Рахманов, Илгам Нухович. Исследование и разработка технологии герметизации эксплуатационной колонны радиально расширяемыми металлическими пластырями

brief description

Рахманов, Илгам Нухович. Исследование и разработка технологии герметизации эксплуатационной колонны радиально расширяемыми металлическими пластырями : диссертация ... кандидата технических наук : 25.00.17 / Рахманов Илгам Нухович; [Место защиты: Татар. науч.-исслед. и проек. ин-т нефти].- Бугульма, 2011.- 151 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/1671

Открытое акционерное общество «Татнефть» им. В.Д. Шашина Татарский научно-исследовательский и проектный институт нефти
(Т атНИПИнефть)

На правах рукописи УДК 622.276.6

РАХМАНОВ ИЛГАМ НУХОВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ РАДИАЛЬНО РАСШИРЯЕМЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПЛАСТЫРЯМИ
Специальность 25.00.17 - «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»
О)
1Л _
ш -

о
“ С|
О °
СМ &
о
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель,
доктор технических наук, с.н.с К.М. Гарифов
Бугульма - 2011

ВВЕДЕНИЕ 6
1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ВОССТАНОВ¬ЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ.. 10
1.1 Виды и причины нарушения герметичности эксплуатационных
колонн 10
1.2 Способы восстановления герметичности эксплуатационных колонн
без изменения проходного сечения 13
1.3 Способы восстановления герметичности эксплуатационных колонн с уменьшением проходного сечения 14
1.4 Способы восстановления герметичности эксплуатационных колонн
без существенного изменения проходного сечения 17
1.5 Выводы и выбор направлений исследований 29
1.6 Постановка задач исследований 30
2. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ УСТАНОВКИ ПЛА¬СТЫРЯ. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МАТЕРИАЛА ПЛАСТЫРЯ И ЕГО ГАБАРИТНЫХ РАЗМЕРОВ 32
2.1 Разработка схемы и технологии установки пластыря 32
2.2 Выбор и обоснование материала пластыря и его габаритных размеров 39
2.2.1 Постановка задач исследований 39
2.2.2 Выбор материала для изготовления пластыря 39
2.2.3 Определение оптимальных размеров трубы для пластыря 40
2.2.3.1 Исследование на устойчивость от воздействия перепада давления 41
2.2.3.2 Исследование на осевое сжатие 46
Выводы 48
I
3. РАЗРАБОТКА И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ РЕГУЛИРУЕМОГО ПУАНСОНА, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЛАБОРА¬ТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЕГО РАБОТЫ 49
3.1 Разработка и выбор оптимальной конструкции пуансона 49
3.1.1 Постановка задач исследований 49
3.1.2 Методика исследований 49
3.1.3 Результаты исследований 51
3.2 Определение необходимого количества формующих секторов пуан¬сона 60
3.2.1 Постановка задач исследований 60
3.2.2 Методика исследований 60
3.2.3 Результаты исследований 62
3.3 Исследование прочностных характеристик формующего сектора пу¬ансона 63
3.3.1 Исследование прочностных характеристик формующего сектора пу¬ансона первой конструкции 65
3.3.2 Исследование прочностных характеристик формующего сектора пу¬ансона второй конструкции 68
3.4 Исследование контактного напряжения. Определение оптимальной
величины давления газа в компенсаторе пуансона 71
3.4.1 Постановка задач исследований 71
3.4.2 Методика исследований 72
3.4.2.1 Первая методика 74
3.4.2.2 Вторая методика 74
3.4.3 Результаты исследований. Определение оптимальной величины давления газа в компенсаторе пуансона 75 
3.5 Лабораторные исследования работы пуансона 77
3.5.1 Постановка задач исследований 77
3.5.2 Методика исследований 78
3.5.3 Результаты исследований 80
3.5.3.1 Влияние величины давления газа в компенсаторе пуансона на уси¬лие посадки пластыря 80
3.5.3.2 Расчёт оптимального объёма камеры компенсатора 81
3.5.3.3 Изменение усилия посадки пластыря и величины давления в ком¬пенсаторе при посадке пластыря в обсадной трубе с разным внутренним диаметром 83
3.5.4 Расчёт давления в камере компенсатора с учётом гидростатического давления и температуры 85
Выводы 87
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РАЗРАБО¬ТАННОГО ПЛАСТЫРЯ 88
4.1 Исследования по определению фактических размеров посаженного пластыря 88
4.1.1 Постановка задач исследований 88
4.1.2 Методика лабораторных исследований 88
4.1.3 Результаты лабораторных исследований 89
4.1.4 Методика промысловых исследований 91
4.1.5 Результаты промысловых исследований 92
4.2 Лабораторное определение фактической величины перепада давле¬ния, воспринимаемого пластырем 96
4.2.1 Методика лабораторных исследований 97
4.2.2 Результаты лабораторных исследований 98
4.3 Разработка и исследование герметичного соединения пластыря 99
4.3.1 Постановка задач исследований 99
4.3.2 Методика исследований 100
4.3.3 Результаты исследований сварного соединения 103
4.3.4 Результаты исследований резьбовых соединений 105
4.3.5 Герметизация резьбового соединения 113
Выводы 114
4.4 Исследование и выбор смазывающего материала для уменьшения кон¬тактного трения при расширении пластыря 115
4.4.1 Постановка задач исследований 117
4.4.2 Методика исследований 118
4.4.3 Результаты исследований 119
5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТА¬ЦИОННОЙ КОЛОННЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПЛАСТЫРЯМИ... 121
5.1 Состав оборудования и описание его работы 121
5.2 Краткое описание технологии 123
5.3 Разработка методики сборки, монтажа и спуска составного пластыря в интервал посадки в скважине 123
5.4 Посадка пластыря 128
5.5 Исследование герметичности пластыря 129
6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫСЛОВЫХ РАБОТ ПО ГЕР-МЕТИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ КОЛОННЫ СКВАЖИНЫ ПЛАСТЫРЯМИ 130
6.1. Экономическая эффективность от внедрения технологии «Металличе¬ский расширяемый пластырь для герметизации эксплуатационной колон-
ны>> 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138
Список литературы 139
Отключение пластов и восстановление герметичности эксплуатационных колонн (ЭК) актуальны для большинства месторождений России, эксплуатиру¬ющихся 20 и более лет. Коррозионные процессы, высокие давления закачки во¬ды в нагнетательных скважинах приводят к росту случаев потери герметично¬сти эксплуатационных колонн. Кроме того, эксплуатируемые пласты истоща¬ются или обводняются, для перехода на другие необходимы надёжные тех¬нологии отключения истощённых или обводнившихся пластов. Технологии герметизации ЭК с применением тампонажных материалов имеют низкую успешность, а технологии с использованием цементируемых «летучек» приводят к значительному уменьшению внутреннего диаметра колонны.
В этих условиях разработка надёжных методов восстановления герметич¬ности ЭК и отключения пластов с сохранением полезного сечения скважины является актуальной задачей.
Для решения задач по восстановлению герметичности ЭК скважины наиболее перспективным как в России, так и за рубежом является направление по разработке и применению технических средств, позволяющих перекрывать интервалы нарушений колонн при помощи металлических «пластырей».
Решением проблем восстановления герметичности ЭК в России занима¬ются институты: НПО «Бурение», ВНИИБТ, ТатНИПИнефть, за рубежом - фирмы «Pan American Petroleum Corporation», «LINES», «Owen Oil Tools Divi¬sion», «Weatherford», «Baker Hughes» и др.
Разработкой технологий и оборудования для восстановления герметично¬сти ЭК скважины и отключения пластов, а также исследованиями при их при¬менении занимались: Абдрахманов Г.С., Асмаловский B.C., Блажевич В.А., Га¬зизов А.Ш., Тарифов К.М., Габдуллин Р.Г., Загиров М.М., Кисельман М.Л., Ка¬дыров P.P., Кошелев А.Т., Кадыров А.Х., Мелинг К.В., Мишин В.И., Плотни¬ков И.Г., Стрижнев В.А., Уметбаев В.Г., Усов С.В., Шумилов В.А., Юсу¬пов И.Г., Lang Н. М., Vincent R.P. и др.
В настоящее время разработаны и совершенствуются ряд технологий, позволяющих решать вопросы ликвидации негерметичности ЭК в конкретных геолого-технических условиях без значительного уменьшения ее внутреннего диаметра. В этом плане безусловный интерес представляют технологии ремон¬та ЭК расширением металлических гладких труб круглого сечения, разрабо¬танные фирмами «Baker Hughes» [136] и «Weatherford» [137].
Ни одна российская компания не смогла разработать подобных техноло¬гий и технических средств. Задачей данного исследования является создание техники и технологии герметизации ЭК скважины металлическими пластыря¬ми, а также исследование и оптимизация их работы.
Цель диссертационной работы:
Исследование и разработка технологии герметизации ЭК радиально рас-ширяемыми пластырями и исследование основных параметров применяемого при этом комплекса технических средств.
Задачи исследований:
1. Анализ существующих технологий восстановления герметичности ЭК и обоснование требований к расширяемым металлическим пластырям.
2. Выбор и обоснование схемы установки пластыря, устойчивого к требу¬емым механическим и гидравлическим нагрузкам. Разработка технологии уста-новки металлического пластыря круглого сечения в скважине с минимальным уменьшением внутреннего диаметра ЭК.
3. Теоретические и лабораторные исследования параметров работы регу¬лируемого пуансона, обоснование его оптимальной конструкции.
4. Исследование контактного напряжения посаженного пластыря.
5. Разработка и исследование расширяемого в скважине соединения труб пластыря.
6. Исследование фактических рабочих параметров разработанного пла-стыря, посаженного в колонне.
Методы решения поставленных задач
Поставленные задачи решались путём аналитических и эксперименталь¬ных исследований в лабораторных и промысловых условиях, анализа и обоб¬щения результатов экспериментальных исследований и практического внедре¬ния в производство разработанной технологии и технических средств.
Для достижения поставленной цели в работе обоснованы и решены следующие научно-исследовательские задачи:
1. Анализом существующих технологий восстановления герметичности ЭК обоснованы требования к технологии герметизации ЭК скважины с приме¬нением расширяемых металлических пластырей круглого сечения.
2. Теоретическими и лабораторными исследованиями параметров рабо-ты нескольких типов регулируемого в диаметре пуансона разработана кон¬струкция пуансона с оптимальным давлением в компенсаторе 25 МПа, обеспе¬чивающего прижатие ПМР к внутренней стенке ЭК во всем диапазоне толщин ее стенки.
3. С помощью созданной математической модели, устанавливающей зави¬симость величины нагрузки от физических свойств и геометрических размеров элементов системы (формующих секторов и ограничителей перемещения секторов наружу), оценено напряженно-деформированное состояние формующих секторов и оптимизирована их форма.
4. Разработаны две методики определения контактного напряжения пла-стыря, посаженного в обсадную колонну. Лабораторными исследованиями с их помощью получены зависимости контактного напряжения от величины давле¬ния в компенсаторе пуансона.
5. Лабораторными и промысловыми исследованиями установлено, что рас¬ширение пластыря осуществляется за счёт уменьшения толщины его стенки на вели-чину до 9 % и уменьшения длины на величину до 3 %, а перепад давления, выдержи-ваемый пластырем, составляет 20 МПа.
6. Разработано соединение для сборки секций пластыря, сохраняющее герметичность после расширения и выдерживающее перепад давления 20 МПа.
7. Новизна двух технических решений, созданных при выполнении ра-боты, подтверждена патентами.
В работе приведены результаты исследований по подбору конструкции резьбового соединения, вида герметизирующего средства.
Разработаны варианты конструкции регулируемого пуансона, на основании исследований установлен оптимальный вариант конструкции регулируемого пуансона, стендовыми исследованиями установлены зависимости его наружного диаметра от усилия вдавливания в сужение. Разработаны методики определения контактного напряжения пластыря, посаженного в эксплуатационную колонну, определена величина оптимального давления в компенсаторе пуансона - 25 МПа.
Диссертационная работа выполнена в отделе эксплуатация и ремонта скважин Татарского научно-исследовательского и проектного института нефти «ТатНИПИнефть» под руководством доктора технических наук К.М. Гарифова.

bibliography

Выводы:
1. Промысловые исследования пластыря подтвердили его основные пара-метры, полученные на стенде: давление посадки, усилие сдвига, выдерживае¬мое давление.
2. Промысловыми исследованиями определена фактическая скорость движения пуансона - 40 мм/с.
3. Объём внедрения составил 43 скважины.
4. Успешность работ составила 87 %.
5. Экономический эффект на объём внедрения в ценах 2010 года составил 19 млн. 952 тысячи рублей.
1. Анализом существующих технологий восстановления герметичности ЭК обоснованы требования к технологии герметизации ЭК скважины с приме¬нением расширяемых металлических пластырей круглого сечения.
2. Теоретическими и лабораторными исследованиями параметров рабо¬ты нескольких типов регулируемого в диаметре пуансона разработана кон-струкция пуансона с оптимальным давлением в компенсаторе 25 МПа, обеспе-чивающая прижатие ПМР к внутренней стенке ЭК во всем диапазоне толщин ее стенки.
3. С помощью созданной математической модели, устанавливающей зави¬симость величины нагрузки от физических свойств и геометрических размеров элементов системы: формующих секторов и ограничителей перемещения секторов наружу, оценено напряженно-деформированное состояние формующих секторов и оптимизирована их форма.
4. Разработаны две методики определения контактного напряжения пла¬стыря, посаженного в обсадную колонну. Лабораторными исследованиями с помощью этих методик получены зависимости контактного напряжения от ве¬личины давления газ в компенсаторе пуансона.
5. Лабораторными и промысловыми исследованиями установлено, что рас¬ширение пластыря осуществляется за счёт уменьшения толщины его стенки на вели¬чину до 9 % и уменьшения длины на величину до 3 %.
6. Разработано соединение для сборки секций пластыря, сохраняющее герметичность после расширения и выдерживающее перепад давления 20 МПа.
7. Новизна двух технических решений, созданных при выполнении ра-боты, подтверждена патентами.
8. На основании результатов выполненных исследований разработана технология герметизации ЭК расширяемыми металлическими пластырями круглого сечения, уменьшающими её внутренний диаметр на 10 мм и выдержи¬вающими перепад давления до 20 МПа. С использованием данной технологии в ОАО «Татнефть» отремонтировано 43 скважины, успешность работ составила 87 %. Экономический эффект на объём внедрения в ценах 2010 года составил 19 млн. 952 тысячи рублей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абдрахманов Г.С. Технологические основы локального крепления стенок скважины экспандируемыми обсадными трубами: Дисс. ... док. Тех. наук:
05.15.6 / УНИ: - Уфа. 1989. - 422 с.
2. Абдрахманов Г.С., Ибатуллин Р.Х., Каримов В.Х. Исследование и изоля¬ция поглощающих пластов с помощью пакера конструкции ТатНИ- ПИнефть IIРНТС. Сер. Бурение. - ВНИИОЭНГ. - 1975. - №10. - С. 25-28.
3. Абдрахманов Г.С., Мелинг К.В., Юсупов И.Г. Восстановление герметич¬ности обсадных колонн и отключение пластов с помощью двухканальных профильных перекрывателей // РНТС. Сер. Бурение. - ВНИИОЭНГ. — 1982. - №5-С. 26-28.
4. Абдрахманов Г.С., Хамитьянов Н.Х., Вильданов Н.Н. Проблемы гермети¬зации резьбовых соединений расширяемых труб и пути их решения. — Сборник трудов «ТатНИПИнефть», Москва, 2009.