В ряде случаев при эксплуатации скважин на шельфе колтюбинговые технологии являются единственными, способными решать возникающие проблемы. Такими, в частности, является промывка скважин, исследование скважин, выполнение операций капитального ремонта. Все это обусловлено тем, что геометрия стволов скважин, пробуренных на шельфе, характеризуется значительными длинами горизонтальных участков. Это затрудняет проникновение инструмента к забою скважины и на удаленные участки. Какие решения оказываются наиболее рациональными?
Опыт эксплуатации скважин на Севере показывает, что в начальный период при работе в режиме фонтанирования и высоком пластовом давлении идет интенсивный вынос проникающих в полость скважины воды, конденсата и песка вместе с пластовой жидкостью или газом. При этом глушения скважины не происходит, пока скорость восходящего потока газа превышает скорость осаждения частиц. Как только это соотношение нарушается, то и песок и жидкость (в газовых скважинах) начинают падать на забой, засыпают перфорационные отверстия и постепенно глушат скважину.
Опыт проведения капитальных ремонтов показывает, что выполнение очистки забоя от песка с помощью традиционных технологий, включающих глушение скважины, спуск колонны промывочных труб, собственно промывку, вызов притока, удаление колонны занимает 3 – 4 недели. При использовании колтюбинговых технологий, не требующих глушения и вызова притока время выполнения работ составляет максимум 3 – 4 дня. Кроме того исключаются осложнения и повышается уровень безопасности проведения работ, поскольку исключаются спуско-подъемные операции колонны НКТ, что очень важно при выполнении работ на шельфе. Исключение этих операций особенно актуально, поскольку размеры приустьевых площадок ограничены, а расстояния между устьями скважин малы.
Компактность колонн гибких труб, намотанных на барабаны, позволяет иметь на каждом кусте скважин набор бунтов различных диаметров, необходимых для выполнения работ различного типа. Это справедливо прежде всего для скважин расположенных на кустах или платформах.
В этом случае колтюбинговый агрегат подземного ремонта состоит из трех блоков: катушка с колонной труб, устьевого оборудования и привода с кабиной управления. Во время выполнения ремонта над устьем скважины устанавливается транспортер колонны гибких труб.
К недостаткам колтюбинга относятся прежде всего высокое гидравлическое сопротивление и низкая изгибная жесткость гибких труб, приводящая к потере устойчивости при появлении сжимающих нагрузок. Нагрузки подобного рода появляются при перемещении гибких труб в горизонтальных участках скважин или при заклинивании колонны.
В основном все элементы колтюбинговых установок выполняются с использованием обьемного гидропривода. Однако опыт эксплуатации в условиях холодного климата показывает, что наличие в рабочей жидкости воды приводит к отказу гидросистемы. Растепление гидропривода в условиях низких температур достаточно трудоемкая операция, поскольку исключить появление воды в гидросистеме реально не представляется возможным.
Спуск колонны гибких труб при проведении промывки или разбуривания сопровождается оседанием песка и появлением дополнительных сил трения, в результате чего колонну заклинивает или происходит потеря ее устойчивости. С начала потеря устойчивости происходит в плоскости, которая по мере увеличения значения критической силы превращается в спираль. Для предотвращения этих явлений используют двухкомпонентные промывочные жидкости на основе воды или легкой нефти с азотом и добавлением ПАВ.
Для анализа ситуаций и оценки вероятности появления потери устойчивости колонн труб, расположенных в горизонтальных участках необходимо знать величину критической силы, при которой это явление возникает. Процесс потери устойчивости сопровождается принятием ее оси криволинейной формы. Будем полагать ее близкой к синусоиде. Моментом потери устойчивости будем полагать ситуацию, при которой гибкая труба деформируясь начинает касаться одновременно в диаметральной плоскости стенки обсадной колонны или стенок скважины в двух или более точек. Т.е. ее ось оказывается вписанной во внутреннее пространство скважины. При этом осевая сила, воздействующая на трубу, создает условия для упрочнения контакта гибкой трубы с поверхностью канала в котором она находится – внутренней поверхностью обсадной трубы или стенки скважины.
Для определения условий возникновения потери устойчивости определим зависимость критической силы Ркр от условий работы гибкой трубы. Найдем ее минимальное значение, при котором происходит плоский изгиб трубы.
Исходя из условий образования упругих деформаций при потере устойчивости определим радиус кривизны оси трубы R исходя из закона Гука при изгибе [1] R = EIx / Mx , где EIx жесткость при изгибе, Mx – крутящий момент, изгибающий трубу. Для рассматриваемого случая величина максимального изгибающего момента в упругой области деформирования будет Mx = St Wx , где St – предел текучести метериала трубы, до которого деформации трубы будут упругими. (В силу близости значений, примем предел упругости и предел текучести равными). Wx – осевой момент сопротивления трубы изгибу. Эта величина может быть представлена как Wx = Ix / r, где r – максимальное расстояние от оси трубы до поверхности, т.е. наружный радиус гибкой трубы.
Подставив значение момента, получим R = EIx / St Wx = E r / St .
Основываясь на геометрических соотношениях наружной поверхности синусоиды, ограниченной стенками скважины можно записать, что
L = 2 (2f (R - f))0,5, где L – длина полуволны деформированной оси трубы, f – прогиб наружной поверхности гибкой трубы.
Затем подставив полученное значение длины полуволны L в формулу Эйлера [ 2 ], найдем критическую силу Pкр = п2 EIx /L2 . Подставив все полученные значения в формулу Эйлера можно получить единую формулу для определения критической силы, вызывающей потерю устойчивости гибкой трубы находящейся в стесненных условиях во внутренней полости обсадной трубы. В окончательном виде формула для определения критической силы будет иметь вид
Ркр = п2 EIx / 8f((E r / St ) –f)
Как видно, критическая сила зависит от жесткости трубы и прочностных и деформационных характеристик материала из которого она изготовлена.
Результаты расчетов, выполненных для произвольных условий расположения труб различных диаметров расположенных в скважинах с внутренним диаметром 100 и 200 мм показаны в таб. 1.
Таб.1. Зависимость критической силы при потере устойчивости от диаметра обсадной колонны и диаметра колонны гибких труб.
|
Диаметр обсадной трубы, мм |
Критическая сила, Н при диаметре колонны гибких труб, мм |
|||||
|
|
24 |
33 |
35 |
42 |
55 |
60 |
|
100 |
1777 |
8172 |
10990 |
28624 |
137807 |
250729 |
|
200 |
331 |
1316 |
1705 |
3857 |
13466 |
20461 |
Наиболее наглядно эта зависимость иллюстрируется графиками на рис.1
Рис. 1
Видно, что увеличение наружного диаметра гибкой трубы приводит к нелинейному росту критической силы. При этом, чем меньше внутренний диаметр скважины, тем меньше склонность трубы к потере устойчивости. Это вполне логично, если проанализировать изменение критической силы при уменьшении диаметра скважины до значения, равного наружному диаметру труб - гибкая труба вообще потеряет склонность к потере устойчивости.
Поскольку применение тяжелого низа с колонной гибких труб не имеет смысла, то перемещение ее на горизонтальных участках возможно за счет «гидравлического» продавливания. При этом давление в колонне гибких труб должно создавать осевое усилие, превышающее критическую силу. Ограничивающим значением этого давления является величина, соответствующая тангенциальным напряжениям разрушающим трубу. Значение давления, обеспечивающего перемещение торца трубы без учета сил трения и преодолевающего только критическую силу приведено в таб.2. Максимальное давление для труб принято равным 40 МПа.
Таб.2 Зависимость давления проталкивания от диаметра обсадной колонны и диаметра колонны гибких труб.
|
Диаметр обсадной трубы, мм |
Давление проталкивания Па при диаметре колонны гибких труб, |
|||||
|
|
24 |
33 |
35 |
42 |
55 |
60 |
|
100 |
6,1 |
14,9 |
17,9 |
32,3 |
92* |
138* |
|
200 |
1,1 |
2,4 |
2,8 |
4,4 |
8,9 |
11,3 |
*значения давлений превышающих прочность тубы
Для выполнения этих операций на конце колонны гибких труб необходимо установить клапан, который запирает канал выхода технологической жидкости из внутренней полости гибких труб. Когда клапан закрыт, то давление жидкости воздействуя на его торец создает усилие выпрямляющее трубу и проталкивающее ее. После проталкивания трубы клапан должен быть открыт и поток жидкости будет использован для выполнения технологических операций (конструкция устройства в настоящем материале не раскрывается).
Анализ полученных результатов показывает, что наиболее рациональной с точки зрения исключения потери устойчивости при перемещении колонны гибких труб является использование максимально возможных диаметров. При этом предпочтительными являются скважины с минимальными диаметрами ствола или колоннами обсадных труб.
Литература
1. Феодосьев В.И. –М,:Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2004, -592 с.
2. Писаренко Г.С. и др. Справочник по сопротивлению материалов. Киев,: ИЗД-во Наукова думка 1974, 689 с.
3. Вайншток С.М. и др. Подземный ремонт и бурение скважин с применением гибких труб. –М,: ИЗ-во Академии горных наук, 1999. – 224с.
