СПОСОБ ОЦЕНКИ ПРЕДЕЛОВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
METHOD FOR DETERMINATION OF LIMITS OF FUNCTIONALITY OF THREADED CONNECTIONS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в целом к способу анализа пределов работоспособности группы резьбовых соединений с сопоставимыми характеристиками. Более точно, настоящее изобретение относится к способу проведения подобного анализа группы резьбовых соединений, связанному с фактором рабочей характеристики при ограниченном физическом испытании резьбовых соединений.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Добыча углеводородов, таких как нефть и газ, осуществляется на протяжении многих лет. Для добычи указанных углеводородов в системе добычи могут использоваться различные устройства, например трубчатые элементы, внутри скважины. Как правило, трубчатые элементы помещаются внутрь ствола скважины для обеспечения структурной опоры, зональной изоляции и для обеспечения сообщения между подземными формациями и наземными сооружениями. То есть трубчатые элементы могут обеспечивать пути потока для пластовых текучих сред, таких как углеводороды, внутри ствола скважины и к сооружениям, расположенным на поверхности. Поскольку эти трубчатые элементы представляют собой отдельные участки труб, два или несколько трубчатых элементов могут быть соединены друг с другом при помощи резьбовых соединений или сварки для осуществления функционального назначения внутри скважины.
Для резьбовых соединений используются две различные классификации, а именно соединения Американского Нефтяного Института, (АНИ) и улучшенные соединения. Соединения АНИ, как правило, основываются на захвате резьбовой составляющей в винтовую резьбовую канавку для достижения герметичности (см. патенты США №5411301 и 5212885). Альтернативно, улучшенные соединения,, как правило, основываются на уплотнении металл-металл, образованном резьбовыми соединениями, для обеспечения герметичности (см. патент США №6041487). Такие уплотнения металл-металл являются целой частью соединителей трубчатых элементов.
Независимо от классификации резьбовые соединения в стволе скважины, как правило, предназначены для поддержания структурной целостности и герметичной эксплуатации в течение срока службы скважины с учетом экологических норм и безопасности. Например, герметичность является одной из рабочих характеристик резьбового соединения, которая описывает способность трубчатых элементов содержать резервуар под давлением или нагнетаемую. На герметичность резьбовых соединений влияют, среди прочих, транспортируемые жидкости, температура, давление, растягивающие и сжимающие усилия, изгиб, обработка поверхности, резьбовая смазка, свойства основного материала, геометрия соединения, момент свинчивания и прочие факторы. Также резьбовые соединения подвергаются различным условиям в ходе завинчивания, в ходе помещения в ствол скважины и/или в ходе производства и циклических нагнетательных нагрузок. По существу, герметичность является одним из показателей работоспособности, который может быть вычислен в ходе анализа резьбовых соединений, образованных различными трубчатыми элементами.
Для анализа работоспособности резьбовых соединений известны различные способы. Один из способов анализа рабочих характеристик резьбового соединения заключается в физическом испытании резьбового соединения при возможных условиях, ожидаемых на протяжении его срока службы. Для данного способа необходимо учитывать возможные работы на месте для обеспечения эксплуатационных показателей, которые точно отображают окружающую среду, в которой наиболее вероятно будут использованы резьбовые соединения. Из-за своей сложности физические испытания являются дорогостоящими и отнимают много времени, зачастую занимая несколько месяцев при стоимости в несколько сотен тысяч долларов.
Второй способ анализа работоспособности резьбового соединения может включать в себя анализ способом конечных элементов. При помощи анализа способом конечных элементов можно получить контактные характеристики элементов соединения (т.е. уплотнения «металл-металл», резьбы и т.д.), а также реакцию резьбового соединения на растяжение-сжатие при различных условиях нагружения. Несмотря на то, что анализ способом конечных элементов не является дорогостоящим и не отнимает много времени, получение рабочих характеристик резьбового соединения на основании лишь расчетных критериев может быть недостоверным. Например, анализ способом конечных элементов не охватывает микромеханизмы, такие как поверхностные взаимодействия в ходе закручивания. При некоторых оценках получается ложный положительный результат, показывающий, что вычисленный критерий отвечает определенной нагрузке, но последующие физические испытания показывают, что резьбовое соединение не обладает вычисленными рабочими характеристиками. При других оценках физические испытания могут выявить подходящие рабочие качества, в то время как расчетный критерий анализа способом конечных элементов может быть неудовлетворительным. В конечном счете, хотя анализ способом конечных элементов может быть использован для получения реакции на растяжение-сжатие, он не может быть использован для точного получения влияния определенных параметров, таких как резьбовая смазка или обработка поверхности, на работоспособность. По существу, хотя применение лишь анализа способом конечных элементов для анализа работоспособности резьбового соединения снижает количество времени и стоимость для определения подходящих резьбовых соединений для данного применения, каждое резьбовое соединение, как правило, отдельно подвергается физическому испытанию для обеспечения надлежащей работоспособности.
Третий способ анализа работоспособности резьбового соединения заключается в применении анализа способом конечных элементов в комбинации с ограниченным физическим испытанием (см. документ №23904 (1992) Общества инженеров-нефтянников Американского института горных инженеров "Оценка улучшенных резьбовых соединений при помощи анализа способом конечных элементов и полномасштабного испытания", Гилберта и пр.). В данном способе использована стандартная программа испытаний для оценки целостности резьбовых соединений. Результат такого типа оценки, как правило, действует для любого применения (т.е. не является определенным для отдельной скважины или условий нагружения). Однако распространение результатов одной программы испытаний одной геометрии соединения (т.е. диаметра и толщины стенки) на другую геометрию является сложным и проблематичным. Дополнительно, стоимость, связанная с оценкой работоспособности геометрически подобных резьбовых соединений, велика.
Пример такого способа включает промышленное применение критерия анализа способом конечных элементов для оценки герметичности в США в 2004 году. В этом случае критерий герметичности был получен из сравнения поведения на предмет появления утечек в уплотнении в ходе физического испытания с поведением, вычисленным путем анализа способом конечных элементов. Критерий анализа способом конечных элементов был применен к результатам анализа способом конечных элементов из последующих оценок соединений для получения комбинации нагрузки и давления, при которых ожидается надлежащая герметичность. Эти результаты были занесены в базу данных и использованы для принятия коммерческих решений о стоимости оборудования.
Более того, несмотря на то, что подход, описанный выше, как правило, использовался для анализа отдельных резьбовых соединений, в 2004 году он также был применен для оценки групп соединений в США. В данном применении физические испытания проводились над резьбовыми соединениями на геометрических границах группы. Результаты анализа способом конечных элементов были использованы в коммерческих целях для содействия интерполяции герметичности между этими границами для других резьбовых соединений. Эти результаты были занесены в базу данных и использованы для вынесения коммерческих решений о стоимости оборудования.
Недостатками известных способов анализа являются отсутствие надлежащей масштабируемости для отдельных резьбовых соединений и расходы или затраты времени, вызванные вышеуказанными способами. Также резьбовые соединения, содержащиеся в анализируемой группе, не были выбраны на основе какого-либо критерия для обеспечения того, что пределы их работоспособности по отдельности должны быть такими же для других резьбовых соединений в группе. По существу, необходим способ анализа группы резьбовых соединений с точностью физических испытаний, простотой анализа способом конечных элементов и четкостью пределов работоспособности в расчете для различных факторов, влияющих на работоспособность соединения.
Прочие сведения по данному вопросу можно найти в патентной заявке США №2003/017847 и патентах США №6607220, 6363598, 6176524, 6123368, 6041487, 5895079, 5689871, 5661888, 5411301, 5212885, 4962570, 4707001.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Согласно изобретению создан способ оценки пределов работоспособности резьбовых соединений, содержащий следующие стадии:
определение при помощи анализа модели составляющих анализируемой группы резьбовых соединений, содержащей первое множество резьбовых соединений и второе множество резьбовых соединений;
проведение физических испытаний первого множества резьбовых соединений в анализируемой группе;
проведение моделирующего анализа первого множества резьбовых соединений и второго множества резьбовых соединений, при этом второе множество резьбовых соединений не проходит физические испытания;
сравнение результатов физических испытаний и моделирующего анализа для получения фактора рабочей характеристики для первого множества резьбовых соединений;
применение фактора рабочей характеристики ко второму множеству резьбовых соединений;
определение пределов работоспособности на основании указанного фактора рабочей характеристики.
Анализируемая группа может содержать резьбовые соединения с сопоставимыми особенностями, которыми могут быть конструкция уплотнения, конструкция резьбы, расположение плеча и любые их комбинации в заданном диапазоне.
Анализируемая группа может содержать резьбовые соединения, имеющие сопоставимые рабочие характеристики, которыми могут быть механическая реакция на прилагаемые нагрузки, реакция давления контакта на изменения в механическом нагружении и реакция давления контакта на различные условия сборки.
Способ может содержать формирование из первого множества резьбовых соединений и второго множества резьбовых соединений, по меньшей мере, одного диапазона на основании геометрической формы соединения для образования анализируемой группы.
Способ может содержать формирование из первого множества резьбовых соединений и второго множества резьбовых соединений, по меньшей мере, одного диапазона, при этом часть второго множества резьбовых соединений выходит за геометрические рамки, ограниченные первым множеством резьбовых соединений.
Анализируемая группа резьбовых соединений может содержать резьбовые соединения между трубчатыми элементами, используемыми при добыче углеводородов.
Физическое испытание может содержать, по меньшей мере, одно из следующих испытаний: испытания на свинчивание и развинчивание, испытания на растяжение или сжатие до разрушения, испытания на разрушение или разрыв, испытания на водонепроницаемость и газонепроницаемость, испытания на усталость, испытания на изгиб, испытания на воздействия циклического изменения температуры и закалки.
Фактор рабочей характеристики может содержать, по меньшей мере, один из следующих факторов: фактор герметичности, фактор структурной целостности, фактор сопротивления износу, фактор усталостной прочности, фактор устойчивости к воздействию окружающей среды и любые их комбинации.
Фактор рабочей характеристики может быть основан, по меньшей мере, частично на условиях производства, содержащих, по меньшей мере, одно из следующих условий: свойства основного материала, обработка поверхности, размеры элементов и посадка между элементами.
Фактор рабочей характеристики может быть основан, по меньшей мере, частично на условиях в ходе сборки и установки резьбового соединения, содержащих, по меньшей мере, одно из следующих условий: момент свинчивания, скорость свинчивания и резьбовую смазку.
Фактор рабочей характеристики может быть основан, по меньшей мере, частично на условиях работы резьбового соединения, содержащих, по меньшей мере, одно из следующих условий: температура, давление, растягивающая нагрузка, сжимающая нагрузка, изгибная нагрузка и торсионная нагрузка.
Фактор герметичности может быть основан, по меньшей мере, частично на жидкостях, транспортируемых через трубчатые элементы.
Фактор структурной целостности может быть определен как способность распределения прилагаемых нагрузок по элементам резьбового соединения.
Фактор сопротивления износу может быть определен как способность элементов резьбового соединения выдерживать повреждение поверхности из-за фрикционного скольжения.
Фактор усталостной прочности может быть определен как способность элементов резьбового соединения выдерживать циклические нагрузки.
Фактор устойчивости к воздействию окружающей среды может быть определен как способность элементов резьбового соединения выдерживать прилагаемые нагрузки и результирующие растяжения и сжатия в присутствии агрессивной среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеприведенные и прочие преимущества настоящего изобретения станут более конкретными из следующего подробного описания со ссылкой на чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 изображает вариант системы добычи в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2А и 2В изображают варианты трубчатых элементов, используемых в системе добычи, показанной на фиг.1, соединенных при помощи уплотнения "металл-металл";
фиг.3 изображает блок-схему выбора и использования трубчатых элементов для системы добычи с фиг.1;
фиг.4 изображает блок-схему процесса анализа, используемого в блок-схеме с фиг.3;
фиг.5 изображает график разных резьбовых соединений и диапазон, образованный процессом с фиг.4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В следующем подробном описании отдельные воплощения настоящего изобретения описываются в соответствии с его предпочтительными воплощениями. Однако притом, что следующее описание выполнено специально для отдельного воплощения или отдельного использования настоящих изобретений, его следует рассматривать лишь как иллюстративное и обеспечивающее краткое описание иллюстративных воплощений. Соответственно изобретение не ограничивается отдельными воплощениями, описанными ниже, наоборот, изобретение включает в себя все альтернативы, модификации и эквиваленты в пределах прилагаемой формулы изобретения.
Настоящее изобретение описывает способ использования фактора рабочей характеристики, например фактора герметичности, для облегчения анализа резьбовых соединений. При данном способе моделирование, в частности анализ способом конечных элементов, может быть осуществлено для резьбовых соединений для определения составляющих анализируемой группы. Затем дополнительный анализ способом конечных элементов используется для каждого резьбового соединения в анализируемой группе, в то время как лишь ограниченное количество резьбовых соединений внутри данной группы подвергается физическим испытаниям. Результаты или данные физических испытаний и анализа способом конечных элементов используются для подтверждения реакции модели и для регулирования значения фактора рабочей характеристики для анализируемой группы. Таким образом, единый фактор рабочей характеристики может быть определен для резьбовых соединений с подобными свойствами и подобной работоспособностью, основываясь на комбинации моделирования и ограниченного физического испытания. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает эффективный механизм для анализа резьбовых соединений.
На фиг.1 показана иллюстративная система 100 добычи в соответствии с настоящим изобретением. В системе 100 наземное сооружение 102 соединено с устьевым оборудованием 104, расположенным на поверхности 106 земли. Через устьевое оборудование 104 наземное сооружение 102 получает доступ к одной или более подземным формациям, например к подземной формации 108, которые могут включать множество продуктивных интервалов или зон, содержащих углеводороды, такие как нефть и газ. Предпочтительно трубчатые элементы, такие как кондукторная обсадная колонна 124, промежуточная или производственная обсадная колонна 126 и/или насосно-компрессорная колонна 128 могут быть использованы внутри ствола 114 скважины для увеличения добычи углеводородов из подземной формации 108. Однако следует отметить, что система 100 добычи изображена в целях иллюстрации, и настоящие способы могут быть использованы для добычи или накачивания текучих сред из любого подводного, платформенного или наземного места.
Наземное сооружение 102 имеет такую конфигурацию, чтобы наблюдать и добывать углеводороды из подземной формации 108. Наземное сооружение 102 может включать в себя баки для хранения и/или резервуары для обработки, используемые для обслуживания добычи пластовых флюидов, таких как углеводороды. Для доступа к продуктивным интервалам подземной формации 108 наземное сооружение 102 сообщается с устьевым оборудованием 104 по трубопроводу 110. Трубопровод 110 может включать в себя участки трубчатых элементов, соединенных друг с другом при помощи сварочных или резьбовых соединений.
Для доступа к подземной формации 108 ствол скважины 114 проходит в поверхность 106 на глубину, граничащую с продуктивным интервалом подземной формации 108. Устьевое оборудование 104, расположенное поверх ствола скважины 114 на поверхности 106, обеспечивает граничную поверхность между устройствами внутри ствола 114 скважины и наземным сооружением 102. Соответственно устьевое оборудование 104 может сообщаться с кондукторной обсадной колонной 124, производственной обсадной колонной 126 и/или с насосно-компрессорной колонной 128 для обеспечения пути потока флюидов. Устройства, расположенные в стволе 114 скважины, могут включать в себя подземный предохранительный клапан 132, пакер 134 и один или несколько инструментов 136. Подземный предохранительный клапан 132 может быть использован для блокировки потока флюидов из насосно-компрессорной колонны 128 в случае разрыва или разлома над подземным предохранительным клапаном 132. Более того, пакер 134 может быть использован для изоляции отдельных зон внутри кольца ствола скважины друг от друга. Также инструменты 136 могут включать в себя устройство для борьбы с поступлением песка или прочие регуляторы потока, используемые для обеспечения путей потока для углеводородов в подземной формации 108.
Для обеспечения стабильности и предотвращения утечки внутри ствола 114 скважины система 100 добычи может также включать в себя разные трубчатые элементы или трубы, такие как кондукторная обсадная колонна 124, производственная обсадная колонна 126 и/или насосно-компрессорная колонна 128. Кондукторная обсадная колонна 124 может быть установлена от поверхности 106 до положения на определенной глубине под поверхностью 106. В кондукторной обсадной колонне 124 расположена промежуточная или производственная обсадная колонна 126, которая может простираться вниз до глубины около подземной формации 108 и может быть использована для обеспечения опоры для стенок ствола 114 скважины. Кондукторная и производственная обсадные колонны 124 и 126 могут быть зацементированы в зафиксированном положении внутри ствола 114 скважины для дополнительной стабилизации ствола 114 скважины. Внутри кондукторной и производственной обсадных колонн 124 и 126 может быть использована насосно-компрессорная колонна 128 для создания путей потока через ствол 114 скважины для углеводородов и прочих флюидов. Участки каждой из кондукторной обсадной колонны 124, производственной обсадной колонны 126 и/или насосно-компрессорной колонны 128 могут быть соединены или скреплены при помощи резьбовых соединений, как описано выше.
В качестве примера резьбового соединения на фиг.2А и 2В изображены иллюстративные виды двух трубчатых элементов в системе добычи, показанной на фиг.1, соединенные друг с другом. Соответственно фиг.2А и 2В могут стать понятнее при рассмотрении совместно с фиг.1. На фиг.2А и 2В два трубчатых элемента 200а и 200b изображены в разделенной и герметичной конфигурациях. Однако следует понимать, что трубчатые элементы 200а и 200b могут являться любыми двумя или несколькими участками кондукторной обсадной колонны 124, производственной обсадной колонны 126 и/или насосно-компрессорной колонны 128.
На фиг.2А как первый трубчатый элемент 200а, так и второй трубчатый элемент 200b имеют участок 201а и 201b основного корпуса, участок 203а и 203b горловины и насеченный участок 208а и 208b. Трубчатые элементы 200а и 200b могут быть изготовлены из стали или из стальных сплавов, при этом участки 201а и 201b основного корпуса имеют определенную длину 212, например, от 30 до 40 футов, с определенными внутренним и наружным диаметрами. Участок горловины 203а и 203b может иметь наружную резьбу 204а и 204b, а насеченный участок 208а и 208b имеет внутреннюю резьбу 206а и 206b. Также участок 203а и 203b горловины имеет участки 205а и 205b уплотнения металл-металл, а насеченный участок 208а и 208b может иметь участки 207а и 207b уплотнения металл-металл. Эти участки 205а, 205b, 207а, 207b уплотнения металл-металл могут формировать уплотнение для, по меньшей мере, участка 210 уплотняющей длины. Наружная резьба 204а и 204b может иметь такую конфигурацию, чтобы соединяться с внутренней резьбой 206а и 206b для формирования герметичного уплотнения между трубчатыми элементами 200а и 200b, как показано на фиг.2В.
На фиг.2В участок 203а горловины первого трубчатого элемента 200а соединен с насеченным участком 208b второго трубчатого элемента 200b. Трубчатые элементы 200а и 200b соединены друг с другом путем зацепления наружной резьбы 204а с внутренней резьбой 206b для формирования резьбового соединения. Уплотнение, формируемое участками 205а, 205b, 207а и 207b уплотнения металл-металл и резьбой 204а, 204b, 206а и 206b, может предотвращать утечки. Соответственно при помощи резьбового соединения трубчатые элементы 200а и 200b могут быть соединены друг с другом для образования непрерывного пути потока внутри ствола 114 скважины и могут также быть использованы для стабилизации ствола 114 скважины.
Допустимая утечка через резьбовое соединение может изменяться в зависимости от применения, как указано выше. Например, резьбовые соединения в жестких рабочих условиях, например, внутри ствола 114 скважины могут испытывать чрезмерные температуры и давления по мере проникновения скважины на большую глубину, поскольку они подвергаются воздействию других окружающих сред. Также на рабочие характеристики резьбовых соединений могут повлиять транспортируемые флюиды, температура, давление, растягивающие и сжимающие нагрузки, изгиб, обработка поверхности, резьбовая смазка, свойства основного материала, геометрия соединения, момент свинчивания, условия в ходе свинчивания, условия в ходе эксплуатации, производства и/или циклических нагнетательных нагрузок, или прочие причины. Из-за высокой стоимости ремонта трубчатых элементов внутри ствола 114 скважины кондукторная обсадная колонна 124, производственная обсадная колонна 126 и насосно-компрессорная колонна 128, как правило, имеют такую конструкцию, чтобы поддерживать структурную целостность и герметичность в течение срока службы скважины для предотвращения экологических проблем, для постоянной добычи и соблюдения безопасности. По существу, резьбовые соединения могут работать в течение всего срока службы скважины.
Для получения работоспособности резьбовых соединений могут быть использованы различные факторы рабочих характеристик, например фактор герметичности, фактор структурной целостности, фактор сопротивления износу, фактор устойчивости к воздействию окружающей среды, фактор усталостной прочности или любые их комбинации. Следует отметить, что может быть предпочтительно использовать лишь один из факторов рабочих характеристик для анализируемой группы. В виде примера факторов рабочих характеристик фактор герметичности является характеристикой резьбового соединения, которая описывает, насколько хорошо резервуар под давлением или нагнетаемые текучие среды содержатся внутри трубчатого элемента. На фактор герметичности резьбового соединения влияют, среди прочих, транспортируемые текучие среды, температура, давление, растягивающие и сжимающие нагрузки, изгиб, обработка поверхности, резьбовая смазка, свойства основного материала, геометрия соединения, момент свинчивания и прочие факторы. Также на фактор герметичности влияют различные условия, испытываемые в ходе свинчивания, в ходе помещения в ствол скважины и/или в ходе производства и циклических нагрузок нагнетания. Для этих условий условия производства включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих условий: свойства основного материала, обработка поверхности, размеры элементов и посадка между элементами; условия в ходе сборки и установки резьбового соединения включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих условий: момент свинчивания, скорость свинчивания и резьбовая смазка, и условия работы резьбового соединения включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих условий: температура, давление, растягивающие, сжимающие, изгибающие и торсионные нагрузки. По существу, фактор герметичности является одной из мер работоспособности, которую можно получить в ходе анализа резьбовых соединений, образованных различными трубчатыми элементами.
Фактор структурной целостности является характеристикой резьбового соединения, описывающей, насколько хорошо прилагаемые нагрузки распределяются между элементами резьбового соединения. На фактор структурной целостности влияют, среди прочих, температура, давление, растягивающие и сжимающие нагрузки, изгиб, обработка поверхности, резьбовая смазка, свойства основного материала, геометрия соединения, момент свинчивания и прочие факторы. Подобно описанному выше условия производства включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих условий: свойства основного материала, обработка поверхности, размеры элементов и посадка между элементами; условия в ходе сборки и установки резьбового соединения включают, по меньшей мере, одно из следующих условий: момент свинчивания, скорость свинчивания и резьбовую. смазку; и условия работы резьбового соединения включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих: температура, давление, растягивающие, сжимающие, изгибающие и торсионные нагрузки. Также на фактор структурной целостности влияют различные условия, испытываемые в ходе свинчивания, в ходе помещения в ствол скважины и/или в ходе производства и циклических нагрузок нагнетания.
Фактор сопротивления износу является характеристикой резьбового соединения, описывающей, насколько хорошо элементы резьбового соединения выдерживают повреждения поверхности из-за фрикционного скольжения. На фактор сопротивления износу влияют, среди прочих, температура, давление, растягивающие и сжимающие усилия, изгиб, обработка поверхности, резьбовая смазка, свойства основного материала, геометрия соединения, момент свинчивания и прочие факторы. Для этих условий условия производства включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих условий: свойства основного материала, обработка поверхности, размеры элементов и посадка между элементами; условия в ходе сборки и установки резьбового соединения включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих: момент свинчивания, скорость свинчивания и резьбовую смазку; и условия работы резьбового соединения включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих: температура, давление, растягивающие, сжимающие, изгибающие и скручивающие усилия. Дополнительно, на фактор сопротивления износу влияют различные условия, испытываемые в ходе свинчивания, в ходе помещения в ствол скважины и/или в ходе производства и циклических нагрузок нагнетания.
2
Фактор устойчивости к воздействию окружающей среды является характеристикой резьбового соединения, описывающей, насколько хорошо элементы резьбового соединения выдерживают прилагаемые нагрузки и результирующие растяжения и сжатия в присутствии агрессивной среды. Агрессивной средой, например, является формация, в которой присутствуют текучие среды с высоким содержанием сульфида водорода (HS). На фактор устойчивости к воздействию окружающей среды влияют, среди прочих, состав добываемой текучей среды, температура, давление, растягивающие и сжимающие нагрузки, изгиб, обработка поверхности, резьбовая смазка, свойства основного материала, геометрия соединения, момент свинчивания и прочие факторы. Вновь, при таких условиях, условия производства включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих условий: свойства основного материала, обработка поверхности, размеры элементов и посадка между элементами; условия в ходе сборки и установки резьбового соединения включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих условий: момент свинчивания, скорость свинчивания и резьбовую смазку; и условия работы резьбового соединения включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих условий: температура, давление, растягивающие, сжимающие, изгибные и торсионные нагрузки. Также на фактор устойчивости к воздействию окружающей среды влияют различные условия, испытываемые в ходе сборки, помещения в ствол скважины, и/или в ходе производства и циклических нагрузок нагнетания.
Фактор усталостной прочности является характеристикой резьбового соединения, описывающей, насколько хорошо детали резьбового соединения выносят циклические нагрузки. На фактор усталостной прочности влияют, среди прочих, температура, давление, растягивающие и сжимающие нагрузки, изгиб, обработка поверхности, резьбовая смазка, свойства основного материала, геометрия соединения, момент свинчивания и прочие факторы. Также на фактор усталостной прочности влияют различные условия, испытываемые в ходе свинчивания, в ходе помещения в ствол скважины и/или в ходе производства и циклических нагрузок нагнетания. Для этих условий условия производства включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих условий: свойства основного материала, обработка поверхности, размеры элементов и посадка между элементами; условия в ходе сборки и установки резьбового соединения включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих: момент свинчивания, скорость свинчивания и резьбовую смазку; и условия работы резьбового соединения включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих: температура, давление, растяжение, сжатие, изгиб и скручивающие нагрузки. Срок службы трубчатых элементов в системе добычи описан далее со ссылкой на фиг.3.
Фиг.3 изображает иллюстративную блок-схему процесса выбора и использования трубчатых элементов для системы добычи, показанной на фиг.1, в соответствии с настоящим изобретением. Данная блок-схема 300 может стать яснее при рассмотрении одновременно с фиг.1 и 2. В данной блок-схеме 300 резьбовые соединения могут быть проанализированы до использования в определенных целях. То есть резьбовые соединения между трубчатыми элементами могут быть проанализированы для определения определенных рабочих характеристик групп резьбовых соединений, таких как герметичность, структурная целостность, сопротивление износу, устойчивость к воздействию окружающей среды и усталостная прочность.
Указанный процесс включает начальную стадию 302. На стадии 304 резьбовые соединения в анализируемой группе анализируются. Процесс анализа, описанный более подробно со ссылкой на фиг.4, может включать в себя моделирование различных резьбовых соединений и определение составляющих анализируемой группы на основе результатов моделирования. Затем резьбовые соединения в анализируемой группе могут быть подвергнуты физическим испытаниям и анализу способом конечных элементов. Физические испытания могут осуществляться над подмножеством резьбовых соединений, которые образуют диапазон, множество диапазонов или диапазон с другими резьбовыми соединениями, выходящими за его пределы. По результатам физических испытаний и анализа способом конечных элементов определенные характеристики могут быть присвоены другим резьбовым соединениям внутри анализируемой группы без необходимости в осуществлении физического испытания этих резьбовых соединений. На стадии 306 могут быть спроектированы трубчатые элементы для скважины. Проектирование трубчатых элементов может основываться на расположении скважины, геофизическом анализе или прочих процессах, описанных выше. Трубчатые элементы для скважины могут быть спроектированы на основании условий в месте расположения скважины и ожидаемых эксплуатационных требований. На стадии 308 трубчатые элементы для скважины могут быть получены на основе проектирования и предварительного анализа резьбовых соединений. Следует отметить, что анализируемая группа может быть сформирована либо до, либо после определения конкретного назначения или нефтяного месторождения.
На стадии 310 после получения трубчатых элементов трубчатые элементы могут быть установлены в скважину. Установка трубчатых элементов может являться частью бурильных операций, осуществляемых для бурения скважины 114. На стадии 312 трубчатые элементы могут быть использованы для добычи пластовых флюидов, таких как углеводороды, через трубчатые элементы. Добыча углеводородов может включать в себя соединение трубчатых элементов друг с другом, соединение трубчатых элементов с устьевым оборудованием 104 и инструментами 136 для формирования путей потока текучей среды через ствол 114 скважины. Эти пути потока флюида позволяют поставлять углеводороды к наземным сооружениям 102. Соответственно процесс заканчивается стадией 314.
Из-за риска и стоимости, связанных с добычей углеводородов, специальные факторы рабочих характеристик, таких как герметичность, структурная целостность, сопротивление износу, устойчивость к воздействию окружающей среды или усталостная прочность, резьбовых соединений могут быть оценены для разных трубчатых элементов для снижения риска поломок резьбовых соединений внутри скважины. Однако способы анализа, описанные выше, являются либо дорогостоящими и занимающими много времени, либо не предоставляют должной универсальности для отдельных применений, как описано выше. Следовательно, существует необходимость в способе анализа группы резьбовых соединений с точностью физических испытаний и простотой испытаний путем анализа способом конечных элементов, позволяющим определить пределы работоспособности, вычисленные для различных факторов, влияющих на работоспособность соединения, что описано со ссылкой на фиг.4.
Фиг.4 изображает иллюстративную блок-схему 400 процесса анализа, используемого для системы добычи с фиг.1 в соответствии с объектами настоящих технологий. Блок 400 может стать понятнее при рассмотрении одновременно с фиг.1-3. На данной блок-схеме 400 показан процесс для определения физическим путем работоспособности соединения, для которого не проводилось физического испытания. В данном процессе используется предварительно осуществленное физическое испытание резьбовых соединений в качестве основы для анализа. Результаты этих физических испытаний и моделирующего анализа могут также быть объединены для формирования группы резьбовых соединений. Например, результаты физических испытаний для резьбовых соединений могут быть сопоставлены с показателем герметичности при помощи определенного при помощи подсчета калибровочного коэффициента герметичности "k". При помощи такого способа определенные резьбовые соединения могут быть физически испытаны и использованы для определения характеризующего фактора для других резьбовых соединений. Резьбовые соединения внутри диапазона или определенной группы могут быть использованы без затрат или длительного времени, как правило требуемых для физических испытаний каждого резьбового соединения.
Указанный процесс начинается со стадии 402. На стадии 404 определяются составляющие или резьбовые соединения анализируемой группы. Составляющие анализируемой группы могут включать в себя резьбовые соединения, обладающие сопоставимыми признаками, такими как конструкция уплотнения (сферическое или коническое), конструкция резьбы (количество витков на дюйм, геометрическая форма), расположение плеч и т.д. на протяжении определенного диапазона. Составляющие анализируемой группы могут быть объединены в диапазон, основываясь на информации, предоставленной производителем, о соответствующих трубчатых элементах. Альтернативно, составляющие анализируемой группы могут быть определены после моделирующего анализа данных производителя о трубчатых элементах. Моделирующий анализ может включать в себя анализ способом конечных элементов для выявления сходств или различий между резьбовыми соединениями разных размеров, с разной конструкцией резьбы или разными конструкциями уплотнений.
После определения составляющих анализируемой группы над несколькими типичными резьбовыми соединениями может быть проведено физическое испытание на стадии 406. Некоторые типичные резьбовые соединения или составляющие могут представлять собой подмножество или группу из анализируемой группы, в то время как другое подмножество или группа из анализируемой группы может не подвергаться физическим испытаниям. Физические испытания могут проводиться над типовыми составляющими анализируемой группы для выявления воздействий геометрических отклонений, условий нагружения (включая изгиб), температуры, резьбовой смазки, обработки поверхности и т.д. на определенные рабочие характеристики, такие как герметичность соединения, структурная целостность, сопротивление износу, устойчивость к воздействию окружающей среды или усталостная прочность. Эти физические испытания могут быть осуществлены на основе программ испытаний, которые соответствуют определенным нормам. Смотри, например, "Программа анализа соединений", издание 1, ExxonMobil (2001) и "Нефтедобывающая и газовая промышленность - процедуры для испытаний корпуса и трубчатых соединений" Международная организация по стандартизации 13679 (2002). Затем моделирующий анализ, например анализ способом конечных элементов, осуществляется для каждого резьбового соединения в анализируемой группе на стадии 408. При помощи моделирующего анализа можно получить стандартные характеристики конструкции резьбового соединения и определить тенденции, отрицательно влияющие на работоспособность соединения, такие как жесткость, контакт уплотнения и контакт плеча. Например, моделирование путем анализа способом конечных элементов может быть использовано для вычисления реакции на растяжение-сжатие элементов при данных граничных условиях или для вычисления контактного давления между элементами. Данный тип анализа может быть полезным при определении однородности резьбовых соединений в анализируемой группе для различных рабочих характеристик, которые могут включать в себя герметичность, структурную целостность, сопротивление износу, устойчивость к воздействию окружающей среды или усталостную прочность.
Затем фактор рабочей характеристики, например фактор герметичности или прочие факторы, упомянутые выше, резьбовых соединений в анализируемой группе, может быть определен на стадиях 410-416. На стадии 410 может быть получен фактор рабочей характеристики. Это получение может включать в себя предварительную установку значения фактора рабочей характеристики. Например, если фактором рабочей характеристики является фактор герметичности, задается значение, при котором гипотетически соединение будет герметично, но при значениях ниже которого соединение будет гипотетически давать протечки. Затем результаты физических испытаний сравниваются с результатами моделирования (например, путем анализа способом конечных элементов) для определенных типовых резьбовых соединений в анализируемой группе на стадии 412. Данное сравнение может включать в себя определение герметичности или негерметичности резьбового соединения при различных прилагаемых условиях нагружения. Затем устанавливается, совпадают ли эти результаты со стадией 414. Данное заключение может включать в себя рассмотрение до разброса пороговых величин. Если результаты не одинаковые и могут выходить за пределы разброса пороговых величин, фактор герметичности повторно вычисляется на стадии 410. Если результаты одинаковые, либо лежат в пределах разброса пороговых величин, фактор рабочей характеристики применяется к каждому из резьбовых соединений, которые не проходили физические испытания на стадии 416. Это может быть выполнено путем осуществления дополнительного анализа способом конечных элементов и подсчета фактора герметичности для различных комбинаций нагрузок. Для комбинаций нагрузок с фактором герметичности выше значения, определенного на стадии 410, резьбовое соединение должно быть герметичным. Для комбинаций нагрузок с фактором герметичности меньше значения, определенного на стадии 410, резьбовое соединение может давать протечки. Соответственно процесс заканчивается в блоке 418.
Несмотря на то, что для каждого резьбового соединения используется анализ способом конечных элементов для определения работоспособности, лишь ограниченное число резьбовых соединений с одинаковой конструкцией и свойствами материала подвергается физическому анализу для получения работоспособности для большей группы или диапазона резьбовых соединений в данной анализируемой группе. Также может быть осуществлено дополнительное моделирование физических испытанных соединений для получения деталей программ анализа и испытаний, например поведения в зависимости от определенного пути. Данная информация, полученная вследствие программ испытаний, может быть использована для подтверждения реакции модели и регулирования установленных ранее тенденций работоспособности. Данные тенденции затем используются для определения герметичности каждого из резьбовых соединений в анализируемой группе. Таким образом, ограниченные физические испытания могут быть осуществлены для оценки пределов работоспособности групп резьбовых соединений, включающих в себя резьбовые соединения с подобной геометрической формой и/или резьбовые соединения с подобными рабочими характеристиками. В частности, фактор герметичности наряду с анализом способом конечных элементов могут быть использованы для получения пределов герметичности как для испытанных, так и для неиспытанных соединений. Предпочтительно использование фактора рабочей характеристики упрощает анализ путем обеспечения возможности применения единого параметра к каждой из составляющих анализируемой группы.
Фиг.5 изображает диаграмму различных резьбовых соединений и анализируемую группу, сформированную при помощи процесса с фиг.4, в соответствии с определенными объектами настоящей технологии. На фиг.5 резьбовые соединения из трубчатых элементов, имеющих наружный диаметр 504 от 2 3/8 дюйма до 7 дюймов, отложены против отношения 502 толщины к наружному диаметру в форме диаграммы 500. На диаграмме 500 анализируемая группа резьбовых соединений включает в себя пятьдесят два резьбовых соединения, каждое из которых обладает подобными особенностями и состоит из подобных углеродистых сталей (например, от С75 до С95, что включает в себя 4 марки). Каждое из этих отдельных резьбовых соединений показано различными точками. Эти точки включают в себя граничные точки 508 (представленные треугольными отметками), точки 512, лежащие вне диапазона (представленные круглыми отметками), и внутренние точки 510 (представленные ромбовидными отметками). Граничные точки 508 формируют диапазон 506, ограничивающий резьбовые соединения, удовлетворяющие пороговым величинам для соответствующего применения.
При использовании настоящих технологий физическое испытание проводится для типичных составляющих семейства резьбовых соединений для получения диапазона герметичности конструкции резьбовых соединений в заданном диапазоне свойств материала. Для данного примера анализируемая группа определена, и физические испытания проводятся над резьбовыми соединениями, представленными граничными точками 508. Затем для каждого резьбового соединения проводится анализ способом конечных элементов для оценки тенденций контакта уплотнения и плеча для анализируемой группы. После анализа способом конечных элементов восемь резьбовых соединений, представляющие собой точки 512, не попавшие в диапазон, определяются как соединения, обладающие работоспособностью, которая полностью не описана испытаниями восьми резьбовых соединений. По существу, эти резьбовые соединения, представленные точками 512, лежащими вне диапазона, исключаются из анализируемой группы, в результате чего используется сорок четыре резьбовых соединения.
После завершения анализа способом конечных элементов из испытания указанным способом восьми физически испытанных резьбовых соединений определяется единый фактор герметичности. Эти резьбовые соединения подвергаются дополнительному анализу способом конечных элементов для получения отдельных результатов программы испытаний. Фактор герметичности сопоставляется с данными, полученными в ходе физических испытаний резьбовых соединений, и может быть отрегулирован на основании действительных условий испытаний, посадки, момента свинчивания и прочих особых переменных испытаний. Например, измерения натяжения могут быть использованы для выявления того, что предварительно рассчитанная посадка плеч должным образом сочетается с моделями, полученными путем анализа способом конечных элементов, в результате чего фактор герметичности корректируется.
После корректировки фактора герметичности он применяется к оставшимся тридцати шести соединениям в анализируемой группе. То есть фактор герметичности физически испытанных резьбовых соединений используется наряду со стандартизированным анализом способом конечных элементов для получения пределов герметичности для оставшихся неиспытанных резьбовых соединений в анализируемой группе. Результатом данного анализа является сто семьдесят шесть резьбовых соединений с должной герметичностью. При определении этого результата лишь восемь резьбовых соединений были подвержены физическим испытаниям, в то время как работоспособность оставшихся ста шестидесяти восьми резьбовых соединений была определена расчетным путем при помощи фактора герметичности.
Помимо единого диапазона 506 анализируемая группа может включать в себя резьбовые соединения во множестве диапазонов или с отдельными резьбовыми соединениями. Например, анализируемая группа может включать в себя первое множество (т.е. группу) резьбовых соединений и второе множество резьбовых соединений. Первая и вторая группы могут формировать диапазон, основанный на геометрической форме соединения, для ограничения анализируемой группы. Альтернативно, первая и вторая группы могут формировать множество диапазонов, основанных на геометрической форме соединений, для ограничения анализируемой группы. В другом воплощении первая и вторая группы формируют диапазон, при этом часть второй группы резьбовых соединений выпадает за геометрические границы, установленные первой группой резьбовых соединений. В качестве последнего примера первая и вторая группы формируют множество диапазонов, при этом часть второй группы резьбовых соединений выходит за геометрические границы, установленные первой группой резьбовых соединений.
Дополнительно, как указано выше, могут быть использованы различные комбинации факторов рабочих характеристик. Например, фактор герметичности и фактор сопротивления износу могут быть использованы отдельно для одной анализируемой группы. Такой тип анализа может быть осуществлен подобно тому, как описано выше. Затем результаты могут быть объединены для исключения отличных резьбовых соединений, не удовлетворяющих обоим факторам. Соответственно, основываясь на таком подходе, два, три, четыре или более факторов могут быть использованы одновременно для определенных анализов.
Помимо описанного выше следует отметить, что трубчатые элементы могут иметь внешние очертания, отличающиеся от показанных на фиг.2А и 2В. Эти отличия могут включать, без ограничений, расположение и геометрическую форму деталей соединения, например уплотнения, плеча, резьбы и т.д. Дополнительно, соединительный механизм может быть выполнен в форме муфты или другого резьбового соединения. По существу, эти разные особенности не нарушают пределов настоящих технологий.
Несмотря на то, что настоящие технологии изобретения могут быть подвержены различным модификациям и принимать альтернативные формы, иллюстративные воплощения, описанные выше, были продемонстрированы лишь в виде примера. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается описанными здесь отдельными воплощениями. Напротив, настоящие технологии изобретения охватывают все модификации, эквиваленты и альтернативы, отвечающие сути и пределам изобретения, определенным в следующей далее формуле изобретения.