обсадная труба для скважин в интервале вечной мерзлоты

Формула изобретения

Обсадная труба для скважин в интервале вечной мерзлоты, отличающаяся тем, что ее внешняя поверхность выполнена последовательным чередованием перпендикулярных продольной оси трубы колец в виде выступов и впадин треугольной формы в сечении или образующая внешней поверхности трубы представлена волнистой линией.

Описание изобретения к патенту

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.

На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемой трубы с выступами 1, окруженной талой породой 2. Труба имеет средний диаметр Д _ср. При замерзании талой породы будет развиваться давление Р, действующее во всех направлениях одинаково.

На фиг.2 показано предлагаемое кольцо высотой Н и углом при вершине 2 . Давление Р направлено по нормали к граням кольца и раскладывается на составляющие: Р_в1 и P_г1 на верхнюю грань (как показано на чертеже), Р_в2 и Р_г2 - на нижнюю грань. Так как вертикальные составляющие Р_в1 и Р_в2 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

P_в1=Р_в2=Р×cos . Если =30°, то cos30°=0,866.

Тогда вертикальные составляющие Р_в1=Р_в2=0,866Р.

Горизонтальные составляющие P_г1=Р_г2=Psin . 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.