря продольной устойчивости сначала в форме плоской синусоиды – «синусоидальному баклингу», переходящей по мере увеличения сжимающей нагрузки к виду пространственной спирали – «спиральному баклингу» (рис. 2). Превышение сжимающих усилий сверх критических нагрузок «баклинга» сопровождается прогрессирующим ростом прижимающих усилий в контакте «колонна – стенки скважины», что приводит к заклинке (прихвату) колонны и инструмента в скважине. Наиболее часто «баклинг» наблюдается при бурении и спуске колонны без вращения. При операциях с вращением коэффициенты трения скольжения колонны переходят в коэффициенты трения качения, что позволяет снизить силы сопротивления перемещению колонны вдоль оси скважины, тем самым обеспечивая достижения проектной глубины спуска.
Установлено, что значение критической нагрузки, приводящей к «баклингу» в горизонтальном стволе, прямо зависит от распределенного веса труб в буровом растворе и изгибной жесткости сечения тела трубы [2].
В сжатом состоянии колонна испытывает как сжимающие нагрузки, так и изгибающие нагрузки, а в случае ее освобождения путем расхаживания с вращением при прихвате испытывает, дополнительно, высокие нагрузки при кручении. Действие комбинированных нагрузок «сжатие-изгиб» приводит к локальным изгибающим напряжениям в колонне, которые могут стать критическими для выбранного типоразмера трубы по слабому сечению [3].
Рис. 2. Моделирование потери устойчивости колонны в Well Plan
Расчет изгибающих нагрузок требует определения локальных значений кривизны по телу трубы (BSM). Коэффициент BSM (Bending Stress Magnification – усиление напряжения изгиба) является отношением максимального абсолютного значения кривизны тела трубы к кривизне ствола скважины на заданном участке. Произведение расчетного значения BSM на напряжение изгиба σb определяет напряжения изгиба тела трубы σb pipe, которые концентрируются ближе к муфтовым соединениям при растяжении (см. рис. 3).
Рис. 3. Нагрузки, действующие на колонну в процессе ее эксплуатации
Полученные значения изгибающих напряжений используют в расчете эквивалентных напряжений по фон-Мизесу [2]. Условие прочности по соответствующей теории критерия прочности для напряженных состояний имеет следующий вид:
где:
σэкв – эквивалент напряжения по фон Мизесу
где:
σb pipe – изгибающие напряжения, возникающие за счет кривизны скважины и учета жесткости тела трубы;
σθ – напряжения, действующие в тангенсальном (круговом) направлении;
σr – напряжения, действующие в радиальном направлении;
σтек – предел текучести данного материала;
n – применяемый запас прочности.
Допустимые значения комбинированных нагрузок описываются эллипсом упругости с учетом локальных изгибающих напряжений (рис. 4).
Рис. 4. ПРИМЕР. Область допустимых комбинированных нагрузок «осевая нагрузка-давление» для типоразмера 177,8x9,19 мм N80 TMK UP Centum
Одним из самых уязвимых элементов в обсадной колонне является резьбовое соединение, которое ограничено следующими техническими параметрами:
- эффективность на сжатие в сравнение с телом трубы;
- допустимый изгиб соединения;
- операционный момент.
Поэтому выбор соединения является важным критерием для сохранения целостности колонны и его работоспособности под действием комбинированных нагрузок (рис. 4 и рис. 5).
На рис. 4 показаны области допустимых нагрузок «осевая нагрузка-давление» для вертикального участка (случай отсутствия изгиба – выделено красной областью) и наклонно-направленного участка (случай с изгибом колонны – выделено зеленой областью) для типоразмера колонны 177,8x9,19 мм, группы прочности N80. Согласно результатам расчета, соединения с эффективностью на сжатие 60% и менее не способны обеспечить сохранение работоспособности соединения. Для рассмотренного случая требуется применение соединения с эффективностью на сжатие 100%, например, TMK UP Centum или TMK UP Moment.
На рис. 5 показаны области допустимых нагрузок «осевая нагрузка – крутящий момент» для вертикального и наклонно-направленного участка. В качестве сравнения выбраны два соединения: соединение №1 имеет 60% сжатия до предела текучести и операционным крутящим моментом 10 кН-м, соединение №2 имеет 100% сжатия до предела текучести и операционным крутящим моментом 16 кН-м. Расчет комбинированной нагрузки (рис. 4) для вертикального участка показал, что колонна сохраняет свою целостность и не превышает допустимые нагрузки для обоих соединений. Что касается наклонно-направленного участка с интенсивностью искривления 1,5°/10 м, то расчетная комбинированная нагрузка является критичной для соединения №1, т.к. превышает предельное значение сжимающей нагрузки. В случае освобождения колонны при заклинке с приложенным операционным моментом 12 кН-м соединение №1 не способно сохранить целостность ввиду превышения предельного операционного крутящего момента (рис. 5).
Риc. 5. Область допустимых комбинированных нагрузок «осевая нагрузка-крутящий момент» для типоразмера 177,8x9,19 мм N80
Таким образом, одним из эффективных методов, который позволяет решить проблемы с потерей устойчивости при спуске в горизонтальные интервалы является спуск с вращением, при котором трение скольжения переходит в трение качения. И для инженера важно правильно определить критерии выбора резьбового соединения.
Выделим основные конструктивные особенности резьбового соединения для спуска в наклонно-направленную и горизонтальную скважину (рис. 6):
- Торцевой упор. Торцевые упоры кроме уплотняющей функции, служат ограничением осевого перемещения и воспринимают крутящий момент при вращении обсадной колонны.
- Форма профиля резьбы. Для обеспечения высокой прочности соединения при действии осевой и изгибающей нагрузок применяется крюкообразная или клиновидная резьба. (рис. 7).
- Газогерметичное уплотнение «метал-металл». Соединения с уплотнением металл-металл имеют одно или несколько уплотнений и отличаются высокой герметичностью при давлении как жидкостью, так и газом. Для надежной герметизации применяются уплотнительные поверхности конической, сферической или цилиндрической форм, обеспечивающие после свинчивания соединения плотную посадку с заданным диаметральным натягом.
Рис. 6. Ключевые элементы резьбового соединения
Рис. 7. Формы профиля премиальных резьбовых соединений
В зависимости от конструктивных особенностей соединения максимальный операционный момент будет отличаться для соединений. Например, на рис. 7 представлено сравнение соединение поколений Pro (TMK UP Centum и TMK UP PF ET) с соединением поколения Moment (TMK UP Moment).
Рис. 8. Сравнение операционных моментов
Клиновидный профиль резьбы TMK UP Moment c прогрессирующим шагом по всей длине соединения (рис. 9), что резко увеличивает способность обеспечить высокий операционный момент в отличие от классических премиальных соединений с трапецеидальным профилем. Обладает 100% эффективностью на растяжение и сжатие.
Рис. 9. Профиль соединения TMK UP Moment
Заключение
По результатам рассмотрения явления продольной устойчивости в горизонтальных скважинах и расчета локальных изгибающих напряжений можно заключить следующее:
- При выборе соединений необходимо учитывать изгибающие напряжения, возникающие за счет кривизны скважины и учета жесткости тела трубы.
- Наиболее эффективным способом снизить риски не доведения колонны до проектной глубины, разрушения при расхаживании и вращении колонны является применение упорных резьбовых соединений с эффективностью на сжатие 100%.
- Премиальные упорные резьбовые соединения ТМК отличаются от соединений ГОСТ и API подтвержденными стендовыми испытаниями при комбинированном нагружении и моментных нагрузках.
- Для обеспечения высокого операционного момента во время спуска с вращением необходимо применение специальных конструкций соединений с клиновидным типом профиля резьбы.
Приложение
PRO серия.
Линейка премиальных соединений, обладающих исключительной устойчивостью к растягивающим, сжимающим и изгибающим нагрузкам при избыточном внутреннем и наружном давлениях.
TMK UPТМ CENTUM – быстросборное упорное газогерметичное премиальное соединение. Испытано по стандарту API 5C5 CAL IV. Прочность соединения равна прочности тела трубы и обеспечивает 100% эффективность на растяжение и сжатие. Уплотнение металл-металл и профиль резьбы обеспечивают высокую газогерметичность при особо сложных условиях эксплуатации (предельных комбинированных изгибающих, сжимающих, растягивающих нагрузках, крутящем моменте, агрессивных средах). Может применяться на SAGD проектах и для циклического стимулирования водяным паром CSS.
TMK UP CENTUM
ЛИТЕРАТУРА:
- А. Р. Агишев, С. А. Рекин, А. М. Павлов – ООО «ТМК-Премиум Сервис», Д. А. Федосеев – ООО «СамараНИПИнефть». Применение упорного резьбового соединения для эффективного заканчивания горизонтальных скважин. Бурение и нефть, 10/2018.
- Kuru E., Martinez A., and Miska S., 1999, «The Buckling Behavior of Pipes and Its Influence on the Axial Force Transfer in Directional Wells», Proceedings, SPE/IADC Drilling Conference, Paper No. SPE/IADC 52840, Amsterdam, Holland.
- Bending Stress Magnification in Constant Curvature Doglegs With Impact on Drillstring and Casing. P.R. Paslay, Techaid Corp., and E.P. Cernocky, Shell Development Co. SPE 22547.
- С. А. Рекин, А. Ш. Янтурин; под ред. А. Ш. Янтурина. Устойчивость, упругая деформация, износ и эксплуатация бурильных и обсадных колонн (механика системы «колонна-скважина-пласт»). Санкт-Петербург: Недра, 2005 (Уфа: Уфимский полиграфический комбинат) – с. 460.
Статья в формате pdf →
- 101000, Москва,
- ул. Покровка, д. 40, стр. 2а
- ☎ +7 (495) 775-76-00
- tmk@tmk-group.com
- tmk-group.ru
