Определение требований к прочности цементного камня за обсадной колонной паронагнетательных скважин с помощью Ansys

О проекте

  • Определение требований к прочности цементного камня за обсадной колонной паронагнетательных скважин с помощью Ansys
  • АО «Гипровостокнефть»
  • Нефтегаз
  • 2016 год

Определение требований к прочности цементного камня за обсадной колонной паронагнетательных скважин с помощью Ansys

АО «Гипровостокнефть» – один из ведущих проектных исследовательских институтов в сфере нефтяной и газовой промышленности. Специалистами института выполнено более пяти тысяч проектов технологического обустройства месторождений. По проектам АО «Гипровостокнефть» введено в эксплуатацию свыше трех тысяч нефтяных и газовых месторождений в России и за рубежом, построено более 400 нефтегазопроводов. Кроме того, Обществом проведены геологические исследования, подсчеты запасов углеводородного сырья, составление проектов, схем, анализов разработки нефтегазовых месторождений.

При эксплуатации месторождений одной из наиболее важных задач является обеспечение герметичности и надежности конструкции скважины. В случае нарушения целостности цементного камня могут происходить межколонные и межпластовые перетоки, что скажется не только на нарушении режима работы скважины, но и может нанести существенный ущерб окружающей среде. Особенно критично попадание углеводородов в водоносные горизонты, используемые для хозяйственно-бытовых нужд.

Описанные риски кратно выше в скважинах, эксплуатируемых с применением термических методов интенсификации нефтяных пластов.

Учитывая вышесказанное, специалисты АО «Гипровостокнефть» решили подойти к решению данной проблемы с использованием конечно-элементного моделирования, результаты которого могут дать более ясное представление о прочности важных элементов скважины, чем аналитические методики, для чего совместно со специалистами инженерно-консалтинговой компаний «МЦД» была сформулирована и решена задача на определение напряжённого состояния цементного камня при эксплуатации паронагнетательной скважины с температурой в скважине до 300 °С в течение длительного времени.

Конструкция скважины имеет следующий вид: в центре скважины находится термоизолированная насосно-компрессорная труба (ТНКТ), по который подается пар температурой 300 °С. ТНКТ конструктивно состоят из двух: внутренней и внешней труб, пространство между которыми заполнено изолятором. Повышенная прочность и применение деталей из нержавеющей стали в сочетании с высококачественными резьбами класса «премиум» позволяют получить надежные и эффективные теплоизолированные трубные конструкции. В межтрубном пространстве размещена многослойная экранно-вакуумная тепловая изоляция. После внешней наружной трубы идет воздушная прослойка, обсадная труба большего диаметра и цементный камень.

Сечение скважины с насосно-компрессорной трубой (НКТ)
Рисунок 1. Сечение скважины с насосно-компрессорной трубой (НКТ)

В период эксплуатации скважины пространство между обсадной колонной и ТНКТ может быть заполнено жидкостью заканчивания, поэтому поставленная задача рассчитывалась в двух постановках: пространство между ТНКТ и обсадной колонной заполнено воздухом, пространство между ТНКТ и обсадной колонной заполнено жидкостью заканчивания.

Тепловая задача рассчитывалась в двумерной постановке в нестационарном анализе (модуль Transient Thermal). На внутренней стенке была задана постоянная температура 300 °С, расчет начинался с температуры 21 °С, время расчета составляло 1 месяц.

В случае с воздушной прослойкой за один месяц цементный камень прогревается до максимальной температуры 53 °С.

В случае прослойки с жидкостью заканчивания за один месяц цементный камень прогревается до максимальной температуры 242 °С.

Слева – распределение температур в скважине в случаях воздушной прослойки и справа – прослойки с жидкостью заканчивания
Рисунок 2. Слева – распределение температур в скважине в случаях воздушной прослойки и справа – прослойки с жидкостью заканчивания

Результаты теплового расчёта были автоматически импортированы в МКЭ-пакет для выполнения прочностного анализа (модуль Static Structural), где горная порода моделировалась с помощью упругой опоры, а тепловое распределение было принято на момент максимального прогрева. Результаты кольцевых напряжений прочностного анализа сравнивались с максимально допустимыми сжимающими напряжениями, которые может выдержать цементный камень.

В результате стационарного прочностного анализа были получены распределения напряжений для двух расчётных случаев. Получены максимальные напряжения для скважины с воздухом за ТНКТ и с жидкостью за ТНКТ.

Слева – распределение окружных напряжений с воздушной прослойкой и справа – с прослойкой с жидкостью заканчивания
Рисунок 3. Слева – распределение окружных напряжений с воздушной прослойкой и справа – с прослойкой с жидкостью заканчивания

Цементный камень при креплении скважин применяется двух видов: облегчённой плотности 1,60 г/см3 с максимальными допускаемыми напряжениями порядка 6,1 МПа и нормальной протности 1,92 г/см3 с максимальными допускаемыми напряжениями порядка 14,2 МПа.

Использование конечно-элементного моделирования позволило специалистам «МЦД» с высокой точностью и в короткие сроки оценить полное напряжённое состояние цементного камня при эксплуатации паронагнетательной скважины с температурой в скважине до 300 °С и выбрать наиболее оптимальный режим эксплуатации и требования к элементам конструкции скважины. В процессе работы были учтены все условия задачи, такие как геометрические, прочностные, физические характеристики всех элементов конструкции скважины.

В целом, проведённые расчёты, основанные на использовании программного комплекса ANSYS, позволяют выбрать необходимые прочностные характеристики цементов и, тем самым, снизить риски нарушения целостности крепи скважин на этапе проектирования, что позволяет обеспечить герметичность конструкции скважины и максимальный межремонтный период при различных режимах эксплуатации паронагнетательных скважин.

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00