Підвищення ефективності експлуатації ліфтових колон свердловин підземних сховищ газу

Abstract

Дисертація присвячена підвищенню ефективності експлуатації ліфтових колон свердловин підземних сховищ газу за рахунок запобігання розгвинчуванню колон шляхом зниження амплітуд їхніх коливань і раціонального добору моментів згвинчування. Розроблені математичні моделі вільних і вимушених коливань ліфтової колони, що виникають під час експлуатації свердловин, обґрунтовані раціональні значення коефіцієнта жорсткості віброізолятора, з'ясований вплив параметрів віброізолятора на розподіл крутних моментів по довжині колони. Із застосуванням теорії товстостінних оболонок і гіпотези про еквівалентну заміну витків різі пружними прошарками типу основи Вінклера побудовані математичні моделі напружено-деформівного стану елементів муфтового з'єднання, що дає можливість обґрунтовувати допустимі моменти згвинчування. Експериментально визначені амплітудно-частотні характеристики вібрацій ліфтових колон. Запропоновані технічні рішення і практичні рекомендації, спрямовані на запобігання розгвинчуванню ліфтових колон.

Диссертация посвящена повышению эффективности эксплуатации лифтовых колонн, установленных на скважинах подземных хранилищ газа, за счёт предупреждения разгвинчивания колонн путем снижения амплитуд их колебаний и рационального выбора моментов свинчивания. Разработаны математические модели и алгоритмы расчета свободных и вынужденных продольных, крутильных и поперечных колебаний лифтовой колонны. Проанализированы собственные частотные спектры, собственные формы колебаний, а также амплитудно-частотные характеристики гармонических вынужденных колебаний. Выявлена высокая вероятность возникновения резонансных явлений. Показана целесообразность виброизоляции нижнего конца колонны, определены рациональные значения коэффициента жёсткости виброизолятора. Предложена математическая модель вынужденных поперечно-крутильных колебаний лифтовой колонны с учетом её динамического взаимодействия с колонной обсадных труб, ось которой имеет отклонения от прямой линии. Расчет колебательных процессов выполняется методом конечных элементов. Показано, что работа лифтовой колонны сопровождается её ударениями об стенку скважины, вызывающими появление крутящих моментов, способствующих разгвинчиванию колонны. Виброизоляция нижнего конца колонны даёт возможность существенно уменьшить амплитуды колебаний и практически устранить влияние крутящих моментов на условия работы муфтовых соединений. С использованием уточненной теории оболочек вращения и гипотезы о эквивалентной замене витков резьбы упругим слоем типа основания Винклера построены математические модели напряжённо-деформированного состояния элементов муфтовых соединений насосно-компрессорных труб. Разрешающие уравнения получены с использованием вариационно-аналитического метода теории упругости с повышенной точностью определения распределения перемещений и напряжений в муфте и соединяемых трубах в радиальном направлении. В отличие от классической теории оболочек, данный подход дает возможность адекватно отображать не только напряжённо-деформированное состояние, но и контактные напряжения в зоне резьбового слоя и определять связанные с этими напряжениями допускаемые моменты свинчивания. Достаточную точность расчёта напряжённо-деформированного состояния, а также возможность исследования краевых эффектов в зоне контакта трубы и муфты обеспечиваем за счет рационального выбора базисных функций. Для определения параметров упругого слоя используется метод конечных элементов. Показано, что для обеспечения достаточной точности определения коэффициента постели необходимо учитывать взаимное проскальзывание витков резьбы. Анализ напряжённо-деформированного состояния элементов соединения, проведенный с учётом действия взаимносвязанных распорных сил и крутящих моментов, показывает, что наибольшие значения имеют окружные напряжения как в трубах, так и в муфте. Следовательно, прочность основного материала элементов конструкции определяется распорными нагрузками. Увеличение момента свинчивания, а также увеличение жёсткости промежуточного слоя приводит к локализации напряжений на границах резьбовых участков и к возрастанию максимальных напряжений. Разработанная методика анализа напряжённо-деформированного состояния использована для определения эквивалентных напряжений и оценки прочности элементов конструкции. На основании расчета контактных напряжений в зоне взаимодействия трубы с муфтой найдены рациональные значения моментов свинчивания соединений при различных эксплуатационных условиях. Показано, что этот момент можно существенно увеличить по сравнению с традиционным. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования вибраций лифтовых колонн на скважинах подземных хранилищ газа во время отбора газа и во время его закачивания. Экспериментально подтверждено, что лифтовая колонна в процессе работы осуществляет пространственные колебания. Большие уровни вибраций свойственны процессам отбора газа, меньшие -процессам закачивания. Амплитуды поперечных колебаний нижней части колонны значительно превышают амплитуды продольных и крутильных колебаний. В процессе экспериментальных исследований установлено, что наибольшие уровни вибраций наблюдаются в диапазоне частот 5-30 Гц. Колебания с меньшими амплитудами проявляются на частотах 30-100 Гц. Экспериментальные зависимости амплитуд колебаний лифтовой колонны от продольной координаты с достаточной точностью соответствуют аналогичным зависимостям, полученным теоретическим путём. С целью обеспечения работоспособности лифтовых колонн подземных газохранилищ разработаны и защищены патентами конструкция стопорного устройства для предупреждения развинчивания муфтового соединения, а также конструкция виброизолятора лифтовой колонны. Разработана методика расчета плоских пружин виброизолятора как криволинейных стержней с одновременным учётом условий прочности и условий жёсткости. Показана целесообразность жесткого крепления пружин на опорных кольцах виброизолятора. Разработана методика импульсно-волновой диагностики плотности муфтовых соединений лифтовых колонн, которая может использоваться во время проведения профилактически-ремонтных работ на скважине.

The dissertation is devoted to the increase in effectiveness of operation of lift columns of wells used in Underground gas storages at the expense of preventing unscrewing of the columns by means of decreasing amplitudes of their oscillation and rational choice of screwing moments. Mathematical models of natural and forced vibration of the lift column emerging during operation of wells are developed; optimal values of stiffness coefficient of the vibration isolator are substantiated, the influence of vibroisolator parameters on the distributin of tokgue moments along the column. Applying thick shells theory and hypothesis on equivalent substitution tuns of theading by elastic layers of Vinklers base type, mathematical models of the stress-strain state for the elements of threading couplng are elaborated, this enables us to substentiate the optimal screwing moments. Amplitude-frequency characteristics of lift columns vibrations are experimentally obtained. Technical decisions and practical recommendations aimed at preventing unscrewing, of lift columns are suggested.