Ввиду того, что запасы легкой нефти и газа сокращаются, нефтегазовые компании все чаще ведут освоение сложных месторождений. Это приводит к увеличению глубин бурения, бурению горизонтальных скважин и скважин с большим отходом от вертикали, разработке месторождений с аномально высокими пластовыми давлениями. Применение в таких скважинах стандартных резьбовых соединений (ОТТМ, Батресс, ОТТГ) несут для нефтяных и газовых компаний высокие риски. В связи с этим увеличивается потребность в премиальных резьбовых соединениях с повышенными прочностными характеристиками, подтвержденными стендовыми испытаниями. Широкий сортамент OCTG и большой перечень материалов резьбовых соединений ставят перед инженерами сложные задачи по выбору подходящего технического решения. Необходим комплексный, концептуальный подход, который включает в себя определение конструкции скважины, выбор материалов для различных сред, в том числе агрессивных, формирование технических требований к соединениям (например, для технологии бурения на обсадной колонне, гидроразрыва пласта, спуска с вращением обсадных труб), а также определение возможности оптимизации и унификации скважин на основе глубоких знаний о трубной продукции. Все инженерные решения, в том числе и нестандартные, выполняются в специализированных инженерных программах, применяемых во всем мире, и также в своем собственном программном комплексе, разработанным для оценки применимости трубной продукции и соединений при комбинированном нагружении, соответствующим фактическим нагрузкам в скважине.
Расчет конструкции колонн
Рассмотрим подходы и технологии, которые могут повысить успешность технологических операций:
1.Моделирование конструкции скважины.
2. Моделирование спуска колонны.
3. Моделирование колонны при посадках.
4.Моделирование спуска колонны с вращением.
Моделирование конструкции скважины
При использовании каталогов трубной продукции нефтяного сортамента и алгоритмов работы с базами данных существует быстрый способ подобрать соответствующий размер колонны и резьбовое соединение, максимально близко соответствующие скважинным условиям. Путем задания приложенных нагрузок, проектных коэффициентов запаса прочности условий эксплуатации алгоритм перебирает все возможные размеры труб и соединения, прочностные характеристики которых соответствуют заданным условиям. Результатом расчета является соответствие/несоответствие размеров труб скважинным условиям. Данный алгоритм позволяет выбрать оптимальный размер и соединение, параметры которых максимально близко подходят для заданных скважинных условий.
Моделирование спуска колонны
Для обеспечения безаварийного спуска колонны проводятся расчеты на потерю продольной устойчивости. Существуют разные модели по расчету потери продольной устойчивости. В большинстве современных программных продуктах реализована "мягкая" модель". в «мягкой модели» колонна рассматривается в виде гибкого стержня (без рассмотрения замков или муфт), соприкасающегося по всей длине со стенкой скважины. Силы сопротивления возникают из-за осевого перемещения колонны вдоль ствола как результат трения о стенку скважины. Основные недостатки модели в том, что не учитывается эффект изгибной жесткости трубы и радиальный зазор между колонной и стенкой скважины. [1].
В компании разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния соединения с учетом радиального зазора между колонной и стенкой скважины, а также локальных изгибающих напряжений в области муфты. Расчеты позволяют оценить нагрузки, действующие на колонну и соединения, вес на крюке, а также предсказать вероятную причину потери продольной устойчивости колонны – «баклинг». На основании расчетов выполняются инженерные корректировки: профиль, расстановка центраторов, выбор соединения для спуска и сравнение режимов спуска. Такой инженерный подход позволяет с большой долей вероятности прогнозировать беспрепятственный спуск колонны, сохранение целостности колонны и соединений.
Моделирование колонны при посадках
Вследствие значительного ряда причин, таких как малые зазоры между колонной и стенкой скважины, прохождение участков с большой интенсивностью искривления и других, существуют риски посадки колонны на заданном участке. С целью ее освобождения колонну начинают расхаживать (вверх-вниз), а при более жестких посадках расхаживают с вращением. В этих случаях колонна испытывает чрезмерные нагрузки на растяжение, сжатие и кручение. Поэтому задача состоит в оценке нагрузок, действующих на колонну в процессе ее расхаживания [2]. Модель расчета комбинированных нагрузок «осевая нагрузка – крутящий момент» позволяет построить области допустимых нагрузок для каждого выбранного размера колонны и подобрать соответствующее соединение.
Моделирование спуска колонны с вращением
Эффективным способом преодоления «баклинга» является спуск обсадной колонны с вращением. Такой способ накладывает на резьбовые соединения дополнительную нагрузку вследствие возникшего крутящего момента. В этом случае необходимо подбирать резьбовые соединения, способные испытывать крутящие нагрузки, возникающие вследствие вращения колонны. Моделирование спуска колонны с вращением позволяет рассчитать и оценить крутящий момент, возникающий в каждом соединении по длине колонны, и подобрать соответствующее соединение, исходя из допустимого операционного крутящего момента на каждое соединение.
Разработка резьбовых соединений
С 1998 г. компания активно разрабатывает и выводит на рынок резьбовые соединения класса «Премиум». В настоящее время разработка новых резьбовых соединений ведется в научном центре компании ТМК, расположенном в Сколково. Разработка и моделирование работы резьбового соединения выполняются по номинальным геометрическим размерам с применением метода конечных элементов (МКЭ). Использование МКЭ позволяет моделировать влияния осевых напряжений, изгибающих нагрузок, давление и свинчивание.
По результатам моделирования соединений МКЭ делаются выводы о прочностных и эксплуатационных характеристиках соединений. Далее для верификации полученных данных проводятся натурные испытания резьбовых соединений на специальном испытательном стенде на герметичность при действии одновременно сжимающих, изгибающих нагрузок, а также внутреннего давления в независимой лаборатории.
Разработка новых материалов
ТМК не просто занимается созданием продукции– компания постоянно совершенствует ее благодаря своему колоссальному научно-техническому потенциалу. Разработкой новых видов материалов в ТМК занимается Российский научно-исследовательский институт трубной промышленности (РусНИТИ), созданный в 1961 г. как научный и технологический центр трубной отрасли металлургического комплекса страны, и НТЦ ТМК в Сколково. Бессмазочные технологии, отличные от стандартов ГОСТ и API группы прочности, а также новые материалы постоянно разрабатываются в центрах, обеспечивая решения новых как технических, так и технологических задач.
Сопровождение спуска колонн в скважину
Техническое сопровождение спусков премиальных колонн с продукцией ТМК – неотъемлемая часть сервиса ТМК. Реализуя эту услугу, служба инженерного сопровождения«ТМК-Премиум Сервис» помогает потребителям избежать ошибок при свинчивании и спуске обсадных колонн и НКТ, гарантирует высокое качество сборки колонны и надежность при дальнейшей эксплуатации скважины. Инженерное сопровождение включает в себя: инструктаж персонала по правилам использования трубной продукции; первичный осмотр элементов обсадной колонны на месторождении; контроль за осуществлением подготовки труб к спуску.
Супервайзер постоянно находится у трубы вместе с буровиками при сборке каждого соединения. Во время спуска труб в скважину специалисты «ТМК-Премиум Сервис» осуществляют контроль и дают рекомендации по свинчиванию резьбовых соединений в соответствии с руководством по эксплуатации.
Заключение
Подход концептуального инжиниринга трубной металлургической компании стремится объединить все знания компании ПАО «ТМК» для предоставления потребителю оптимального технико-экономического решения.
