Розрахунок напружень розтягу і згину в обсадній колоні, встановленій у свердловині зі складним профілем

Abstract

Обсадна колона у криволінійній свердловині представлена як суцільний довгий пружний стрижень. На нього вертикально діє вага, яка рівномірно розподілена по довжині та створює змінні осьові сили розтягу у тілі колони. Одночасно на неї діють сили реакції стінок свердловини, які разом з вагою вигинають колону початково прямолінійних труб. Прийнято, що вісь обсадної колони повторює вісь викривленої свердловини, а реакція стінок неперервно розподілена по довжині за певним законом, внаслідок якого колона набуває заданої форми. Складено систему диференціальних рівнянь рівноваги внутрішніх та зовнішніх сил і моментів, яку доповнено до замкнутого вигляду диференціальним рівнянням кривизни. Система описує великі деформації довгого пружного стрижня в одній площині. Уведення в розрахунок розподілених ваги, реакцій стінок та сил опору перетворюють її на неоднорідну. Особливістю системи є необхідність розв’язання оберненої задачі. При цьому відомими є зовнішнє навантаження та деформації стрижня, задані формою свердловини у вигляді даних інклінометричної таблиці. Визначенню підлягають невідомі внутрішні сили і така функція реакції стінок, яка створює його задану форму. Встановлено, що ця функція залежить від розподілу осьових сил, викликаних вагою і силами опору. У результаті систему зведено до лінійного неоднорідного диференціального рівняння зі змінними коефіцієнтами першого порядку відносно осьової сили та отримано його розв’язок у вигляді суми інтегралів. Показано, що один із них можна знайти у квадратурах лише для випадку постійного радіуса кривизни свердловини. Це зумовило необхідність застосування чисельних методів інтегрування. За розв’язком основного рівняння отримано формули розподілів осьових сил та згинальних моментів у тілі колони, а також реакцій стінок, які приводять колону до дійсного профілю свердловини. Для розрахунку вказаних силових чинників розроблені методика чисельного інтегрування даних інклінометричних вимірювань та програмне забезпечення числового аналізу реальної свердловини. Ця методика дозволяє виявити ділянки місцевого збільшення кривизни і ускладнення прохідності криволінійної свердловини та розрахувати основні параметри напружено-деформованого стану обсадної колони у ній.

The casing column in the curvilinear well is represented as a long solid elastic rod. It has a vertically acting weight, which is evenly distributed along the length and creates variable axial tensile forces in the column body. At the same time, it is influenced by the reaction forces of the borehole walls, which, together with the weight, bend the column of initially straight pipes. It is assumed that the casing axis replicates the axis of the bent borehole, and the walls reaction is continuously distributed along the length according to a certain law, which, together with the weight, bends the column of the initially straight pipes. A system of differential equilibrium equations of internal and external forces and moments was composed. This system was supplemented to a closed form with the differential equation of curvature. This system describes large deformations of a long elastic rod in one plane. The introduction of the distributed weight, wall reactions and resistance forces into the calculation makes it non-uniform. Its feature is the need to solve the inverse problem. In this case the external load and rod deformations defined by the well shape in the form of an inclinometric data table are known. The unknown internal forces and the function of the walls reaction which creates its predetermined shape must be determined. It is established that this function depends on the distribution of axial forces caused by weight and resistance forces. As a result the system was reduced to a linear inhomogeneous differential equation with variable coefficients of the first order as to the axial force and its solution was obtained as a sum of integrals. It is shown that one of them can be found in quadratures only in the case of a constant radius of curvature of the well. This necessitated the use of numerical integration methods. Formulas for the distribution of axial forces and bending moments in the body of the column, as well as the reactions of the walls leading the column to the actual well profile are obtained from the solution of the basic equation. To calculate these force factors, a method for numerical integration of inclinometric measurements data and software for numerical analysis of a real well are developed. This technique allows to detect the areas of local increase of the curvature and difficult passage of the curvilinear wellbore and to calculate the main parameters of the stress-strain state of the casing column in it.