Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния в обсадной трубе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Колесников, Владимир Владимирович

• Колесников, Владимир Владимирович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колесников, Владимир Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АКТУАЛЬНОСТЬ ЗАДАЧИ ПО УТОЧНЕНИЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЙ ДЛЯ ОБСАДНЫХ ТРУБ.

1.1. Определение критических давлений для отечественных обсадных труб.

1.2. Определение критических давлений для импортных обсадных труб.

1.3. Анализ расхождений в результатах расчетов критических давлений для обсадных труб по формуле Г. М. Саркисова и по формулам АР1.

ГЛАВА II. МОДИФИКАЦИЯ ФОРМУЛЫ Г. М. САРКИСОВА.

2.1. Модификация формулы Г. М. Саркисова для расчета критических давлений обсадных труб повышенной точности изготовления.

2.1.1 Вывод формул для расчета геометрических параметров 5тт, 80 и р овально-разностенной трубы.

2.1.2 Алгоритм расчета геометрических параметров ¿>тт, 50) е и р овально-разностенной трубы.

2.1.3 Программная реализация на языке С++.

2.2. Сравнение и анализ результатов расчетов критических давлений по традиционной и модифицированной формулам Г. М. Саркисова.

ГЛАВА III. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ANSYS И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В РАСЧЕТАХ КРИТИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЙ ДЛЯ ОБСАДНЫХ ТРУБ.

3.1. Обзор программного комплекса ANS YS.

3.2. Математические основы решения задач теории упругости в программном комплексе ANS YS.

3.3. Математическая модель обсадной трубы.

3.3.1 Построение геометрической и конечно-элементной модели обсадной трубы.

3.3.2 Графическое представление результатов расчета.

3.4. Программа «Расчет обсадных труб на прочность» для расчета критических давлений обсадных труб.

ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КРИТИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЙ ОТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРУБ.

4.1. Проверка достоверности расчетов критических давлений для обсадных труб по программе «Расчет обсадных труб на прочность».

4.1.1. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными Т. Е. Еременко и Ф. И. Яковлева.

4.1.2. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными для обсадных труб изготовленных по стандарту API.

4.1.3 Выводы по результатам сравнений расчетов с экспериментальными данными.

4.2. Исследование по программе «Расчет обсадных труб на прочность» влияния овальности, разностенности поперечного сечения и коэффициента тол-стостенности на величину критического давления для обсадных труб.

ГЛАВА V. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММЫ «РАСЧЕТ ОБСАДНЫХ ТРУБ НА ПРОЧНОСТЬ».

5.1 Расчет по программе «Расчет обсадных труб на прочность» критических давлений для сортамента обсадных труб изготовленных по ГОСТ 632-80.

5.2. Расчет по программе «Расчет обсадных труб на прочность» критических давлений для сортамента обсадных труб изготовленных по стандарту API.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния в обсадной трубе»

Обсадные колонны предназначены для изоляции стенок скважины от рабочего пространства ствола и должны обеспечивать требуемую прочность и герметичность при воздействии на них ожидаемых внутренних и внешних давлений [1]. Надежность работы обсадных колонн является одним из необходимых условий, обеспечивающих возможность углубления скважин до проектных отметок и их эксплуатацию без появления межколонных давлений, образования техногенных залежей или грифонов. При строительстве и эксплуатации нефте- или газодобывающей скважины в обсадной колонне:

1) производится многократное проведение спускоподъемных операций;

2) обсадная колонна может подвергаться действию сжимающих со стороны окружающих горных пород напряжений; 3) изнутри на обсадную колонну действует (например, со стороны газа в колонне) расширяющее колонну давление. И как каждая ответственная конструкция обсадные колонны рассчитываются на прочность.

В зависимости от нагрузок, определяемых условиями проводки и крепления скважин, а также ожидаемых давлений продукции, устанавливаются группа прочности металла и толщина стенки труб, составляющих компоновки колонн. При этом объектом расчета является обсадная труба.

Последние годы в нефтегазопромысловой сфере качество изготовления нефтегазовых труб значительно улучшилось. В связи с чем улучшилось сопротивление обсадных труб внешнему давлению. И более точное определение критических давлений для отечественных обсадных труб будет способствовать повышению конкурентоспособности отечественной продукции.

Качество изготовления труб нормируется в соответствии со стандартами. Основные нормативные документы, применяемые в России, это

ГОСТ 632-80 и стандарт Американского института нефти (American petroleum institute) или сокращенно API.

Основные требования, предъявляемые API к качеству изготовления обсадных труб, нормируются бюллетенем API 5СТ. Этот бюллетень основан на экспериментальных данных и исследованиях, полученных в 60-х годах. И на текущий момент в нефтепромысловой промышленности понимают, что нормы API 5СТ устарели. Несомненно, расчетные формулы, основанные на устаревших опытных данных, тоже нуждаются в уточнении [43].

Основным документом, содержащим методику расчета на прочность обсадных колон от действия нагрузок в процессе проводки, освоения и эксплуатации скважин, а также рекомендации по выбору обсадных труб, является «Инструкция по расчету обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин», утвержденная в 1997 году [11]. При этом наружное давление для обсадных труб рассчитывается по формуле Г. М. Саркисова. Формула была получена в пятидесятые годы прошлого века и предназначалась для расчета труб, имеющих овально-разностенное поперечное сечение, форt ма которого связана с погрешностями технологии изготовления. В настоящее время применение данной формулы не всегда может достаточно точно дать оценку прочностной характеристики обсадной трубы.

Актуальность усовершенствования методов расчета обсадных труб на прочность также подтверждают современные исследования, проводимые зарубежными институтами [44, 46, 55].

Поэтому разработка методов расчета обсадных колонн на критическое наружное давление — АКТУАЛЬНА, направлена на создание методического обеспечения для оценки несущей способности обсадных колонн и решение задачи, имеющей важное народнохозяйственное значение: повышение безопасности и эффективности строительства и эксплуатации опасных производственных объектов, к категории которых относятся скважины (газовые, газо-конденсатные, нефтяные). Более точная оценка прочности позволит рационально использовать прочностной запас колонн и предупреждать их отказы, вызванные несоответствием эксплуатационных нагрузок фактической прочности конструкций. Объектом исследований при разработке методик расчета является новая обсадная труба.

Целью работы является разработка методов расчета критического наружного давления для обсадных труб и исследование точности расчётов, как по' известным формулам, так и по предлагаемым в диссертации методам.

Поставленная цель достигается путем разработки автором методов расчета критического наружного давления обсадных труб за счет уточнения формулы Г. М. Саркисова и применения программного комплекса МКЭ анализа-ANS YS.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов диссертации подтверждается следующим:

- корректностью использования апробированных специализированных программных сред (Borland Developer Studio 2006, ANSYS);

- сравнением с существующими методами расчета критического наружного давления;

- сравнением полученных результатов с опытными данными.

Научная новизна и значение результатов диссертации заключается в следующем:

- получена модификация формулы Г. М. Саркисова для расчета критических давлений для обсадных труб повышенной точности изготовления;

- построена новая математическая модель обсадной трубы, выполненная с использованием профессионального комплекса прочностного анализа конструкций ANSYS, основанного на методе конечных элементов;

- уточнена оценка влияния геометрических параметров на снижение несущей способности трубы.

Практическая значимость. Разработана программа «Расчет обсадных труб на прочность», зарегистрированная в государственном реестре программ для ЭВМ (свидетельство № 2008610584), предназначенная для расчета значений критического внешнего давления для обсадных труб. Программа обеспечивает выполнение следующих функций: расчет значения критического давления по традиционной формуле Г. М. Саркисова, по модифицированной формуле Г. М. Саркисова, подготовку APDL кода для построения конечно-элементной модели обсадной трубы и расчета критических давлений в ANS YS. С помощь программы произведен расчет критического давления для всего сортамента обсадных труб, выпускаемых по основным нормативным документам ГОСТ 632-80 и API 5СТ.

Апробация работы. Результаты отдельных исследований, составляющих основу работы, были опубликованы в научно технических журналах ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт организации, управления и экономики нефтегазовой промышленности» в номерах 11/2007, 2/2008. С основными их положениям автор выступал на VIII симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Сочи - Адлер, 29 сентября -7 октября 2007 г.).

Реализация результатов. Основные результаты диссертационных исследований использовались ОАО «СевКавНИПИгаз» при получении оценки влияния погрешности данных ГИС на погрешность расчетов параметров остаточной прочности обсадных колонн [38]. Зависимости погрешности расчетов от типоразмера труб и величины погрешности данных ГИС включены в проект СТО «Инструкция по расчету обсадных колонн на особые условия эксплуатации», который утвержден 4 мая 2008 г. Заместителем председателя правления ОАО «Газпром» А. Г. Ананенковым в вводится в действие с 15 октября 2008 г. (акт о внедрении от 27 августа 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации всего опубликовано в соавторстве 5 работ, в журналах рекомендованных ВАК. Получено свидетельство государственной регистрации программы для ЭВМ «Расчет обсадных труб на прочность».

Основные положения, выносимые на защиту:

- Метод уточнения определения параметров, характеризующих овальность и разностенность поперечных сечений труб. Алгоритм расчета уточненных параметров и модификация формулы Г. М. Саркисова.

- Математическая модель овально-разностенной обсадной труб в программном комплексе АЫЗУЗ и способ расчета критического наружного давления.

- Разработанная автором программа «Расчет обсадных труб на прочность».

- Результаты сравнения расчетных значений с опытными данными.

- Результаты исследования зависимости критических давлений от геометрических характеристик труб.

Личный вклад автора. Диссертационное исследование соискатель выполнял под общим научным руководством доктора физико-математических наук В. А. Толпаева. При выполнении работ по теме диссертации автор принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке методик исследований, проведении вычислений, анализе полученных результатов, подготовке статей и докладов на конференциях. Основные результаты, вынесенные на защиту, получены автором самостоятельно. Достоверности и логичности выводов в немалой степени способствовали многочисленные обсуждения материалов работы с научным руководителем, за что автор выражает Толпаеву Владимиру Александровичу искреннюю благодарность.

Структура и объём работы. Общий объём диссертации 191 стр., из них 151 стр. основной части. Основная часть состоит из введения, пяти глав, содержащих 13 пунктов, заключения и списка литературы из 60 названий, из которых 18 на иностранных языках. Диссертация содержит 11 таблицы, 50 графиков и рисунков и четырех приложений общим объёмом 40 стр. Каждая глава диссертации начинается с краткого вступления, в котором перечисляются её основные цели, задачи и заканчивается формулировкой основных результатов главы.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Колесников, Владимир Владимирович

Основные результаты 5-ой главы: 1) проведены расчеты всего сортамента обсадных труб ГОСТ 632-80 по модели построенной в ANSYS, результаты сопоставлены с расчетными значениями полученными по традиционной формуле Г. М. Саркисова; 2) так же проведены расчеты всего сортамента обсадных труб API 5CT, результаты сопоставлены с расчетными значениями полученными по формулам API 5СЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основании выполненных исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработан метод уточнения определения входящих в формулу Г. М. Саркисова параметров, характеризующих овальность и разно-стенность поперечного сечения труб. Разработан алгоритм расчета уточненных параметров. По предложенному алгоритму написана программа на языке С++.

2. Построена математическая модель овально-разностенной обсадной трубы в программном комплексе ANS YS. Предложен способ расчета критического наружного давления по построенной модели.

3. Разработана программа «Расчет обсадных труб на прочность» для расчета обсадных труб на наружное критическое давление.

4. Проведена оценка расчетных значений полученных по программе «Расчет обсадных труб на прочность».

5. Анализ экспериментальных данных показал целесообразность применения модифицированной формулы Г. М. Саркисова для оценки сопротивляемости обсадных трубы наружному давлению. Так же установлена применимость программного комплекса ANSYS для построения математической модели обсадной трубы.

6. Проведено исследование влияния овальности, разностенности поперечного сечения и коэффициента толстостенности на величину критического давления для обсадных труб.

7. Представлены расчеты всего сортамента труб по стандартам ГОСТ 632-80 и API.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колесников, Владимир Владимирович, 2008 год

1. Булатов, А. И. Проектирование конструкций скважин Текст. / А. И. Булатов, JL Б. Измайлов, О. А. Лебедев - М.: Недра, 1979. - 280 с.

2. Булатов, А. И. Справочник инженера по бурению. В 2 т. Т. 2 Текст. / А. И. Булатов М.: Недра, 1995. - 320 с.

3. Ганджумян, Р. А. Инженерные расчеты при бурении глубоких скважин Текст. / Р. А. Ганджумян, А. Г. Калинин, Б. А. Никитин М.: Недра, 2000. -487 с.

4. Горшков, А. Г. Сопротивление материалов. 2-е изд. Текст. / А. Г. Горшков, В. Н. Трошин, В. И. Шалашилин М.: Физматлит, 2002. -543 с.

5. ГОСТ 632-80. Трубы обсадные и муфты к ним Текст. Взамен ГОСТ 632-64; введ. 1986 - 01.01. -М.: Изд-во стандартов, 1986. - 64 с.

6. Долгих, Л. Н. К расчету наружных давлений на обсадную колонну Текст. / Л. Н. Долгих. // Тезисы докладов 31 научно-технической конференции / ПГТУ. Пермь, 2002. - С. 13-14.

7. Ерёменко, Т. Е. Крепление нефтяных и газовых скважин Текст. / Т. Е. Еременко. М.: Недра, 1965. - 214 с.

8. Зайнуллин, P.C. Критерии безопасного разрушения элементов трубопроводных систем с трещинами / Р. С. Зайнуллин, Е. М. Морозов, А. А. Александров М.: Наука, 2005 - 316 с.

9. Зенкевич, О. К. Метод конечных элементов в технике Текст. / О. К. Зенкевич. М.: Мир, 1975. - 541 с.

10. Ю.Измайлов, Л. Б. Методы повышения долговечности обсадных колонн Текст. / Л. Б. Измайлов. М.: Недра, 1984. - 181 с.

11. Инструкция по расчету обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин Текст.: взамен РД 39-7/1-0001-89: утв. 18.09.96: ввод в действие с 01.07.97. М.: ВНИИГаз, 1997. - 194 с.

12. Калинин, А. Г. Технология бурения разведочных скважин на нефть и газ Текст. / А. Г. Калинин. М.: Недра, 1998 - 440 с.

13. Каплун, А. Б. Ansys в руках инженера: Практическое руководство Текст. /

14. A. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. М: Едиториал УРСС, 2003 - 272 с.

15. М.Киммел, П. Borland С++ 5 Текст. / П. Киммел. СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 2001. - 976 с.

16. Кисельман, М. JI. Износ и защита обсадных колонн при глубоком бурении Текст. / М. Л. Кисельман. М.: Недра, 1971. - 208 с.

17. Колесников, В. В Использование программного комплекса ANSYS в расчетах критического наружного давления обсадных труб Текст. /

18. B. В. Колесников, В. А. Толпаев, А. В. Колесников, Н. Г. Федорова // Обозрение прикладной и промышленной математики, Москва ООО «ОПиПМ», 2007.-С. 1107-1108. Том 14.

19. Конюхов, А. В. Основы анализа конструкций в ANSYS Текст. / А. В. Конюхов. Казань: Казанский государственный университет, 2001. -102 с.

20. Мавлютов, М. Р. Технология бурения глубоких скважин Текст. Учебное пособие для вузов / М. Р. Мавлютов, Л. А. Алексеев, К. И. Вдовин и др. -М.: Недра, 1982.-288 с.

21. Мамедов, А. А. Предотвращение нарушений обсадных колонн Текст. /

22. A. А. Мамедов. М.: Недра, 1990. - 240 с.

23. Мочернюк, Д. Ю. Некоторые проблемы расчета обсадных труб на прочность Текст. / Д. Ю. Мочернюк. Львов: изд-во Львовского университета, 1972. - 96 с.

24. Песляк, Ю. А. Расчет напряжений в колоннах труб нефтяных скважин Текст. / Ю. А. Песляк. М.: Недра, 1973. - 217 с.

25. Подбельский В. В. Программирование на языке Си Текст. /

26. B. В. Подебельский, С. С. Фомин. М.: Финансы и статистика, 2005. -600 с.

27. Саргсян, А. Е. Сопротивление материалов, теории упругости и пластичности. Учеб. пособие для вузов. 2-е изд. Текст. / А. Е. Саргисян -М.:ВШ, 2000.-286 с.

28. Саркисов, Г. М. Расчеты бурильных и обсадных колонн Текст. / Г. М. Саркисов М.: Недра, 1971.-205 с.

29. Сароян, А. Е. Трубы нефтяного сортамента. Справочник. Текст. /

30. A. Е. Сароян, Н. Д. Щербюк, Н. В. Якубовкий и др..; под общ. ред. А.Е. Сарояна. М.: Недра, 1997.-488 с.

31. Селезнев, В. Е. Математическое моделирование трубопроводных сетей и систем каналов: методы, модели и алгоритмы / В. Е. Селезнев,

32. B. В. Алешин, С. Н. Прялов М.: МАКС Пресс, 2007. - 695 с.

33. Селезнев, В. Е. Основы численного моделирования магистральных трубопроводов / В. Е. Селезнев, В. В. Алешин, С. Н. Прялов М.: КомКнига, 2005. - 496 с.

34. Сызранцев, В. Н. Расчет напряженно-деформированного состояния деталей методом конечных и граничных элементов: Монография Текст. / В. Н. Сызранцев, К. В. Сызранцев. Курган: Изд-во Курганского государственного университета, 2000. - 111 с.

35. Тагиров, К. М. Исследование напряженного состояния поврежденных обсадных труб методом конечных элементов (Часть I) Текст. / К. М. Тагиров, Н. Г. Федорова, В. Е. Дубенко, Н. В. Дадашева. // НТЖ «Нефтяное хозяйство», №11, 2001. С. 56-59.

36. Тагиров, К. М. Исследование напряженного состояния поврежденных обсадных труб методом конечных элементов (Часть II) Текст. / К. М. Тагирова, Н. Г. Федорова, В. Е. Дубенко, Н. В. Дадашева. // НТЖ «Нефтяное хозяйство», №12, 2001. С. 33-36.

37. Тимошенко, С. П. Сопротивление материалов. Т.2. Более сложные вопросы теории и задачи: пер. с англ. Федорова В.Н. с третьего америк. издания. [Текст] / С. П. Тимошенко. М.: Наука, Главная ред. физико-математической литературы, 1965. — 480 с.

38. Толпаев, В. А Модификация формулы Саркисова для расчета критических давлений обсадных труб повышенной точности изготовления Текст. /

39. B. А. Толпаев, В. В. Колесников, Н. Г. Федорова // Нефтепромысловое дело, Москва ОАО «ВНИИОЭНГ», 2008. С. 42-47.

40. Федорова, Н. Г. Разработка расчетно-методическго комплекса для мониторинга несущей способности Текст.: автореферат диссертации доктор технических наук: 25.00.15: защищена 01.03.2007 / Федорова Наталья Григорьевна Ставрополь, 2007.

41. Федорова, Н. Г. О погрешности расчетов параметров остаточной прочности обсадных колонн по данным ГИС Текст. / В. А. Толпаев, В. В. Колесников // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, Москва ОАО «ВНИИОЭНГ», 2007. №9 С. 32-34.

42. Чигарев, А. В. ANSYS для инженеров Текст. / А. В. Чигарев,

43. A. С. Кравчук, А. Ф. Смалюк. Справочное пособие М.: Машиностроение-1, 2004. - 512 с.

44. Шамис, В. A. Borland С++ Builder 6. Для профессионалов Текст. /

45. B. А. Шамис. СПб.: Питер, 2004. - 688 с.

46. API Bul 5СЗ. Bulletin on Formulas and Calculations for Casing, Tubing, Drill Pipe, and Line Pipe Properties. American Petroleum Institute, Bulletin 5C3, Sixth edition, October 1. 1994, Supplement 1, April 1999.

47. API Spec 5CT. Specification for Casing and Tubing. American Petroleum Institute, Specification 5CT, Third edition, December 1. 1990.

48. API/ISO TC67/SC5/WG2b: Modernization of API bulletin 5C3 / Document ref.: Report 0107, Issue 01, January 2007.

49. Casing String design model (CASING2). Theory and user manual / Maurer engineering inc., Houston, October 1996, 120 p.

50. DEA-130. Modernization of tubular collapse performance properties / API/HSE/MMS Participant Report. 2002, p. 103.

51. Endres, Albert A hand book of software and system engineering / Albert Endres, Dieter Ronbach Fraunhofer Institute for Experimental Software Engineering, Sauerwiesen 6, D-67661 Kaiserslautern, Germany, 2003. - 327 p.

52. Ford, Advanced Mechanics of Materials / Longmans, London, 1963.

53. Fryer Donald M. High pressure vessels / Donald M. Fryer, Jhon F. Harvey -Chapman & Hall; 1st edition (January 15, 1998) 216 p.

54. Hill, R. The Mathematical Theory of Plasticity / Oxford, Clarendon Press, 1950.

55. Howard, Brett Novel measurement techniques for assessment of geometrical variation in the reeling process / Brett Howard, Georg Brown. Technip offsore UK Ltd.

56. Lyons, William C. Standard handbook of petroleum and natural gas engineering / William C. Lyons, Gary J. Plisqa Gulf Professional Publishing; 2 edition, USA, 2004, 1568 p.

57. Moaveni Saeed Finite element analysis. Theory and application with ANSYS / Saeed Moaveni Minnesota State University: Mankato, 1999, 526 p.

58. Rabia H. Fundamentals of Casing Design (Petroleum Engineering and Development Studies) / H. Rabia Springer, 1 edition (July 31, 1987), 254 p.

59. Raffo, Javier Numerical model of UOE steel pipes forming process and structural behavior / Javier Raffo, Rita G. Toscano, Luciano Mantovano and Eduardo N. Dvorkin Center for Industrial Research (CINI).

60. Verkfraeôistofa Guômundar og Kristjâns Iceland Deep Drilling Project Casing Design IDDP-Drilling Technique. May, 2003.

61. Yeowell, Alec WRC APPROVED / Alec Yeowell Report No.: UC6715, January 2005.

62. CAE: Компьютерный анализ Электронный ресурс. Режим доступа: http://cae.tgngu.tyumen.ru

63. ANSYS Inc. Electronic resource. Mode access: http://www.ansys.com/5 9. Инженерно-технический журнал по компьютерным технологиям инженерных расчетов и анализа (CAE) Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ansyssolutions.ru/

64. ANSYS ANSYS Release 9.0 Documentation Electronic resource. -Electronic data