Підвищення герметичності різьбових з'єднань обсадних колон

Abstract

Дисертація присвячена підвищенню герметичності муфтових різьбових з’єднань обсадних колон за рахунок герметизуючого зузла із вставним тонкостінним герметизуючим елементом із іншого матеріалу, ніж муфта і труба. Удосконалено методи розрахунку вигинів стінок муфти, труби і герметизуючого елемента, з’єднаних з натягом, з врахуванням їх взаємного впливу і крайових умов опирання при дії осесиметричних навантажень. Виведені формули радіальних деформацій стінок для усіх ділянок удосконаленого з’єднання. На основі системи рівнянь балансу деформацій і натягів визначені контактні тиски у різьбі і в ущільненні. Програмно реалізована аналітична модель пружно-деформовано-го стану з’єднання враховує дію тисків, осьового навантаження і температури. Аналітичні дослідження впливу експлуатаційних чинників на з’єднання виявили закономірності розподілу та зміни деформацій герметизуючого елемента і контактного тиску в ущільненні залежно від жорсткості елементів з’єднання, натягів різьби і ущільнення, величин внутрішнього і зовнішнього тисків, осьового зусилля і температури. Виявлено причини порушення герметичності з’єднання та встановлено умови, за яких пружний тонкостінний елемент забезпечує її при гідравлічних випробуваннях, щільність прилягання його стінок (підвищений контактний тиск) в ущільненні та їх допустимі деформації під час експлуатації. Експериментальні дослідження герметичності нового з’єднання при дії внутрішнього тиску, осьової сили і температури підтвердили, що додатні натяги ущільнення витримують тиски, які більші від випробувальних та експлуатаційних. Температурне розширення герметизуючого елемента компенсує зазор в ущільненні, що дозволяє зменшити крутний момент при згвинчуванні. Розроблено методику проектування нового герметизуючого вузла муфтових з’єднань обсадних труб для заданих експлуатаційних умов (діючих у свердловині внутрішнього і зовнішнього тисків, температури, осьового навантаження).

Диссертация посвящена усовершенствованию конструкции и повышению герметичности муфтовых резьбовых соединений безупорного типа обсадных колонн за счет герметизирующего узла со вставным тонкостенным елементом. В первом разделе проведен анализ способов обеспечения герметичности муфтовых резьбовых соединений обсадных колонн, методов расчета деформаций этих соединений, обоснованы актуальность диссертации, ее цель и задачи. Во втором разделе разработаны методы расчета деформаций участков муфты, трубы и герметизирующего елемента, соединенных с натягами, с учетом их взаимного влияния и краевых условий при действии осесимметричных нагрузок. Стенки элементов получают изгибы при опирании на смежные участки с разной жесткостью и деформациями, учитывая влияние и несмежных участков. Выведены формулы изгибов стенок всех участков нового соединения. Из системы уравнений баланса радиальных деформаций и натягов определены контактные давления в резьбе и уплотнении. Модель упруго-деформированного состояния соединения реализована программно и учитывает осевую нагрузку и температуру. В третьем разделе аналитические исследования влияния эксплуатационных факторов на соединение и герметизирующий узел выявили закономерности распределения и изменения деформаций герметизирующего елемента и контактного давления в уплотнении в зависимости от жесткости элементов соединения, натягов в резьбе и в уплотнении, отдельного и совместного действия внутреннего и внешнего давлений, осевой нагрузки и температуры. Неравномерность распределения (особенно давления) зависит от жесткости (толщины) стенок герметизирующего елемента и трубы на контактном участке. Выявлены причины нарушения герметичности и условия, при которых упругий герметизирующий елемент обеспечивает герметичность соединения при гидравлических испытаниях, плотность прилягання его стенок (повышенное контактное давление) в уплотнении и их допустимые деформации при эксплуатации. Осевая нагрузка соединения и температурное расширение герметизирующего елемента вызывают его деформации сжатия и увеличение контактного давления в уплотнении. В четвертом разделе описаны методика, оборудование и результаты экспериментальных исследований герметичности нового соединения при действии внутреннего давления, осевой силы и повышенной температуры при заданных натягах в резьбе и уплотнении. Они подтвердили, что минимальные натяги в уплотнении выдерживают давления, больше испытательных и эксплуатационных давлений. Температурное расширение герметизирующего елемента компенсирует зазор в уплотнении, что уменьшает крутящий момент свинчивания. Допустимое давление линейно зависит от натягов в резьбе и уплотнении, а при малом увеличении натяга в уплотнении выдерживаемое давление резко возрастает. В пятом разделе разработана методика проектирования герметизирующего узла муфтовых соединений обсадных труб для заданных условий эксплуатации (действующих в скважине перепада давлений, температуры, осевой нагрузки).

There have been improved the calculation methods of insulation element, pipe and plug divisions deformation joined with the standoff taking into account their cross-effect and boundary conditions under axisymmetric loading. There have been derived the formulas of walls turns of all divisions of a new joint. On the basis of equation system of radial deformations and standoff balance there have been determined the contact pressure in the thread and obturator. The model of elastic-deformed joint has been applied programmatically and considers the axial load and temperature. The analytical research of exploitation factor influence on the joints - has determined the regularities of allocation and change of deformation of insulation element and contact pressure in the obturator depending on rigidity of joining elements, axial load, and temperature. There have been revealed the reasons of proofness abnormality and established the conditions due to which the elastic thin-walled socket provides the joints proofness at hydraulic testing, conformity thickness in sealing (increased contact pressure) and its admissible deformations while exploiting. The experimental research of a new joint proofness under internal pressure, axial force and temperature vindicated that the minimum standoffs in the sealing stand the pressure which is more than testing and operating pressure in the wells. Temperature extension of insulation element compensates the gap in the standoff which reduces the rotational moment of torsion. There has been developed the methodology of design of insulation element of casing socket joints for the predetermined working conditions (operating in the well of pressure difference, temperature, and axial load).