Purpose. Developing a method for determining the axial forces and the walls reactions along a casing string, which bend it and make it follow a curved wellbore shape. Methodology. The casing string is represented as a long elastic rod in the curved well. An inhomogeneous system of four differential equations is developed to describe the rod's deformations. It was reduced to a first-order differential equation with respect to axial force. Its solution was found by the Bernoulli method. The numerical integration of the differential equation is applied. Findings. The axial force distribution along the casing string was found, taking into account the well curvature and the friction, as well as the reaction forces of the well walls. A method of the table's numerical integration of the well's inclinometric measurements has been developed. The calculating formulas for the reaction forces, axial forces, bending moments and stresses acting in the casing pipes in the well deep are obtained. Originality. The solved problem takes into account the wall's reaction and the friction forces that create longitudinal bend during the column's movement. The system of differential equations of equilibrium was supplemented by Euler's kinematic equation. The function of zenith angle, which is known due to the table of the directional survey data, was taken as the integration variable. The inverse problem is solved - all unknown internal forces, also such the external distributed reaction, which causes the column to repeat the well's shape, was been determined by the angular deformations of casing string, which are given by the well's shape in the inclinometric table. Practical value. The developed method allows detecting the areas with a significant local increase in the well's curvature, which indicate their obstructed passability. This allows for accurate determination of depth intervals to increase the borehole diameter, which is necessary before lowering the column. According to the analysis results, it is possible to determine the parameters of the stress-strain state of the casing string, which can be used to predict its working capacity and operating life.

Індекс рубрикатора НБУВ: И131.041-5

Рубрики:

Кріплення свердловин обсадними трубами

Шифр НБУВ: Ж23665 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Здійснено комплексне оцінювання роботоздатності елементів тривало експлуатованих колон бурильних і гнучких труб шляхом розробки інженерних методів розрахунку динамічного режиму їх роботи, вдосконалення техніки та технології поглиблення свердловин і визначення залишкової довговічності труб з експлуатаційними дефектами. Вдосконалено математичну модель динамічного режиму роботи бурового стенда та вперше розроблено математичні моделі роботи колони гнучких труб при бурінні горизонтальних свердловин. Розроблено нові пристрої та компоновку для вдосконалення обертового буріння похило-скерованих і горизонтальних ділянок свердловини. Створено та виготовлено нову конструкцію амортизатора поздовжньо-крутильних коливань бурильної колони, проведено її промислові випробування. Запропоновано експериментально-розрахунковий метод для прогнозування й оцінювання роботоздатності тривало експлуатованих елементів колон бурильних і гнучких труб на підставі проведених досліджень впливу корозійних середовищ на швидкість поширення корозійно-втомних тріщин у тривало експлуатованих сталях елементів колон бурильних і гнучких труб, оцінки впливу експлуатаційних чинників на їх роботоздатність, а також визначених за допомогою методу скінченних елементів та аналітичних залежностей коефіцієнтів інтенсивності напружень (КІН) в околі поперечних півеліптичних тріщин (схематизованих експлуатаційних дефектів) на внутрішніх або зовнішніх стінках тривало експлуатованих бурильних труб груп міцності "К"та "Л".

Індекс рубрикатора НБУВ: К721.11 + И131.041-5

Рубрики:

Технологія виробництва устаткування для буріння

Кріплення свердловин обсадними трубами

Шифр НБУВ: Ж101239 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Індекс рубрикатора НБУВ: И131.041-5

Рубрики:

Кріплення свердловин обсадними трубами

Шифр НБУВ: Ж24320 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Вирішено важливу науково-технічної проблему інжинірингу динамічних процесів трубних та штангових колон, що зазнають інтенсивних коливань в умовах буріння та експлуатації нафтових і газових свердловин. Розроблено математичну модель для дослідження зміни інертності заповнених розчином зігнутих ділянок бурильної колони в залежності від параметрів їх деформації. Розширено теоретико-методологічні засади визначення кінетичної енергії та моменту інерції махових мас бурильної колони, що вказують на доцільність застосування бурильних труб з меншою інертністю для забезпечення її енергоефективності. Отримано залежності для оцінки сил тертя деформованої ділянки бурильної колони до стінки свердловини, при русі точки торкання по гвинтовій траєкторії, та роботи осьового навантаження і крутного моменту на їх подолання. Розроблено математичні моделі для оцінки напружено-деформованого стану ділянки колони насосно-компресорних труб і довговічності її елементів на основі кінетичного потенціалу, які враховують кінематичні параметри поперечно-згинальних коливань та геометричні параметри просторової деформації. Розвинуто теоретико-методологічні засади оцінювання навантаженості перерізів колони насосних штанг, визначення коефіцієнтів згасання та дисипації її коливань з встановленням умов недопущення резонансу.

Спрямоване буріння додаткових стовбурів в обсадженій свердловині є ефективним методом відновлення роботи виведених з експлуатації, аварійних та ліквідованих свердловин, що дає змогу економити кошти на бурінні нових нафтових і газових свердловин. Забурювання бічних стовбурів шляхом фрезерування вікон в обсадній колоні вважається сьогодні одним із найбільш раціональних методів у технології буріння свердловин. Врізання фрезера в стінку колони є дуже відповідальним процесом. Фрезерний інструмент утворює у ній щілиноподібний отвір внаслідок силової реакції клинового відхилювача в обсадній колоні. Верхня частина отвору набуває еліпсоподібної форми з плавним контуром завдяки малому куту скосу клина під час відхиляння осьового просування інструмента. У цей же час нижній край отвору є прямолінійним і утворює прямі кути з його бічними кромками. Вершини цих кутів стають концентраторами напружень у стінці, ослабленій отвором, оскільки на обсадну колону діє значна розтягувальна сила від її власної ваги. Ці напруження досягають найбільших значень у тих поперечних перетинах труби, де ширина вікна стає максимальною (проєктною), а їх площа - найменшою. Актуальність і новизна вирішеної задачі полягають у необхідності дослідження напружено-деформованого стану навантаженої розтягом обсадної труби під час вирізання у її стінці вікна за формою, близькою до прямокутної, та у визначенні величини максимальних напружень, які виникають навколо прямих кутів отвору. Це рішення дає змогу визначити коефіцієнти концентрації напружень залежно від геометричних параметрів отвору, і тим самим забезпечити розробку інженерних методів проєктування безаварійного процесу зарізання вікна в обсадних трубах. Результатом роботи стала математична модель неосесиметричного напруженого стану, який виникає при розтягу-стиску циліндричної оболонки із прямокутними отворами, під час розроблення якої використано аналітичні методи розрахунку напружено-деформованого стану нетонких оболонок з неканонічними концентраторами напружень та проведено теоретико-експериментальні дослідження концентрації напружень у стінках такої оболонки.

Purpose. Development of a method for calculating parameters of a stress-deformed state of compressed casing pushed into a horizontal well during its construction. Methodology. The problem solution presupposes integrating the differential equation of the longitudinal bend of a long rod under its own weight. In the first approximation, reactions on the center-axis bearings are found disregarding the axial forces of friction. Our system of algebraic equations determines the deformation and force parameters at the sections between the supports based on the equations of the compatibility of the deformations and the equilibrium of the bending moments in the support sections. Findings. A general solution of the basic differential equation of deformations of a horizontal pipe column is found taking into account friction and axial forces acting during its lowering. It forms the basis for calculating bucklings, rotation angles of rod intersections, its internal bending moments and transverse forces at the sections between the supports. It also makes allowance for additional moments of frictional forces acting on the centralizers. The solution of the problem for the reverse motion of the casing column is found. Originality. The equation of connection between transverse and longitudinal forces in a long rod and reactions and forces of friction on supports is offered. The system of equations takes into account the equations of transverse forces, which allow determining the axial compressive forces simultaneously. The linearization method of the system of algebraic equations and its iterative solution with high accuracy is developed. Practical value. The obtained results take into account the requirements of the construction technology of a horizontal well. Formulas for calculating the optimal distance between the centralizers are derived. The influence of deviations of the well direction from the horizontal on the change of the stress-deformed state of the casing which allows oilmen to increase its reliability and durability is considered.

Колонa обсадних труб у криволінійній свердловині працює як довгий нерозрізний стрижень. Вона встановлена на опори-центратори і повторює складний профіль свердловини, внаслідок чого отримує великі деформації. Для їх описання складено систему диференціальних рівнянь рівноваги внутрішніх та зовнішніх сил і моментів, яку доповнено до замкненого вигляду диференціальним рівнянням кривизни. Вона є неоднорідною, тому що враховує власну розподілену вагу стрижня. Запропоновано два шляхи розв'язання задачі: методом математичної компресії рівнянь системи у комплексне неоднорідне диференціальне рівняння або методом проекціювання рівнянь рівноваги сил на глобальну (вертикаль-горизонталь) та на локальну (дотична-нормаль) системи координат. Показано, що перший інтеграл системи можна знайти також за рівняннями рівноваги ділянки викривленого стрижня скінченої довжини. Цей інтеграл має вигляд неоднорідного диференціального рівняння другого порядку зі змінними коефіцієнтами та є основним рівнянням, яке описує деформування довгого пружного стрижня під дією поздовжньої і поперечної складових сил розподіленої ваги. Головною вимогою технології є встановлення колони труб на центрувальних опорах, метою якого є забезпечення співвісності труб і стінок свердловини та створення між ними цементного кільця однакової товщини і міцності. Врахування цієї вимоги дозволило лінеаризувати основне рівняння. За його розв'язком знайдено вирази прогинів, кутових деформацій, внутрішніх згинальних моментів та поперечних сил у стрижні з довільними розташуванням опор і граничними умовами в опорних перетинах. Розв'язок основного диференціального рівняння кутових деформацій довгого стрижня знайдено у вигляді лінійної комбінації функцій Ейрі і Скорера та у вигляді трьох лінійно незалежних поліноміальних рядів у сумі з частинним розв'язком. Одержані вирази деформаційних і силових параметрів дають змогу розрахувати напруження і деформації колони труб під час технологічного процесу кріплення свердловини довільного профілю, що дозволяє підвищити надійність і довговічність її експлуатації.

It is recommended to include surface strengthening by plastic deformation into them, which are made of 40ХН steel. The main task of this strengthening operation is redistribution of technological tensile stresses in the material of thread roots, surface strengthening of the metal in the thread roots and formation of compression stresses in the metal, which are able to resist working stresses. The analysis of existing methods of surface plastic deformation showed that the only suitable method for qualitative treatment of thread roots is the method of vibrational-centrifugal strengthening. This method belongs to the group of dynamic methods of surface plastic deformation (SPD) and provision of high level of energy of metal deformation of strengthened part metal is its peculiar feature and advantage. Purpose. Development of the method of vibrational-centrifugal strengthening suitable for qualitative strengthening of thread surfaces, its adaptation to strengthening the outer taper thread, definition of the key technological parameters of strengthening treatment. The main tasks of the research were development and production of strengthening appliances suitable for strengthening the taper thread, functioning on the fundamental principles of vibrational-centrifugal treatment. Development of schematics of original, out of standard vibration machines for strengthening the outer taper thread of boring pipes and nipples connecting them. Methodology. Based on the theory of statistical similarity of fatigue failure, methods are proposed for defining mass reduction and materials consumption of cylinders as a result of efficient strengthening of their inner and outer cylindrical surfaces by means of vibrational-centrifugal treatment. Findings. As a basis of the structure of the developed appliances for strengthening thread roots of taper thread, there is taken provision of dynamic impact interaction of deformable rollers; whose shape is similar to the thread root profile, through rolling of a massive roller. Due to a small area of contact of a deformable roller with thread root material and large values of deforming centrifugal force developed by the moving roller, the thread root metal is peened reliably and, most importantly, compression stress develops in it. Originality. For the first time, highly efficient equipment for dynamic strengthening of thread surfaces has been developed which knows no equals in strengthening treatment internationally. Practical value. The practical value is in improving reliability of drill pipes due to enhancing material strength of thread connections of their elements. Industrial implementation of vibrational-centrifugal strengthening treatment of thread elements of drill pipes, according to the authors, will decrease the number of cases of destruction of pipe constituents, which will contribute to decreasing repair and servicing time for drilling equipment, and will increase the borehole drilling rate.

Робота присвячена проблемі перевірки противикидного обладнання устя свердловин на герметичність перед уведенням в експлуатацію. Вказане обладнання включає стволову частину, систему трубопроводів з арматурою та систему керування. Класична методика випробувань потребує мобільної насосної установки, що забезпечує створення тиску 35 МПа. Вартість таких випробувань досить висока. Для проведення випробувань без насосної установки розроблено конструкцію пристрою підвищеної герметичності, який включає в себе вузол герметизації устя від основної колони та поршневий вузол створення високого тиску у випробуваному об'ємі. Створення високого тиску відбувається шляхом підіймання поршня лебідкою, якою обладнана свердловина. Недоліки запропонованої раніше конструкції пристрою наступні. Між сталевими рухомими деталями вузла герметизації виникає значне тертя. Переважно це пари "пробка - чашка" та "цанга - конус". Елементами, які створюють герметичність, служать гумові кільцеві манжети. Переви- щення осьового навантаження на конуси призводить до руйнування манжет. Вдосконалено конструкцію вузла герметизації наступним чином. Між торцями натискної пробки і нижньої чашки введено кульковий опорний підшипник - замінено тертя ковзання тертям кочення. На зовнішні поверхні розтискних конусів, що контактують з пелюстками цанги, пропонується наклеїти тканинний антифрикційний матеріал типу Нафтлен або аналогічний. Коефіцієнт тертя у таких парах на порядок нижчий, ніж у парах сталь по сталі. Створено комп'ютерну модель пристрою в середовищі Solid Works. Виконані комп'ютерні дослідження процесу навантаження деталей вузла герметизації в програмі Simulation, що базується на методі скінченних елементів. В результаті досліджень визначено рекомендовані значення осьової сили, яку потрібно створити гвинтовою парою "шток - пробка" для достатньої радіально-осьової деформації еластичних манжет з одночасним недопусканням їхнього руйнування. Також оптимізовано конструктивні розміри натискних чашок пристрою, а саме взаємне осьове розміщення торця, що тисне на конус, та конічного пояска, який стискає манжету. Визначення вказаних параметрів дослідним шліхом є процесом тривалим і високовартісним.

Удосконалено технологію центрування обсадних колон у похило скерованих свердловинах із метою підвищенню рівня надійності їх кріплення. Розроблено модель контактної взаємодії обсадної колони з жолобними виробками різних форм, яка дозволяє оцінити сили опору просуванню колони. Визначено вплив різних чинників на величину зазору між обсадною колоною та стінкою свердловини. Одержано аналітичні залежності між притискною силою та взаємним зближенням колони і стінки свердловини, які характеризують радіальну жорсткість центратора, а також вирази для визначення максимальних напружень, за якими оцінюють його міцність. Для розрахунку пружно-жорстких характеристик центраторів вперше створено моделі оснащення обсадної труби центраторами різних типів і схем їх закріплення. Сформульовано задачу раціонального центрування обсадної колони з умови забезпечення мінімально допустимого зазору між колоною та стінкою свердловини. Проведено розрахунки віддалі між пружно-жорсткими центраторами для різних варіантів конструкцій свердловин і величин допустимого зазору, які підтверджують одержані закономірності. Складено програму у середовищі Delphi для визначення віддалі між центраторами та їх кількості, розроблено "Рекомендації щодо застосування пружно-жорстких центраторів для обсадних колон при кріпленні похило скерованих свердловин на родовищах БУ "Укрбургаз".

Розвинуто наукові основи та розроблено комплекс високоефективних технологій і пристроїв для підвищення швидкості й ефективності буріння глибоких похило-скерованих ділянок стовбура свердловини у складних геологічних умовах покладів гірських порід, притаманних родовищам України. За результатами аналітичних, експериментальних і промислових досліджень установлено вплив коливних явищ на ефективність буріння глибоких похило-скерованих свердловин. Обґрунтовано та розроблено методологію конструювань і серію конструкцій генераторів гідроколивань дипольно-прецесійного типу залежно від необхідних частотно-амплітудних характеристик коливних процесів для буріння глибоких похило-скерованих свердловин, їх промислове впровадження засвідчило підвищення механічної швидкості буріння до 35 %. Створено методику розрахунку додаткового розміщення генераторів гідроколивань по довжині бурильної колони для запобігання явищ прихоплення. Розроблено конструкцію породоруйнівного інструменту з генератором гідроколивань, що забезпечує ефективніше доведення осьового навантаження у вибій свердловини, а також підвищує швидкість буріння. Встановлено вплив полімерного покриття зовнішньої поверхні елементів бурильної колони на зменшення сил тертя між стінками стовбура свердловини та бурильною колоною, розроблено методику та технологію її полімерного покриття. Вдосконалено теоретичні основи використання в компонуванні низу бурильної колони (КНБК) обважненої бурильної труби (ОБТ) змінного моменту інерції для плавного переходу в жорсткості між елементами конструкції. Обґрунтовано серпоподібну геометрію концентратора генератора енергії спрямованої дії для зміцнення поверхні різьб замкових різьбових з'єднань (ЗРЗ) методом ультразвукової обробки. Розроблено високогерметичне муфтове з'єднання для обсадних і насосно-компресорних труб за умов експлуатації у глибоких свердловинах за високих тисків і температур. Проведено стендові та промислові дослідження й упровадження розроблених технологій, пристроїв і методик.

Індекс рубрикатора НБУВ: И131.041-5

Рубрики:

Кріплення свердловин обсадними трубами

Шифр НБУВ: РА438596 Пошук видання у каталогах НБУВ 

Мета роботи - розроблення методики розрахунку параметрів напружено-деформованого стану низу обсадної колони, яку проштовхують у горизонтальну свердловину під час її спорудження. Довга колона на опорних елементах при просуванні перебуває у стані поперечного і поздовжнього згинів внаслідок дії власної ваги і сил тертя, які створюють осьові сили стиску колони. Останні є змінними по довжині та залежать від величин реакцій опор. Задача розв'язана шляхом інтегрування диференціального рівняння поздовжнього згину довгого стрижня під дією власної ваги. У першому наближенні знайдені реакції на опорних елементах без врахування осьових сил тертя. Знайдено загальний розв'язок основного диференціального рівняння деформацій горизонтальної колони труб з врахуванням тертя і осьових сил, які діють під час її просування. За його допомогою виведені формули для розрахунку прогинів, кутів поворотів перетинів стрижня, його внутрішніх згинальних моментів і поперечних сил на ділянках між опорами. Геометричні та силові параметри деформування труб на ділянках між опорами можна визначити із системи рівнянь сумісності поворотів перетинів та рівноваги опорних моментів. Ці рівняння містять параметри осьових сил, які теж підлягають визначенню із утвореної системи алгебраїчних рівнянь. Розв'язання задачі стає можливим завдяки залученню у цю систему рівнянь поперечних сил, які одержані на основі встановленого зв'язку між поперечними і осьовими силами у колоні та реакціями і силами тертя на опорах, що дало змогу одночасно визначати осьові стискальні сили. Розроблено методику лінеаризації системи алгебраїчних рівнянь та її ітераційного розв'язання з високою точністю. Завдяки значенням осьових сил, розрахованим у першому наближенні, система стає лінійною, а її ітераційне розв'язування дозволяє знайти шукані параметри з високою точністю. Отримані результати спрямовані на врахування вимог технології спорудження горизонтальної свердловини. Розглянуто вплив відхилень напрямку її ділянок від горизонталі на зміну напружено-деформованого стану обсадної колони. Виведено формули для розрахунку оптимальної відстані між центраторами та знайдено розв'язки задачі для випадку протилежного напрямку її руху. Враховано додаткові моменти сил тертя, які діють на центраторах. Отримані результати служать для аналізу напружено-деформованого стану колони обсадних труб у технологічному процесі спорудження горизонтальної свердловини, що дозволяє підвищити надійність і довговічність її експлуатації.

Запропоновано дискретно-континуальну математичну модель процесу вивільнення прихопленої бурильної колони, що охоплює динамічне збурення, пружну деформацію вільної частини компоновки бурильних труб, формування навантаження на прихоплену зону та динаміку прихопленої компоновки бурильних труб. Модель складено для випадку розміщення вібраційного механізму вгорі бурової вежі, тобто без розкручування бурильної колони. Задачу вивільнення бурильної колони вібраційним методом розв'язано з урахуванням зовнішньої сили, згенерованої вібратором, і сил опору застряглої труби. В основу запропонованого методу покладено рівняння повздовжніх і згинальних коливань пружного стрижня - диференціальні рівняння гіперболічного типу з частинними похідними з двома незалежними змінними, а також молекулярно-механічну теорію тертя. У процесі розв'язання систему диференціальних рівнянь зведено до задачі Штурма-Ліувілля з крайовими умовами I та II роду, а далі застосовано метод Фур'є. Одержано формули для визначення тиску породи на бурильну трубу для різних видів прихоплень. Для зменшення коефіцієнта тертя рекомендується використання вібропристроїв. Отримано залежності для оцінки ефективності застосування вібраційних пристроїв для ліквідації аварій при бурінні без порушення міцності труб. Проведено аналіз впливу низькочастотних коливань на коефіцієнт тертя бурильних труб до стінки свердловини при застосуванні віброзбурювальних пристроїв. Надано рекомендації щодо підбору частоти й амплітуди збурювальної сили, що дасть змогу вивільнити прихоплену колону труб і запобігти її руйнуванню. Дано пораду розміщувати свердловинні осцилятори не лише вгорі бурильної вежі, а також вмонтовувати їх у бурильну колону поблизу зони прихоплення.

На основі аналізу теоретичних і практичних досліджень буріння стовбурів великого діаметра запропоновано методику для проектування компоновок низу бурильної колони з двома породоруйнівними інструментами, що враховує геологічні і технічні фактори, які мають вплив на формування траєкторії. Проведено розрахунок двовибійних компоновок низу бурильної колони з різною кількістю опорно-центрувальних елементів для різних геологічних умов буріння і проведено аналіз їхньої роботи в процесі поглиблення. Наведено графічні залежності зміни інтенсивності викривлення і зенітного кута з поглибленням стовбура великого діаметра для компоновок, які можна використовувати для спорудження умовно вертикальних і похило спрямованих ділянок.

Для дослідження взаємодії обсадної колони зі стінками похилої, викривленої за дугою кола і горизонтальної ділянок свердловини застосовано теорію довгого пружного стрижня. Розподіл реакції стінок свердловини та осьової сили (розтягу чи стиску) вздовж колони знайдено розв'язанням відповідної системи диференціальних рівнянь. Отримані результати дозволяють визначати довжину стисненої нижньої частини колони за різних конфігурацій свердловини та умов тертя.

Під час експлуатації на бурильні труби діють різні види навантажень, найнебезпечнішими з яких є асиметричні. Визначення втомної міцності бурильної колони при нестаціонарному режимі навантажування є однією з головних умов забезпечення її надійності. У зв'язку з цим необхідно зазначити важливість використання експериментальних методів дослідження, які дають змогу з більшою точністю вивчати втомні пошкодження в елементах бурильних труб. За допомогою установки УДПТ-1 проведено експериментальні дослідження впливу розтягуючої асиметрії навантаження на кінетику втомних тріщин. Зразки для дослідження виготовлені з бурильних труб, матеріалом яких є сталі G105 та 40ХН. За результатами досліджень виявлено, що при регулярному навантаженні спостерігається безумовний вплив розтягуючої асиметрії на швидкість поширення тріщини. Оцінено вплив різних програм навантажування на зміну швидкості поширення втомних тріщин у досліджуваних зразках. Досліджено закономірності поширення втомної тріщини при блоковому навантажуванні для сталей G105 та 40ХН. Встановлено, що для досліджуваних зразків у випадку двоступеневого навантажування із однаковою амплітудою та змінноюр озтягуючою асиметрією при переході від низького до високого рівня навантажування тріщина розвивається із більшою швидкістю, порівняно із регулярним навантаженням, а при переході від високого до низького навантаження поширення тріщини сповільнюється на деяке число циклів.

Описано механізм виникнення утримуючих бурильні труби труб, викликаних осаджуванням шламу, осипанням, обвалюванням, а також випинанням і плинністю пластичних порід, утворенням сальників. Розглянуто сучасні уявлення про сили тертя. Розроблено математичну модель фрикційних автоколивань процесу вивільнення прихопленої бурильної колони. Обгрунтовано необхідність застосування методу вібраційного згладжування автоколивань, що виникають у процесі ліквідації аварії. За допомогою складеної комп'ютерної програми проведено параметричні розрахунки зміни швидкостей вивільнення прихопленої бурильної труби. Проведено чисельні дослідження впливу швидкості талевого каната та частоти осцилятора на ефективність процесу ліквідації прихоплення.