ОБСАДНАЯ ТРУБА ДЛЯ СКВАЖИН В ИНТЕРВАЛЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
CASING PIPE FOR WELLS IN PERMAFROST INTERVAL

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и предназначено для предотвращения смятия обсадных колонн нефтяных и газовых скважин при их консервации и ликвидации в регионах распространения многолетнемерзлых пород (ММП).
Общеизвестно, что продолжительные периоды строительства и эксплуатации глубоких скважин на Севере являются источником растепления (оттаивания) прилегающих к ним ММП, потери устойчивости и герметичности верхних частей скважин, а также заколонного газопроявления при расположении газогидратных залежей в процессе оттаивания ММП. Консервация, ликвидация скважин в северных регионах приводят к процессам обратного промерзания вокруг них переувлажненных пород в виде цилиндров, необходимости проведения специальных мероприятий по предупреждению, предотвращению, а в случаях необходимости - устранению последствий смятия, разгерметизации обсадных колонн, газопроявлениям (грифонам) из аварийных скважин.
Известна обсадная труба [1], имеющая металлический гофрированный каркас, когда образующая внешней поверхности каркаса представляет собой волнистую линию.
Недостатком такой трубы является то, что сама труба является стандартной, и в случае повреждения каркаса или недостаточной прочности материала между каркасом и трубой труба будет смята ММП при их растеплении и повторном замерзании.
Известно выполнение заготовки для изготовления цилиндрической оболочки с поверхностью из гофрированного профиля, которая может быть использована для изготовления труб различного назначения, причем гофры выполнены поперечными с треугольным сечением [2].
Недостатком такой заготовки является то, что соединение в цилиндрическую поверхность заготовки осуществляется с помощью сварки, что не обеспечивает требуемую прочность трубы, особенно при действии сил со стороны ММП. Да и сама конструкция заготовки малопрочна.
Наиболее близкой к предлагаемой является обсадная труба с равномерно расположенными по периметру трубы продольными ребрами для повышения устойчивости на смятие от воздействия боковых сил грунта, в частности от ММП [3].
Недостатком такой обсадной трубы является малая ее прочность при действии сминающих нагрузок при замерзании воды в ММП, так как ребра располагаются не по всей внешней поверхности, а только по ее части, и ребра располагаются вдоль трубы, что не обеспечивает полную взаимную компенсацию давлений, действующих на ребро с обеих ее сторон (часть из них будет передаваться на поверхность трубы).
Задачей изобретения является устранение недостатков, указанных в отмеченных выше обсадных трубах, в том числе и в прототипе.
Технической задачей является разработка обсадной трубы, обеспечивающей предохранение обсадных колонн от смятия при обратном промерзании в зоне ММП.
Поставленная задача решается описываемой конструкцией обсадной трубы, внешняя поверхность которой выполнена последовательным чередованием перпендикулярных продольной оси трубы колец в виде выступов и впадин треугольной формы в сечении с определенным оптимальным углом при вершине, причем чем меньше угол при вершине выступов и впадин, тем меньшая сила будет действовать в радиальном направлении труб при вторичном замерзании талых пород, или образующая внешней поверхности трубы выполнена в виде волнистой линии.
Анализ отобранных известных технических решений, обнаруженных в ходе патентных исследований, показал, что на дату подачи заявки объекты, охарактеризованные такой совокупностью существенных признаков и которые, при их использовании, приводили бы к достижению более высокого технического результата, как у предложенного, не обнаружены, что позволяет сделать заключение о соответствии заявленного объекта критериям «Новизна» и «Изобретательский уровень». А его промышленная применимость подтверждается описанием его осуществимости.
Представленные рисунки поясняют суть изобретения, где на фиг.1 изображена форма боковой поверхности обсадной трубы, а на фиг.2 - схема сил, действующих на грани кольца.
ср
На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемой трубы с выступами 1, окруженной талой породой 2. Труба имеет средний диаметр Д. При замерзании талой породы будет развиваться давление Р, действующее во всех направлениях одинаково.
в1
г1
в2
г2
в1
в2
На фиг.2 показано предлагаемое кольцо высотой Н и углом при вершине 2α. Давление Р направлено по нормали к граням кольца и раскладывается на составляющие: Р и P на верхнюю грань (как показано на чертеже), Р и Р - на нижнюю грань. Так как вертикальные составляющие Р и Р на верхней и нижней гранях направлены навстречу друг другу, то они уравновешивают друг друга внутренними напряжениями в металле кольца. Из треугольника сил (фиг.2) видно, что
в1
в2
P=Р=Р×cosα. Если α=30°, то cos30°=0,866.
в1
в2
Тогда вертикальные составляющие Р=Р=0,866Р.
г1
г2
Горизонтальные составляющие P=Р=Psinα. sin30°=0,5.
Получается, что при угле при вершине выступа в 30 градусов горизонтальная составляющая давления Р, которая сминает обсадные трубы, уменьшается в два раза по сравнению с тем, когда вся сила Р направлена перпендикулярно продольной оси трубы. Это происходит, когда внешняя боковая поверхность трубы ровная (фиг.2). Но при этом нужно иметь в виду, что внешний диаметр трубы будет увеличен на две высоты выступов.
Примерно то же самое будет происходить, когда боковая внешняя поверхность трубы выполнена в виде волнистой линии. В этом случае не будет наблюдаться концентрация напряжений на кончиках выступов и на дне впадин.
Предлагаемая конструкция обсадной трубы с кольцами в виде выступов и впадин треугольной формы в сечении или с волнистой формой образующей позволяет резко уменьшить давление, появляющееся при обратном промерзании многолетнемерзлых пород, и предотвратить смятие обсадных колонн в интервале вечной мерзлоты.
Источники информации
1. Патент РФ №19848. Конструкция опоры контурного типа с армирующим элементом.
2. Авторское свидетельство СССР №1362537. Заготовка для цилиндрических оболочек.
3. Патент РФ №2010942. Обсадная труба.