Работа выполнена в ОАО "НПО Нефтегсофизприбор" и ООО НТФ "Диагностика"
Научные руководители:
-доктор технических наук Саркисов И.К.
-доктор технических наук,профессор Дембицкий С.И.
Официальные оппоненты:
- доктор технических наук Демихов В.И.,
- кандидат технических наук Климов В.В.
Ведущая организация: ОАО "Краснодарнефтегеофизика"
Защита диссертации в форме научного доклада состоится " 7 " июля 2000 г. в 14-00 ч. на заседании диссертационного совета К 063.73.12 при Кубанском государственном университете по адресу: 350040, г.Краснодар, ул.Ставропольская, 149, ауд. 140.
С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в научной библиотеке Кубанского государственного университета
Автореферат разослан " 6 " июня 2000 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат геолого-минералогических наук
2
I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Эффективность работы нефтегазового комплекса зависит не только от темпов бурения, освоения и эксплуатации нефтегазовых скважин, но в немалой степени и от своевременного и надежного контроля технического состояния нефтепромысловых труб. Тяжелые условия работы бурильных и обсадных колонн практически неизбежно приводят к их повреждению как в процессе строительства, так и эксплуатации скважин, поэтому оперативный контроль эксплутационной прочности колонн способствует предотвращению аварийных ситуаций и снижению огромных непроизводительных затрат.
Применение традиционных методик диагностирования нарушений бурильных и обсадных колонн (Л.Б.Измайлов, Н.В.Кокорин, А.А.Мамедов, А.К.Самотой, Г.М.Саркисов и др.) не всегда позволяет выявлять интервалы колонн с механическими напряжениями, где происходят необратимые деформации труб. Еще сложнее прогнозировать остаточный ресурс эксплуатационной прочности нефтепромысловых труб. Поиск информативных методов прогнозирования напряженного состояния колонн в последние десятилетия интенсивно осуществлялся учеными ВНИИБТ, ВНИИКР-нефть, ВНИИТнефть, ВНИИГИС, ВНИГИК, ВНИИнефтепромгеофизики и других научно-исследовательских организаций СНГ (Д.А. Бернштейн,
Н.А.Григорян, В.В.Климов, И.К.Саркисов, Р.С.Челокьян и др.)
На Северном Кавказе по инициативе С.Г.Комарова этими исследованиями с 1965 г. стал заниматься Краснодарский филиал ВНИИГеофизики (впоследствии КФ НИИМоргеофизики). Учеными этой организации (Ю.Д.Емельянов, Л.П.Попов, Ю.П.Терещенко, А.Т.Шлеин, В.М.Возми-тель) на основе анализа неразрушающих методов контроля ферромагнитных материалов было установлено, что для диагностики напряженного состояния обсадных колонн наиболее приемлемым является элеюромагнит-ный метод, а использование информации о структурно-реологических параметрах сталей бурильных и обсадных труб позволяет наиболее достоверно контролировать их остаточную прочность и эксплуатационный ресурс. В результате были разработаны и внедрены в производство первые отечественные образцы электромагнитной дефектоскопической скважинной аппаратуры, значительно расширившие информационные возможности этого вида геофизических исследований скважин.
Реферируемая работа отражает результаты исследований автора в указанной области за период с 1965 по 1997 годы, когда он являлся руководителем или ответственным исполнителем ряда отраслевых программ по созданию технических средств диагностики дефектов и повышенных механических напряжений в колоннах (темы №№37/73-75, 24-76, 31/76-77, 65-78, 17/77-79, 98-80, 51-83 и др.). Направление диссертационной работы соответствует целевой программе научно-технических работ Мингазпрома (шифр комплексной темы 2.9, приказ Мингазпрома №1053 от 6.6.1983 г.)
3
II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ, ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ, КОТОРЫЕ ВЫНОСЯТСЯ НА ЗАЩИТУ
1. Анализ влияния геолого-технологических факторов на формирование напряженного состояния и образование дефектов в колоннах
Исследованием этой проблемы в различное время занимались А.Г.Аветисов, А.И.Булатов, Л.Б.Измайлов, М.Л.Кисельман, А.В.Коломоец, И.П.Пустовойтенко, Г.М.Саркисов и многие другие. Для целей нашей работы определяющее значение имеют следующие аспекты [2, 3, 28, 29, 32].
При проводке, обсадке и освоении нефтегазовых скважин бурильные и обсадные трубы подвергаются воздействию повышенных механических напряжений в результате спуско-подъемных операций (СПО), изменения режимов бурения, отклонения траектории ствола от вертикали, гидродинамических ударов промывочной жидкости (ПЖ), цементирования и перфорации, вторичных воздействий на пласт и т.п. На колонны действуют сжимающие и растягивающие силы в осевом и радиальном направлениях, а также радиальные изгибающие и тангенциальные крутящие моменты.
Установлено, что основной причиной большого числа аварий с бурильными трубами является усталостное разрушение металла, возникающее в результате действия знакопеременного изгиба, крутильных ударов, колебаний, растяжений, сжатий и т.п. Знакопеременный изгиб приводит к образованию остаточных механических напряжений и появлению в трубах трещин ультрамикроскопических размеров. Такие трещины, становясь очагами концентрации напряжений, распространяются дальше, пока не наступит разрушение металла.
При бурении в твердых породах на больших глубинах значительно увеличивается вибрация колонны, особенно при неравномерной подаче промывочной жидкости. В результате бурильная колонна получает дополнительные продольные колебания, которые при совпадении частоты пульсации давления буровых насосов с частотой собственных колебаний колонны могут вызвать явление резонанса, опасное для прочности труб. В бурильных трубах и соединениях возникают переменные напряжения, усиливается усталостный износ; при соударениях со стенками скважины повышается абразивный износ инструмента и труб, в связи с чем увеличивается число аварий из-за обрыва снаряда и его прихватов.
Усталостные разрушения металла появляются скрытно, без видимого изменения размеров и форм в наиболее напряженных участках как по телу трубы, так и в утолщенном конусе, наиболее жестком элементе колонны . При превышении предела прочности металла происходит растрескивание, раздутие, истирание труб и поломка замковых соединений и муфт, обрывы бурильных, колонковых и обсадных труб, обрывы и прихваты иородораз-рушающего инструмента. Форма и размеры повреждений при этом могут быть самыми разнообразными: продольные и поперечные трещины раз-
7
личной ориентации и раскрытостью от долей до нескольких мм и даже см; сквозные повреждения типа порывов и протертых участков; желобной износ протяженностью десятки и сотни см; вздутия и вмятины труб в радиальном направлении в единицы и десятки мм и протяженностью в осевом направлении в десятки см. Разнообразны формы и раскрытость обрывов труб - от нескольких мм до нескольких см и выше; оборванный конец колонны бурильных труб может располагаться в скважине параллельно ее оси или отклоняться от нее в каверны, желоба или пустоты.
Разнообразны и геолого-технологические факторы формирования напряженного состояния обсадных колонн. Нагрузки, действующие на обсадную колонну при ее спуске в скважину, определяются собственным весом колонны и инерционными силами, возникающими в результате изменения скорости ее спуска, гидродинамических ударов ПЖ, искривления ствола скважины, кавернозностью разреза и т.п. Под влиянием внутреннего давления, действующего радиально, обсадная колонна стремится укоротиться в осевом направлении, а под влиянием внутреннего давления, действующего вдоль оси колонны - удлиниться в том же направлении. При этом, если колонна на устье имеет жесткое крепление, то она воспринимает только внутреннее давление, действующее радиально.
По характеру механических напряжений в теле обсадных колонн они в большинстве своем относятся к классу медленно изменяющихся во времени, так как обусловлены в основном действием статических нагрузок. Однако в регионах с повышенной тектонической или сейсмической активностью на колонны воздействуют дополнительные ударные нагрузки, которые также наблюдаются в зонах проведения перфорационных работ и при других видах механических воздействий на колонну.
Наиболее опасным нарушением является смятие обсадных колонн. Оно происходит тогда, когда избыточное наружное давление, в результате снижения уровня промывочных и тампонажных растворов, плохой работы обратного клапана, несвоевременного долива жидкости в скважину и т.п., достигает критической величины, под действием которой трубы теряют устойчивость формы. Смятие обычно происходит в интервалах от десятков сантиметров до десятков метров, при этом сужение внутреннего диаметра колонны может достигать 0,8 его номинальной величины (единицы и десятки мм). Основной причиной смятия колонн является нарастание остаточных реологических напряжений в трубах, ухудшение прочностных и пластичных характеристик сталей со временем. Такие нарушения наблюдаются практически во всех нефтегазодобывающих регионах СНГ - в Ура-ло-Поволжье, на Кавказе, в Средней Азии, Украине, Белоруссии. Наибольшим механическим нагрузкам подвержены обсадные колонны в интервалах пластичных или сыпучих пород (глин, песка, солей), а также в условиях АВПД. В этих же интервалах при спусках бурильных и обсадных колонн происходят частые прихваты. В ряде эксплуатационных скважин Западной Сибири причиной нарушения целостности обсадных колонн яви-
8
- Киев+380960830922