Підвищення герметичності різьбових з'єднань обсадних труб нафтових і газових свердловин

Abstract

Дисертація присвячена підвищенню герметичності та ремонтопридатності різьбових з’єднань обсадних труб шляхом удосконалення конструкції і програмування параметрів їх працездатності з урахуванням експлуатаційних навантажень. Програмна модель пружно-деформованого стану з’єднання муфти і труби з вузлом ущільнення розроблена на основі моментної теорії коротких циліндрів зі стінками змінної товщини, формул Ламе і знайденої формули контактного тиску. Аналітичні дослідження контактних тисків залежно від радіальних натягів, товщин стінок, внутрішніх і зовнішніх тисків, осьових сил дали змогу встановити нові закономірності впливу конструктивних та експлуатаційних чинників на герметичність і надійність різьбових з’єднань обсадних труб ОТТГ. Удосконалені конструкції різьбових з’єднань із вузлом ущільнення і спосіб підвищення їх герметичності захищені патентами України. Розроблені методики їх проектування і технологічного забезпечення. Дослідні випробування цих з’єднань підтвердили підвищення їх працездатності в обсадних колонах. Спосіб відновлення герметичності з’єднань ОТТГ розроблений на основі газопломеневого металопорошкового напилення герметизуючого шару.

Диссертация посвящена повышению герметичности и надежности муфтовых соединений обсадных колонн путем усовершенствования конструкции и программирования параметров работоспособности с учетом эксплуатационных нагрузок. В первом разделе проведен анализ причин усложнений с обсадными колоннами, способов повышения надежности их резьбовых соединений и методов рассвета упругих деформаций их элементов, обоснованы цель и задачи диссертации. Второй раздел посвящен теоретическим исследованиям формирования герметизирующей способности муфтовых соединений обсадных труб ОТТГ и разработке их упруго-деформационной модели с учетом натягов и эксплуатационных нагрузок. Программная аналитическая модель сложного напряженно-деформированного состояния соединений труб и муфт с уплотнительным узлом разработана на основе моментной теории коротких цилиндров со стенками переменной толщины с применением формул Ламе. Модель учитывает совместимость кольцевых, радиальных и изгибающих деформаций, которые возникают в их стенках при свинчивании с радиальным натягом, под действием контактных, внутренних и внешних давлений, осевых сил, и закономерности формирования контактных давлений на участках уплотнения и резьбы.В третьем разделе проведены аналитические исследования влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на герметичность муфтовых соединений обсадных труб ОТТГ и зависимости контактных давлений в уплотнении и резьбе от радиальных натягов, толщин стенок, внутренних и внешних давлений, осевых нагрузок. Контактное давление больше при больших натягах, толщинах стенок и меньших диаметрах труб. Вследствие изгибов стенок трубы возникает спад контактного давления к торцу уплотнения, что определяет его герметичность. Величина и спад этого давления возрастают под действием внутреннего давления. Уменьшив в пределах допуска толщину стенок в узле уплотнения, увеличив их гибкость, можна уменьшить этот спад и взаимное влияние различных натягов в уплотнении и резьбе. Программный расчет толщин стенок и натягов обеспечивает большее и более равномерное контактное давление в уплотнении и повышение герметичности соединений ОТТГ при заданных эксплуатационных условиях. В четвертом разделе описаны усовершенствованные муфтовые соединения обсадных труб типа ОТТГ повышенной надежности, представлена методика, оборудование и результаты экспериментальных исследований их герметичности, а также разработаны методики проектирования и технологического обеспечения этих соединений для заданных условий эксплуатации. Опытные испытания усовершенствованных соединений подтвердили закономерности повышения их герметичности в зависимости от натягов в уплотнении и резьбе, толщин и диаметров труб, возможность уменьшения толщины стенки в уплотнении при необходимости увеличения натяга. Испытания позволили установить параметры надежной герметизации таких соединений и их пригодность для использования в эксплуатационных колоннах. Экспериментально установлено, что для соединений ОТТГ 146 увеличение радиального натяга на 0,01 мм повышает их герметичность на 9... 10 МПа, а натяг, больший 0,08 мм, обеспечивает их герметичность при максимальных давлениях опрессовки согласно стандарта. В пятом разделе разработаны ремонтопригодная конструкция муфтовых соединений обсадных труб ОТТГ и способ восстановления их герметичности, представлены результаты их внедрения, обосновано технологическое обеспечение ремонта соединений в производственных условиях. Опытная апробация этого способа проведена на установке газопламенного металлопорошкового напыления путем напыления герметизирующего слоя на уплотнительные поверхности соединения ОТТГ. Апробация подтвердила возрастание герметичности восстановленных соединений при максимальных опрессовочных давлениях по стандарту (до 57,9 МПа для ОПТ 146 х 9,5 Е і до 62,8 МПа для ОПТ 146 х 10,6 Е) и эффективность его применения в промышленных условиях. На основе разработанной методики проектирования и технологического обеспечения усовершенствованных соединений типа ОТТГ разработан руководящий документ для повышения надежности соединений обсадных колонн нефтяных и газовых скважин. Он принят для внедрения на буровых предприятиях ВАТ "Укрнефть".

The dissertation deals with the enhancement of impermeability of threaded joints of casing pipes by means of construction improvement of seal assembly and programming of their working capacity parameters taking into account operational loadings. The computer-generated model of the elastic-deformed state of pipe and coupling joint with seal assembly is designed on the basis of the moment theory of short cylinders with variable thickness of their walls, Lame's formulas and the formula of contact pressure found by the author. Analytical studies of contact pressures dependence from radial tension, thicknesses of walls, internal and external pressures, thrust load have allowed to determine new influencing patterns of constructional and operational factors on leakproofness of threaded joints of casing pipes with seal assembly. Advanced constructions of casing pipes joints with seal assembly and the increase technique of their impermeability are patented. The author has elaborated their design technique and procedures of their technological support. Experimental trials of these joints have confirmed the increase of their working capacity in casing strings. The restoration technique of impermeability of joints with seal assembly is designed on the basis of gas-flame powder spraying of pressurizing metallic layer.