Проектирование мест расположения термокомпенсаторов для предотвращения деформации композитных фильтров в горизонтальном стволе паронагнетательной скважины Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕСТ РАСПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОКОМПЕНСАТОРОВ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ КОМПОЗИТНЫХ ФИЛЬТРОВ В ГОРИЗОНТАЛЬНОМ СТВОЛЕ ПАРОНАГНЕТАТЕЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ

УДК 622.243.24

Ван Хэнян, аспирант, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина (Москва, РФ), wanghengyang7i6@maii.ru В.М. Подгорнов, д.т.н., профессор, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина Ян Инь, аспирант, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина Адаму Мохамеед Шуайбу, аспирант, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина

Одна из причин, затрудняющих добычу высоковязких нефтей в паронагнетательных скважинах в условиях пескопроявлений, - деформация противопесочных композитных фильтров. Использование в составе внутрискважинного оборудования термокомпенсаторов позволяет повысить работоспособность фильтров в этих условиях. Применение термокомпенсаторов в горизонтальных скважинах имеет особенности, которые необходимо учитывать при проектировании мест их расположения по длине ствола для предупреждения деформации кожуха композитных фильтров от осевых термонапряжений. Предложена методика проектирования мест расположения термокомпенсаторов для предотвращения деформации композитных фильтров в горизонтальных стволах паронагнетательных скважин.

ключевые слова: композитные фильтры, горизонтальная скважина, термокомпенсатор

При строительстве горизонтальной скважины мероприятия, направленные на снижение эксплуатационных затрат при добыче углеводородного сырья, должны учитываться уже на стадии проектирования [1].

На нефтяном месторождении Шэнли (КНР) из-за высокой вязкости нефти широко применяются тепловые методы интенсификации добычи природных углеводородов. Один из факторов, снижающих эффективность функционирования паронагнетательных скважин в условиях пескопроявлений, -преждевременный выход из строя противопесочных фильтров по причине теплового напряжения в горизонтальной секции при нагнетании пара в скважину [2-4]. Для оптимизации распределения термокомпенсаторов проанализированы термонапряжения в композитном фильтре, сопоставлены

результаты разных вариантов их размещения по стволу, и на основании полученных данных предложен метод оптимизации количества и расположения на обсадной ко -лонне термокомпенсаторов.

Термокомпенсатор для компенсации удлинения колонны насосно-компрессорных труб, входящий в состав внутрискважинного оборудования для нагнетания пара в нефтяные пласты, выполнен в виде телескопического устройства, содержащего наружную и внутреннюю трубы, сальниковый узел с поджимной резьбовой втулкой. В пазу направляющей втулки, жестко закрепленной внутри наружной трубы, установлена шпонка. На наружной поверхности внутренней трубы есть паз под эту шпонку такой длины, которая позволяет обеспечить заданный ход компенсатора. Это соединение позволяет передавать крутящий

момент от наружной трубы к внутренней посредством скользящей шпонки в любой точке по всей длине хода компенсатора [5].

Предлагаемый компенсатор теплового расширения изображен на рис. 1а (общий вид) и рис. 1б -разрез А-А.

Направляющая втулка 5 жестко закреплена внутри наружной трубы 1. Шпонка 6 установлена в пазу направляющей втулки 5 и связывает последнюю с внутренней трубой 2. Паз под шпонку 6 во внутренней трубе 2 имеет такую длину, которая обеспечивает раз-движение компенсатора на заданный ход. Шпоночное соединение обеспечивает передачу крутящего момента между внутренней и наружной трубами. Во избежание раскручивания направляющей втулки 5 резьбовое соединение с наружной трубой 1 законтрено винтами 7.

W. Hengyang, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (Moscow, Russian Federation), wanghengyang716@mail.ru

V.M. Podgornov, Doctor of Technical Sciences, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)

Y. Yin, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) A.M. Shuaibu, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University)

Designing of the thermal compensors location for prevention the deformation deformation of composite filters in the horizontal borehole of a steam injection well

One of the reasons that impede the extraction of highly viscous oils in steam injection wells in terms of sand manifestations is the deformation of the anti-sand composite filters. The use of thermal compensators as part of the downhole equipment allows improving the efficiency of filters in these conditions. The use of thermal compensators in horizontal wells has certain features that must be considered when designing their locations along the length of the well to prevent deformation of the casing of composite filters from axial thermal stresses. A method for designing the locations of thermal compensators to prevent deformation of composite filters in horizontal wells of steam wells is proposed.

keywords: composite filters, horizontal wells, temperature compensator.

Для подтяжки уплотнения без извлечения внутренней трубы 2 на наружной трубе 1 необходимо следующее: вывернуть направляющую втулку 5 на несколько витков резьбы, задвинуть внутреннюю трубу 2 в наружную до вхождения выступов т на торце резьбовой втулки в соответствующие пазы наружной трубы 1, вращением внутренней трубы 2 относительно наружной 1 завинчивают резьбовую втулку 4 до устранения течи через сальниковое уплотнение.

Применение данных устройств в горизонтальных скважинах дает положительный результат, но определение их оптимального количества и местоположения по длине горизонтального ствола с учетом действующих термонапряжений требует обоснования.

Как правило, термокомпенсаторы в скважинах устанавливают на равных расстояниях без учета изменения температуры в горизонтальных частях скважины в процессе нагнетания пара и работоспособности композитного фильтра.

В горизонтальных скважинах на месторождении Шэнли (КНР) широко используются композитные фильтры. Композитный фильтр состоит из трех частей: корпуса

с отверстиями, фильтровальной сетки из нержавеющей стали и внешнего кожуха со щелями

(рис. 2). Корпус с отверстиями представляет собой стальную перфорированную трубу. На поверхности

а) а) б) b)

Рис. 1. Принципиальная схема термокомпенсатора: а) общий вид: 1 - наружная труба, 2 - внутренняя труба, 3 - сальниковый узел, 4 - резьбовая втулка, 5 - направляющая втулка, 6 - шпонка; 7 - винт; б) разрез по линии А-А: m - выступы на торце резьбовой втулки, k - пазы на наружной трубе Fig. 1. Schematic diagram of the thermal compensator: a) general view: 1 - outer tube, 2 - inner tube, 3 - stuffing box, 4 - threaded bushing, 5 - guide bushing, 6 - key; 7 - screw; b) cut along the line A-A: m - protrusions at the end of the threaded bushing, k - grooves on the outer pipe

трубы уложены три слоя сетки из нержавеющей стали. Дренажные сетки обеспечивают равномерное распределение жидкости или газа по всей поверхности фильтра. Слой фильтрующей сетки, расположенной между дренажными сетками, имеет мелкую ячейку. Поверхность фильтра покрыта защитным кожухом из перфорированного нержавеющего листа.

Радиальный поток флюида из пласта в скважину уплотняется при прохождении через щели кожуха, распределяется по поверхности многослойной фильтровальной сетки, после чего проходит через отверстия в корпусе.

В процессе нагнетания пара с увеличением температуры композитный фильтр расширяется в объеме в радиальном и осевом направлениях. В горизонтальном стволе осевое термонапряжение композитного фильтра более опасно по сравнению с радиальным и объемным, и его необходимо контролировать, чтобы не допустить деформацию и разрушение фильтра.

Обычно термонапряжение композитного фильтра рассматривается только относительно основного корпуса, без учета термонапряжения внешнего кожуха композитного фильтра и фильтровальной сетки.

Как правило, внешний кожух, фильтровальная сетка и корпус фильтра производятся из разных материалов. Для того чтобы точно рассчитать температурное удлинение фильтра, необходима

модель теплового напряжения композитного фильтра с учетом взаимодействия напряжения между внешним кожухом, фильтровальной сеткой и корпусом.

Фильтровальные сетки производятся из нержавеющей стали и имеют свойство сильной деформации, поэтому влияние фильтровальной сетки на общую термическую стабильность композитного фильтра можно игнорировать. Таким образом, при расчете модели теплового напряжения можно учитывать только взаимодействие между внешним кожухом и основным корпусом.

В процессе нагнетания пара при увеличении температуры происходят деформация и терморасширение кожуха и корпуса. Степень деформации зависит от их коэффициента линейного теплового расширения и температуры забоя (1) и (2):

е1 = а1АТ, (1)

е2 = а2Д7\ (2)

где е1 - степень деформации корпуса; е2 - степень деформации кожуха; а1 - коэффициент линейного теплового расширения корпуса; а2 - коэффициент линейного теплового расширения кожуха; ДГ - изменение температуры, °С.

Так как корпус и кожух могут свободно расширяться в радиальном направлении и по окружности, радиальное тепловое и окружное тепловое напряжение равны нулю. Для взаимодействия между корпусом и кожухом рассматривается

только осевое тепловое напряжение, вызванное действием точки спайки.

Предполагая, что между корпусом и внешним кожухом не существует ограничений, можно рассчитать их осевое удлинение:

АЦ = а1АТ±, (3)

АЦ = а2АТ±, (4)

где L - длина фильтра, мм; ДL1 -свободное удлинение корпуса, мм; Д^ - свободное удлинение кожуха, мм.

Если а1 > а2, то Д^ > Д1Г Тем не менее, поскольку корпус и кожух зафиксированы сваркой, они не могут перемещаться относительно друг друга в осевом направлении. В результате этого осевое расширение корпуса меньше, чем свободное удлинение, а осевое расширение внешнего кожуха больше, чем свободное удлинение; то есть корпус фильтра подвергается осевому сжимающему напряжению а1, а соответствующая деформация следующая: е'1 = <1/Е1. Укорочение корпуса, вызванное < составляет е'11 = ст11/Е1. Внешний кожух подвергается осевому растягивающему напряжению ст2. Эффект соответствующей деформации: е'2 = <<2/Е2. Расширение внешнего кожуха, вызванное <2, составляет: = <2-1/Е2, поэтому окончательное удлинение корпуса и кожуха следующее:

ос^Д Т^ + е^ =

= а1-Д7Ч + ^ , (5)

а2АТ± + г2± =

А -г. <5,-1

= а2-Д7Ч + -|-, (6)

где Е1 - модуль упругости корпуса фильтра; Е2 - модуль упругости кожуха фильтра; <1 - напряжение, действующее на корпус от внешне -го кожуха, МПа; <2 - напряжение, действующее на внешний кожух от корпуса, МПа.

ГРАСИС

Российская научно-производственная компания «Грасис» -ведущий производитель и ЕРС-подрядчик в области газоразделения в СНГ и Восточной Европе.

Блочные

компрессорные станции

Применение:

■ сжатие углеводородных газов, азота, воздуха и др. для различных технологических нужд;

■ обеспечение буферным природным газом СГДУ ГПА;

■ подготовка барьерного воздуха для СГДУ ГПА;

■ питание пневмоарматуры и приборов КИПиА;

• подключение пневмоинструмента, технический воздух.

Стационарные и передвижные азотные станции

Применение:

• продувка азотом систем трубопроводов;

• испытание и ремонт технологического оборудования;

• наддув азота в технологические емкости («азотное дыхание»);

• подача азота на газодинамические уплотнения ГПА компрессорных станций;

• питание пневмоарматуры.

17

лет

опыта производства

Более 1000 I

выполненных проектов

Выполнение программ импортозамещения

НПК «Грасис»

Тел./факс: +7 (495) 777-77-34 Е-плаП: info@grasys.ru

www.grasys.ru

Установки подготовки природного и попутного нефтяного газа

Применение:

■ подготовка топливного газа;

■ подготовка газа для сдачи в газотранспортную систему;

■ осушка и отбензинивание газа, удаление серосодержащих соединений и С02;

■ выделение гелиевого концентрата из природного газа.

на правах рекламы

<1 и <2 могут иметь положительные и отрицательные значения. Напряжение растяжения имеет положительное, а сжимающее напряжение - отрицательное значение. Фиксация сваркой уравнивает осевое удлинение корпуса и удлинение внешнего кожуха:

a1ATL +

= а2Д7Ч + —2—

(7)

с^Д = -g2A2 ,

(8)

a^Ej-АГ

с ^ 1_а2

V

a

1 У

д2е2

(9)

а^Е^АТ

г \ 1_а2

=

V

a

1

1 +

Ml А2Е2

-. (10)

ß=

1_aL «2

1 +

(11)

aj-Ej-Ar

f \ 1_a2

а

i / _

= -ß-oCj-Ej-ДГ,

42E2

(12)

aj-Ej-AV

^ л

a

ö2 =

i /

A _

i +

A2-E2

Для расчета оптимального распределения термокомпенсаторов определяют свободное удлинение фильтра:

= ß-oCj-Ej-AT-^-

(13)

AL = a1ATL +

М-

= (l-ß>a1-Ar-L,

(15)

В этот момент они находятся в равновесии, а сжимающая сила на корпусе равна растягивающей силе на внешнем кожухе:

где А1 - площадь поперечного сечения корпуса, м2; А2 - площадь поперечного сечения кожуха, м2.

Когда коэффициент удержания Р > 0, а1 > а2, <1 < 0, <2 > 0, то корпус фильтра несет сжимающее, а внешний кожух - растягивающее напряжение. Когда коэффициент удержания р < 0, а1 < а2, <1> 0, <2 < 0, то корпус фильтра находится под растягивающим, а кожух - под сжимающим напряжением.

Осевое тепловое напряжение на корпусе композитного фильтра выражается так:

где Д1. - свободное удлинение фильтра, мм.

Для паронагнетательных скважин с длинными горизонтальными участками необходимо учитывать влияние изменений температуры вдоль ствола скважины, т. к. температура горизонтального участка постепенно уменьшается вдоль ствола скважины:

ок = aj-Ej-AT-Ö! = = (l-ß)-a1-E1-Ar.

Т(х) =

^min , у т

(16)

(14)

В случае неравномерного распределения температуры вдоль ствола скважины рассчитываются количество и оптимальное распределение термокомпенсаторов в зависимости от неоднородности температуры и теплового напряжения.

где х - горизонтальное смещение от начала композитного фильтра, м; Т - температура в начале ком-

max ~ J ~

позитного фильтра, °C; T - тем -

т г > > min

пература в конце композитного фильтра, °C.

В случае, когда температура горизонтального участка постепенно линейно уменьшается вдоль ствола скважины, свободное удлинение

Определяем р как коэффициент удержания между корпусом и внешним кожухом:

Рис. 3. Свободное удлинение композитного фильтра и корпуса Fig. 3. Free elongation of composite filter and housing

в любом положении фильтра может быть получено с использованием интегральных расчетов:

AL(x) = J[l-p(x)]x

о

xoq (x)-A7"(x)-dx,

(17)

где ДL(х) - свободное удлинение фильтра из-за термонапряжения в положении х, мм; а^х) - коэффициент линейного расширения металла в положении х; ДТ(х) -увеличение температуры в положении х, °С.

Метод проектирования распределения термокомпенсаторов вдоль ствола включает следующее:

- определение температуры в конце и в начале горизонтальной секции в процессе нагнетания пара для построения зависимости изменения температуры вдоль ствола скважины;

- расчет свободного удлинения композитного фильтра под влиянием температуры;

- разделение горизонтальной секции на разные части в соответ-

0,80 0,75 0,70 0,65 0.60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0

/

Y

/

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

длина горизонтального участка скважины, м Length of the horizontal section of the well, m

неравноотстоящая установка nonequidistant installation равноотстоящая установка equidistant installation

Рис. 4. Местоположение компенсатора Fig. 4. Compensator location

ствии с интегральным уравнением и компенсационной способностью термокомпенсатора, когда ДL (х) достигает компенсационной способности термокомпенсатора в первый раз и в последующие, где область от 0 до х1 - первая

часть горизонтальной секции, от х1 до х2 - вторая и т. д.;

- установка первого термокомпенсатора в среднее положение первой части, второго термокомпенсатора - в среднее положение второй части и т. д.

Местоположение компенсатора равноотстоящей и неравноотстоящей установки

в горизонтальной скважине протяженностью свыше 200 м

The location of the compensator equidistant and nonequidistant installation

in a horizontal well with a length of over 200 m

Наименование установки компенсатора Положение компенсатора в скважине, м Location of the compensator in a well, m

Name of the compensator installation I II III IV

Равноотстоящая Equidistant 25,0 75,0 125,0 175,0

Неравноотстоящая Nonequidistant 15,35 48,69 88,49 140,0

Погрешность, м Accuracy, m 9,36 26,31 36,51 35,0

ПРИМЕР РАСЧЕТА

На Бохайском нефтяном месторождении (КНР) находится горизонтальная скважина с открытым забоем. На горизонтальном участке скважины предусмотрен монтаж композитного фильтра. Длина горизонтального участка скважины составляет 190 м, компенсационная длина композитного фильтра колеблется в пределах 150-300 мм. В процессе нагнетания пара температура горизонтального участка варьирует в пределах 320-250 °С. Наружный диаметр корпуса фильтра составляет 73,03 мм, внутренний диаметр корпуса - 57,39 мм, наружный диаметр фильтровального кожуха - 100,08 мм, внутренний диаметр фильтровального кожуха - 98,20 мм. Материал кожуха - нержавеющая сталь марки AISI 316, корпус фильтра выполнен из стали марки N80 (N80 стальной обсадной трубы - один из важнейших инструментов, используемых в бурении нефтяных скважин, API SPEC 5CT).

«мае = (-0,00043163t2 - 0,22482t - 3,66474)l0"6,

EN80 = (2,13208-0,0025902t)-105, Xll6 = 17,69 sin (0,001274t +103)-10 6,

где EN80 - модуль упругости стали марки N80, aN80 - коэффициент линейного теплового расширения стали марки N80, Х316 - коэффициент линейного теплового расширения стали марки 316.

Расчеты свободного удлинения композитного фильтра и корпуса с повышением температуры показаны на рис. 3. Можно видеть, что

существует значительная разница в их свободном удлинении. Максимальная погрешность свободного удлинения фильтра достигает 60 мм. Это доказывает, что при анализе термического напряжения композитного фильтра необходимо учитывать влияние фильтровального кожуха.

В соответствии с указанным методом можно рассчитать количество необходимых термокомпенсаторов и местоположение установки. Результат показан на рис. 4 и в таблице. Из моделирования видно, что установка компенсатора не должна быть равноотстоящей. Для скважины с горизонтальным участком протяженностью свыше 200 м максимальная погрешность равноотстоящей установки достигает 36,51 м по сравнению с неравноотстоящими установками.

ВЫВОДЫ

И РЕКОМЕНДАЦИИ

При расчетах термонапряжения композитного фильтра необходимо учитывать различия деформации корпуса и кожуха фильтра.

Равномерное размещение по горизонтальному стволу термокомпенсаторов может привести к деформации кожуха фильтра. Предложенная методика расчета мест установки термокомпенсаторов предполагает сокращение расстояния между ними в области высоких значений температуры и увеличение расстояния в низкотемпературном интервале. ■

ЛИТЕРАТУРА

1. Подгорнов ВМ. Технологические принципы проектирования пологих и горизонтальных забоев добывающих скважин. Вестник Ассоциации буровых подрядчиков. 2016; № 1: 7-11.

2. Mabaraj G. Thermal well casting failure analysis. SPE Latin America. Caribbean Petroleum Engineering Conference. Society of Petroleum Engineers, 1996. Режим доступа: ограниченный.

3. Qingjian L. Casing thermal stress and well head growth be haviors analysis [R] SPE 157977, 2012. Режим доступа: ограниченный.

4. Toma P, Livesey D, Heidrich T. New sand-contral filter for thermal recovery wells. SPE Production Engineering. 1988; 3 (2): 249-357.

5. Чичеров ЛГ. Нефтепромысловые машины и механизмы. М.: Недра; 1983; 222-223.

REFERENCES

1. Podgornov VM. Technological principles for the design of flat and horizontal faces of producing wells. Vestnik assotsiatsii burovikh podryadchikov = Bulletin of the Association of Drilling Contractors. 2016; No. 1: 7-11.

2. Mabaraj G. Thermal well casting failure analysis. SPE Latin America. Caribbean Petroleum Engineering Conference. Society of Petroleum Engineers, 1996. Available from: limited.

3. Qingjian L. Casing thermal stress and well head growth be haviors analysis [R] SPE 157977, 2012. Available from: limited.

4. Toma P, Livesey D, Heidrich T. New sand-contral filter for thermal recovery wells. SPE Production Engineering. 1988; 3 (2): 249-357.

5. Chicherov LH. Oilfield machines and mechanisms. M.: Nedra; 1983; 222-223.