Создание внутрискважинных герметизаторов с многослойными эластичными оболочками для строительства, освоения и ремонта скважин

Актуальность проблемы. Проблема герметизации нефтяных и газовых скважин в процессе бурения, освоения и последующей эксплуатации, в том числе при капитальном ремонте, не утрачивает своей актуальности. В последнее время в нефтегазодобывающей отрасли наблюдается интенсификация добычи нефти и газа. Поэтому остро стоит задача обеспечения безопасности технологических процессов в нефтегазодобывающей отрасли и предотвращения негативного воздействия на природу. Проблемы безопасности возрастают в связи с развитием бурения горизонтальных скважин.

Объектом исследования данной работы являются уплотнительные элементы внутрискважинных герметизаторов (пакеров), их состояние и работоспособность в условиях подготовки и проведения различных операций по разобщению ствола скважины в процессе воздействия на продуктивный пласт.

За последние годы в нефтегазовой отрасли достигнуты определённые успехи как в области конструктивных решений и технологии применения, так и в области теоретических исследований работоспособности уплотнительных элементов внутрискважинных герметизаторов. Однако многие конструкции уплотнителей не соответствуют требованиям надёжности в эксплуатации. Теоретические исследования не раскрывают в полной мере механизма работоспособности уплотнительного элемента. Нет обобщающего комплексного подхода к функционированию уплотнителей.

Актуальность темы

исследования определяется двумя обстоятельствами.

Во-первых, необходимостью обеспечения надёжной герметизации скважины, обусловленной такими свойствами материала уплотнительного элемента, которые позволяли бы достигать максимального контакта его наружной поверхности со стенками скважины для создания между ними надёжного уплотняющего эффекта. При этом должно выполняться условие не выдавливания уплотнительного элемента в уплотняемый зазор, что исключает прихват инструмента в скважине.

Во-вторых, решение задачи надёжной герметизации ствола скважины не должно вступать в противоречие с необходимостью безаварийного извлечения внутрискважинного инструмента из скважины, что обеспечивается, в свою очередь, способностью уплотнительного элемента сохранять первоначальную форму после снятия нагрузок и возвращаться в транспортное положение, за счёт упругих свойств материала, из которого он изготовлен.

В этой связи изучение свойств и механизма работоспособности уплотнительных элементов внутрискважинных герметизаторов вызывает интерес своей противоречивостью между процессом разобщения ствола скважины и необходимостью извлечения инструмента. Задача устранения этих противоречий — это сложная научно-техническая проблема, поскольку применение внутрискважинных герметизаторов ведётся во всё более осложнённых условиях — рост глубин, освоение шельфовых месторождений, строительство многоствольных, наклонных и горизонтальных скважин, повышение экологических требований к технической безопасности. Незначительные упущения в технологической цепи поиска и добычи углеводородного сырья, может привести к непредсказуемым техногенным последствиям. Именно поэтому исследование по повышению надёжности и долговечности уплотнительных элементов внутрискважинных герметизаторов актуально как в техническом, так и в научном аспекте. Исследование должно сопровождаться созданием новых схемно-конструктивных решений и принципов действия пакеров.

Усложнение условий эксплуатации, новейшие технологии проводки обустройства и последующего ремонта нефтегазовых скважин предопределяют необходимость создания принципиально новых внутрискважинных герметизаторов, работоспособных в осложнённых условиях, в том числе в горизонтальных скважинах, при повышенных давлениях и температурах.

Цель исследования. Разработать новые схемно-конструктивные решения и обосновать показатели работоспособности уплотнителей внутрискважинных герметизаторов на основе многослойных эластичных оболочек, провести необходимые теоретические и экспериментальные исследования.

Объект и предмет исследования. Многослойные уплотнительные элементы внутрискважинных герметизаторов, методы обеспечения их высокой надёжности. Напряжённо-деформированное состояние многослойных уплотнительных элементов, её решение и интерпретация методами теории упругости с элементами оптимизации уплотнительных элементов. Экспериментальные исследования эффективности новых технических решений.

Научная новизна. Обосновано новое направление в создании и совершенствовании уплотнительных элементов внутрискважинных герметизаторов на основе многослойных эластичных оболочек, работающих в осложнённых условиях при бурении, освоении и ремонте нефтегазовых скважин. Разработана математическая модель напряжённо-деформированного состояния многослойных уплотнительных элементов на основе линейной теории упругости с учётом потенциала Ламе, как функции напряжения являющейся решением уравнения Лапласа полого цилиндра в замкнутом объёме при осесимметричном нагружении. Установлено, что методы линейной теории упругости в сочетании с экспериментальным методом характера напряжений позволяют изучать работоспособность резиноёмких внутрискважинных уплотнителей и решать задачи их оптимизации. Новизна технических решений защищена изобретениями.

Достоверность разработанных положений, выводов и рекомендаций подтверждена практикой конструирования, решением аналитических задач на ЭВМ, испытаниями на стенде с имитацией жёстких условий эксплуатации, а также апробацией на научных и научно-практических конференциях, изготовлением и апробацией образцов в составе установок, работающих в реальных условиях, а так же апробацией на научных конференциях.

Практическая значимость. Создан многослойный уплотнительный элемент, применение которого позволяет увеличить перепад воспринимаемого давления и значительно уменьшить предварительные сжимающие нагрузки, необходимые для установки инструмента в скважине. Это позволяет перераспределить и снизить контактные напряжения между пакером и обсадной колонной, повысить эластичность и приспособляемость уплотнителя, предотвратить нерациональный износ и выдавливание в уплотняемый зазор резины, а также расширить диапазон технологических операций, увеличивающих нефтеотдачу. Для повышения надёжности работы и отработки конструктивных решений по уплотнителям создано стендово-испытательное оборудование с имитацией жёстких условий эксплуатации в скважине.

На защиту выносится:

1) многослойный уплотнитель, обладающий возможностью деформироваться при переходе из транспортного положения в рабочее при меньших нагрузках;

2) аналитический метод определения распределения внутренних напряжений в монолитном и многослойном уплотнителях;

3) стендово-испытательный комплекс для исследования напряжённо-деформированного состояния уплотнителей внутрискважинных герметизаторов;

4) сравнительные результаты экспериментальных исследований серийных и многослойных уплотнителей.

Реализация работы. Стендово-испытательное оборудование изготовлено и использовалось в ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть». Создан многослойный уплотнительный элемент.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (2001, первая премия) — международном научном симпозиуме «Безопасность жизнедеятельности, XXI век» (Волгоград, 2001) — научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «ТюменНИИгипрогаз» (2002, диплом 3-й степени и грамота) — Экологических чтениях (Волгоград, 2002) — научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (М., РГУ нефти и газа, 2003,2005,2007) — международной научной конференции молодых учёных «Организация и управление на предприятиях нефтегазового комплекса» (С.-Пб., 2001) — научно-практической конференции «Проблемы обустройства морских нефтегазовых месторождений северного Каспия и Балтики» (Волгоград, 2003) — научных конференциях Волгоградской ГСХА (2001) и Волгоградской ГАСУ (2004, 2005), научно-технической конференции ООО «ЛЖОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть» (2003), молодых учёных и специалистов.

В полном объёме диссертация доложена и обсуждена на научных семинарах Волгоградской ГСХА, ООО «ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть».

Разработки автора демонстрировались на: межрегиональной выставке «Оборудование. Нефть. Газ. Химия» в экспозиции ООО «ЛУКОИЛ-ВолгоградНИПИморнефть» (Волгоград, 2002, экспозиции. — первое место, автору — свидетельство) — выставке предприятий Москвы и Волгограда, секция «Наука Волгограда — производству» (Волгоград, 2002).

Публикации. С участием автора по теме диссертации опубликовано 29 работ, из них 5 патентов РФ на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников -158 наименований, содержит 128 страниц машинописного текста, 82 рисунка, 6 таблиц, 3 приложения.