СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ КОЛОННЫ ТРУБ В СКВАЖИНЕ Российский патент 1994 года по МПК E21B17/00 

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности в ремонту скважин при опрессовки труб.

Известен способ опрессовки труб. Суть способа заключается в том, что трубы на поверхности опрессовываются давлением на 15-20% больше действующего внутри скважины давления, по кривым зависимостям, построенным в прямоугольных координатах в зависимости от глубины, на которой каждая труба будет работать. Выявляют на какое давление та или иная труба может работать, чтобы группировать их для спуска в скважину на определенную глубину [1].

Недостатком способа является то, что они не испытываются непосредственно после спуска их в скважину по мере спуска каждой трубы, в результате чего в случае пропуска необходимо поднимать всю колонну труб. Кроме того, не учитывается отсутствие гидростатического давления в затрубном пространстве, что является частным случаем при ремонте скважин с истощенным пластовым давлением.

Известно устройство для опрессовки колонны труб в скважине, включающее спуск в скважину колонны труб, перекрытой разрушаемой мембраной, заполнение полости труб жидкостью, создание давлений, опрессовки, выдержку колонны труб под давлением опрессовки и разрешение мембраны избыточным давлением жидкости [2].

К недостаткам следует отнести то, что в случае пропуска одной или нескольких труб после их спуска необходимо неоднократно поднимать колонну труб с целью замены вышедшей из строя трубы. Кроме того, отсутствуют формулы определения опрессовочного давления для промежуточной опрессовки, производимой по мере наращивания колонны труб, а также для больших глубин, а следовательно, и давлений, отсутствует надежная формула определения толщины разрушаемой мембраны - круглой пластины.

Известна формула определения толщины предохранительных круглых пластин (М, Х, Султанов. Техника безопасности при эксплуатации буровых насосов. Азнефтеиздат, 1956, и др.) для давлений 14-30 МПа-δ=0,43D , где σ - предел прочности на изгиб серого чугуна марки С4-24-44 (ГОСТ 14 12-54) 4400 кг/см²;
Р_mах - давление разрыва, атм;
D - диаметр канавки, мм;
Согласно формуле, разрыв пластин происходит от изгиба. При больших давлениях, когда толщина δ становится достаточно большой, так как сопротивление изгиба зависит от квадрата δ, превалирует над напряжением срезы, зависящего от площади среды, где δ входит в первой степени, формула начинает давать погрешности.

Формула (1) для больших давлений критикуется самими же авторами "При испытании чугунных пластин. . . выяснилось, что, как правило, разрывные давления были несколько ниже расчетных." Причем вне зависимости от физических окружающих условий: многократных повторных нагружений, разных температур и др., так как они были постоянны, что примерно соответствуют условиям работы их в скважине. Авторы источников не смогли объяснить это явление: почему с увеличением давления наблюдается снижение прочности относительно расчетной по формулам сопромата, на базе упругих линий и т.д. или же экспериментальным для малых давлений. Таким образом, эксперименты многих авторов, не умаляя их значимости, сводились к чисто механическому процессу установления факта отклонения процесса разрушения от указанного по классическим формулам при увеличении давления.

Цель изобретения ускорение и обеспечение проведения испытаний при повышении точности выбора давления для разрушения мембраны (круглых пластин).

Достигается это тем, что в способе, включающем спуск в скважину колонны труб, перекрытой разрушаемой мембраной - круглой пластиной, заполнение полости колонны труб под давлением опрессовки и разрушение мембраны-круглой пластины избыточным давлением жидкости, по мере наращивания спуска колонны труб в скважину периодически производят опрессовку труб не только на гидростатическое давление столба жидкости х= , спущенной на данный момент части колонны труб текущей, длиной l, а насосным агрегатом или ручным насосом производят периодическую опрессовку спущенного количества труб на давление в соответствие с зависимостью y= , где z - окончательная длина колонны (с запасом) с учетом гидростатического давления, при котором трубы должны работать после спуска их до забоя при эксплуатации скважин, причем суммарное время опрессовки не должно превышать практически определенного времени, которое может быть затрачено при ликвидации утечек обычным способом, т. е. связанное с подъемом дефектных труб со значительно большей глубины, чем в предлагаемом способе. После чего, окончив спуск колонны и опрессовав ее, создают давление несколько больше давления опрессовки, превышающее допускаемое для пластины, установленной в колонне труб (нижней части). В результате этого пластина срезается и падает в скважину (карман).

Для этого дана расчетная формула определения толщины круглых пластин на большие давления, исходя как из изгиба, так и среза. Так как для каждой глубины скважины будет иметь место различное гидростатическое давление, то и толщина пластины в зависимости от этого будет разная, определяемая по формуле:
σ = , где D - диаметр канавки пластины, мм;
Р - усилие, действующее на пластину мембраны, МПа;
R - допустимое напряжение, МПа.

Сопоставительный анализ с известным способом позволяет сделать вывод, что предлагаемый отличается от известного частотой проведения опрессовки на полное давление, при котором работает НКР, а именно по мере спуска колонны труб может быть проведено насосным агрегатом ряд опрессовок на давление, при котором трубы работают в скважине, причем время опрессовок должно не превышать практически определенное время, связанное со спуско-подъемными операциями по ликвидации утечек, с последующим созданием давления разрушения пластины.

Таким образом заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Однако известно технические расчеты, которыми определяется толщина предохранительных пластин, при которых развивается давление насосных аппаратов. Новым в данном случае является подсчет для каждой глубины скважин своей толщины пластин и учет в формуле определения толщины как напряжения изгиба, так и среза ввиду того, что для глубоких скважин с давлением до 1000 МПа срез превалирует над изгибом. Таким образом, это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 изображено поперечное сечение мембраны (пластины); на фиг. 2 - развертка мембраны (пластины); на рис. 3 - графически показаны давления от гидростатического столба жидкости по глубине скважины и испытательное давление; на фиг. 4 - кривые изменения толщины δ пластины (D=0,035 м) в зависимости от давления Р для случая чистого среза А изгиба Б, совместного среза и изгиба В и процент отношения толщин, рассчитанных только на срез и изгиб; на фиг. 5 - разрез скважины с установкой в нижней части колонны круглой пластины.

Способ осуществляют следующим образом. Начинают спускать колонну НКТ 2, в нижней части которой между буртами 3 зажата круглая пластина (мембрана) 4, а торец оканчивается перфорированным карманом 5. После спуска ряда труб обычным способом (не показано), количество которых определяют из нижеперечисленных соображений, на глубину примерно l под муфту 6 подкладывают элеватор 7 и сажают колонну на фланец 8, заливают трубы водой из шланга (не показано) и устанавливают в муфту 6 опрессовочную головку, ввинчивают патрубок 9, в торец которого упирают уплотнение 10 и шайбу 11 шланга 12, соединенного с передвижным насосным агрегатом 13 или с ручным гидронасосом. Накидной гайкой 14 прижимают шайбу 11 через уплотнение 10 к торцу патрубка 9, создавая герметичное уплотнение.

Производят опрессовку колонны на давления (фиг. 3) y= -x, где Х - текущая координата гидростатического давления столба жидкости текущей высоты l, и y определяется из подобных треугольников АЕД и АВС
= ; = ; x = ; y = - = , где Z - глубина скважины;
- гидростатическое давление на забой скважины.

После выдерживания давления при отсутствии пропусков, о которых судят по отсутствию снижения давления по манометру 15, снимают опрессовочную головку и продолжают спускать колонну труб 2 дальше до глубины с гидростатическим давлением Х₁. Снова устанавливают опрессовочную головку и производят опрессовку уже на давление y₁= - X₁. После установления отсутствия пропусков спуск колонн НКТ продолжают далее и т.д. Таким образом, если на какой-либо глубине l, l₁, l₂ и т.д. будет выявлена утечка, то ее будет гораздо проще быстрее и легче установить, подняв трубы именно с этих глубин, а не с глубины Z₁ когда вся колонна труб будет спущена в скважину. После окончания спуска колонны и опрессовки ее создают избыточное давление жидкости, разрушающее круглую пластину (мембрану). Причем дается новая расчетная формула определения толщины пластины δ.

Все вышеуказанные расчеты круглых пластин для сравнительно не больших давлений исходят из разрушения их от изгиба, так как толщина h( δ) входят в квадрате, когда толщина ее влияет на деформацию в квадрате (момент сопротивления на изгиб W = , где b и h ширина и высота балки - пластины). При больших давлениях начинает преобладать деформация среза, незначительная при малых давлениях, так как толщина пластины входит в формулу среза (площадь среда F= b˙h) в первой степени. Этим и объясняется расхождение экспериментальных и теоретических данных, когда формула (1), выведенная на основе эксперимента, исходящая из разрушения изгиба, не учитывает срез, при работе на больших давлениях, когда толщина пластины значительно возрастает при одном и том же диаметре. Увеличение глубин скважин, как известно, сопровождается повышением внутритрубного давления, так например, при глубине скважины 15000 м и удельном весе закачиваемого в скважину раствора γ = 2 г/см³, Р= 300 МПа. Это требует рассмотрения приемлемости пользования формулами расчета, так например (1) круглых пластин разрушения (типа предохранительных), выведенных для сравнительно небольших давлений 14-30 МПа, для давлений 100 и более МПа. Анализ показывает, что с увеличением давления процент неточности расчета по формуле (1) увеличивается. С целью выявления влияния давления на точность расчета пластины производим ее математический разбор.

Сразу оговорим, что (будет показано ниже) круглая пластина должна разрушиться от приведенного напряжения двух видов деформаций: изгиба и среза по третьей теории прочности, т.к. напряжение среза начинает практически и в значительных величинах проявлять себя только при больших давлениях, т.е. в глубоких скважинах.

Напряжение среза определяется по общеизвестной формуле (фиг. 2)
τ = , где Р - усилие, действующее на пластину от давления = P ;
F - площадь среза = δπ D, тогда τ =
Напряжение изгиба σ = , где М - изгибающий момент;
W - момент сопротивления, м³.

Так как при учете среза в плоскости, перпендикулярной плоскости среза, силы крутящего момента уже не являются нормальными, а к силам среза они перпендикулярны, то крутящий момент не учитывается. Условно развернув опорное кольцо пластины, рассматриваем ее как балку длиной, равной половине диаметра с пропорционально увеличивающимся поперечным сечением до размера длины окружности пластины (фиг. 1).

Так как центральная ось пластины при ее изгибе не наклоняется ввиду симметрии левой и правой частей пластины, то влияние соседнего участка на нее заменяет действием момента М_о.

Проекция действия равномерной нагрузки на всю пластину при проектировании ее на одну плоскость прямо пропорционально, равномерно увеличивается от нуля до π D_р, так как площадь треугольника нагрузки F_Δ= P = ΠD_p .

Имеет три неизвестные величины: М₁, М_о и R. Для решения этой задачи составляем еще два уравнения: R = P и M₁= P - M_o= - M_o.

Третье уравнение составляем на основании теоремы Кастилиано: частная производная момента М₁ по неизвестному моменту М_о равна углу поворота θ в месте приложения М_о. θ = M₁ d_x= 0 .M_x= M_o-P_x ; P_x= XY ; = ; Y = 2ΠPX; P_x= ΠPX²;
тогда M_x= M_o- ,
θ = M_o- = 0
Произведя интегрирование, имеем
M_o= и M = D³P0,132- .

Момент сопротивления
W = = 0,52Dδ².

Тогда напряжение изгиба
σ = = 0,25 - (2)
Решая относительно δ и подставив в значение логарифма диаметр D= 62 мм серийной предохранительной пластины, подвергнутой эксперименту, имеем
δ = 0,42D Как показывает анализ функциональных зависимостей для давлений от нуля до 14 МПа, усилие среза оказывает незначительное влияние на разрушение ≈ 5-6% и эксперименты хорошо согласуются с формулой (1).

При Р=30 МПа δ эксперимента > δ расчета, когда на срез приходилось уже 10-12% напряжения (пластина рвалась при меньших значениях расчетного "р").

Анализируя экспериментально полученную формулу (1), приходим к выводу, что последняя целиком исходит из разрушения круглой пластины, происходящего от изгиба, так как и-(2) без значительного плюс 1-2% увеличения от деформации среза (вместо коэффициента 0,43 имеем 0,42).

Однако при больших значениях давлений это увеличение недостаточно, поэтому для всех интервалов давлений выведем новую формулу, исходя из наибольших касательных напряжений третьей теории прочности
R = = , решая относительно δ, имеем
σ = мм (3) рассматривая по этой формуле, получаем новые значения δ (фиг. 3), из которых видно, что например, при 100 МПа величина δ увеличивается на 70% по сравнению с δ, когда рассчитываемым только на изгиб по формуле (1).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить количество спуско-подъемных операций, так как по мере спуска труб они тут же проверяются на максимальное рабочее давление с запасом, что очень важно особенно для глубоких и сверхглубоких скважин, для чего дается новая универсальная формула расчета круглых пластин, подтверждается ранее проведенными экспериментами.

Использование: при подземном и капитальном ремонте скважин при опрессовке колонны труб. Сущность изобретения: колонну насосно-компрессорных труб, перекрытую в нижней части мембраной, спускают в скважину на глубину Z. Заливают колонну водой и создают давление величиной, равной Y=(L-l₁)/10 , где L и l₁ - соответственно окончательная и текущая длина спускаемой колонны. После выдерживания давления при отсутствии утечки колонну наращивают и спускают до глубины l₂ и повторяют опрессовку уже на давление Y=(L-l₂)/10 . Если на какой-то глубине будет выявлена утечка, то ее легче устранить, подняв трубы, спущенные именно на эту глубину. После окончания спуска колонны и ее опрессовки создают избыточное давление жидкости, разрушающее мембрану. При этом толщину мембраны выбирают в соответствии с зависимостью, приведенной в формуле изобретения. 5 ил.

СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ КОЛОННЫ ТРУБ В СКВАЖИНЕ, включающий спуск в скважину колонны труб, перекрытой в нижней части разрушаемой мембраной, заполнение полости труб жидкостью, создание давления опрессовки, выдержку колонны труб под давлением опрессовки и разрушение мембраны избыточным давлением жидкости, отличающийся тем, что, с целью ускорения и облегчения проведения испытания при повышении точности выбора давления для разрушения мембраны, опрессовку колонны труб производят периодически по мере наращивания колонны, причем величину Y давления опрессовки определяют в соответствии с зависимостью
Y = ,
где L и l - соответственно окончательная и текущая длина спускаемой колонны труб,
а толщину δ разрушаемой мембраны выбирают в соответствии с зависимостью
σ = ,
где D - диаметр канавки мембраны;
P - усилие, действующее на мембрану;
R - разрушаемое напряжение.