Сіздің жобаңыздың тереңдігі мен топырақ қысымына сәйкес құбыр қабырғасының қажетті қалыңдығын есептеу

Негізгі түсіндірмeler Жабық шың Сыртқы қысым әсерінен қабырға қалыңдығын есептеу

Топырақ пен гидростатикалық қысымның құбыр беріктігіне әсері

Құбырдың ішіндегі су салмағы мен сырттан әсер ететін топырақтың қысымы құбырдың қабырғаларына қарсы бағытталған күштер тудырады, ол құбырдың бұзылу қаупін туғызады. Бұрғылау тереңдігі артқан сайын, мысалы, 2023 жылғы салааралық деректерге сәйкес, тек су қысымы ғана 100 метр тереңдікте шамамен 1,02 МПа-ға дейін артады. Іс жағдайы тағы да нашарлайды, өйткені қиын формациялар, мысалы, ұлғаятын балшық қабаттары шын мәнінде жан-жақты қысымды тағы да арттырады. Барлық осы әртүрлі кернеулер құбыр қабырғаларында инженерлердің айналасындағы кернеу деп атайтын құбылысты тудырады. Бұл құбыр қабырғаларының қалыңдығы қаншалықты болу керектігін дәл есептеу – құбырдың қысым астында құлатылуы немесе тік және бұрышты ұңғымаларда сыртқа қарай иілуі сияқты апаттық жағдайларды болдырмау үшін өте маңызды жұмыс екенін білдіреді.

Сыртқы қысым астындағы құбыр қабырғасының қалыңдығын есептеудің негізгі принциптері

Сыртқы қысым әсерінен құбыр қабырғасының қалыңдығын есептеу кезінде көптеген инженерлер оның қирауға төзімділігін анықтау үшін ASME B31.3 стандартына сілтеме жасайды. Олар пайдаланатын негізгі формула: t_min тең (сыртқы қысым мен сыртқы диаметрдің көбейтіндісі) бөлінген (материалдың аққыштық шегінің екі есесі мен пісіру қосылысының тиімділігінің қосындысы плюс 0,4 есе сыртқы қысымға). Қысқаша түсіндірсек, t_min – қажетті ең аз қалыңдық, P_ext – өлшенген сыртқы қысым, D_o – құбырдың сыртқы диаметрі, S – материалдың аққыштық шегі, ал E – пісіру қосылысының тиімділігін білдіреді. Шынайы өндірістік жағдайларда қауіпсіздік шектері мен өндірістік мүмкіндіктердің арасындағы тепе-теңдікті табу қажет. Қабырғаның қалыңдығын арттыру өндіріс құнын күрт арттырады, соңғы SPE Drilling 2022 жылғы деректері бойынша әрбір сызықтық фут үшін 18-42 АҚШ долларына дейін қосымша шығын жасайды.

Бастапқы қалыңдықты бағалауда тау жыныстары мен геологиялық қысымдардың рөлі

Жыныстың түрі мен кеуектілік қысымының градиентінің геомеханикалық моделі базалық қалыңдық талаптарын анықтайды. 2,1+ sg эквивалентті саз суспензия салмағын талап ететін тақтатасындағы қабырғаның қалыңдығы тұрақты құмтасты жыныстармен салыстырғанда 15–25% артық болуы тиіс. Нақты уақыт режиміндегі бұрғылау кезінде логгинг (LWD) деректері қазір түпқазанға түсіру операциялары кезінде динамикалық түзетулер енгізуге мүмкіндік береді.

Тәжірибелік жағдай: Сычуань өзенінің ылғалды аумағындағы үлкен сыртқы жүктемелерге төтеп бере алатын терең ұңғыма

Сычуань провинциясындағы Лонгмакси сланцындағы 7850 м газ ұңғымасы 138МПа сыртқы жүктемеге төтеп беру үшін қабырғасының қалыңдығы 18,24 мм N80 құбыр қажет болды. Монтаждың соңында алынған калиперлік логтар үш жарылым аймағынан туындаған тектоникалық кернеулерге қарамастан <0,3% сопақтықты растады, ол ASME негізіндегі жобалау тәсілін дәлелдейді.

Болашақ бағыт: Құбыр жобалау кезінде нақты уақыт режиміндегі геоқысымды моделдеу

Қазіргі кезде күрделі операторлар цементтеу кезінде қабырғаның моделдерін жаңарту үшін машиналық оқыту мен таратылған оптикалық талшықты сезгіштерді біріктіреді. Бұл тұйық циклдық тәсіл 2022 жылы өткізілген өрістік сынақтар кезінде ЖҚҚТ ұңғымаларында қабырғаның құлдырауын 41% қысқартты, SPE техникалық мақалаларында айтылған.

Терең қабырға орнату кезінде иілу мен сығылу қирауын болдырмау

Иілу мен сығылу әсерінен қабырғаның құлдырауының өрістік оқиғалары

2022 жылы 17 терең сулы жобаны талдау нәтижесінде қабырғаның деформациясының 35% пайызы диагностикаланбаған иілу әсерінен болып, жөндеу шығындарының орташа шамасы оқиға сай 2,1 млн доллар болды. Бұл ақаулар жиі орнатылғаннан кейін апта немесе ай өткен соң болып жатты, бұл сыртқы жүктемелердің әсерінен кейін конструкциялық реакцияның кеш болуын көрсетеді.

Қабырға құбырларының иілу мен сығылу қирауының механикасы Қабырға Құбырлары

Кожелі қысу кернеулері құбырдың ең жоғары шамасынан асып кеткен кезде, оның иілуі басталады. Бұл критикалық жүктемені есептеу формуласы былай көрсетіледі: Pcr тең π екі дәрежесінде көбейтілген E*I-ге бөлінген (K*L) екі дәрежесіне. Осы айнымалыларды түсіндірейін – E дегеніміз серпімділік модулі, I дегеніміз инерция моменті, K дегеніміз ұшының шартын сипаттайтын коэффициент, ал L дегеніміз құбырдың тіреусіз ұзындығы. Қызық екен, іс жүзінде, ісірілген глиналары бар сланец тау жыныстары әдеттегіден үлкен көлденең күштер туғызады. Бұл критикалық жүктеме шамасына әлдеқайда әсер етеді. Шын мәнінде, зерттеулер сланецті жағдайларда Pcr құмтасты қабаттардағыдан 40% төмендейтінін көрсетті. Бұл айырмашылық өте үлкен және инженерлердің жобалау кезеңдерінде ескеруі тиіс нәрсе.

Тіреусіз Ұзындықтың Горизонталь және Терең Қазбалардағы Иілу Қауіптеріне Әсері

Горизонтальдық ұңғымалар тік эквиваленттерге қарағанда ұзын қолдауы жоқ қаптамалардың аралығынан 2.3° жоғары бүгілу ықтималдығын көрсетеді. Перм бассейнінде операторлар орталықтандырушыларды жақсарту арқылы қолдаусыз бөліктерді "12 метрге" шектегеннен кейін құлау жағдайларын 62% -ға азайтты.

Қадамдар: Мексика шығанағында орналасқан құдықтар

2021 жылы терең судағы жобаның 3,5 мың метрлік теңіз қашықтығында қаптаманың ұнтақтануы (диаметрі 17% -ға азайды) аяқталғаннан кейін 90 күн ішінде болды. Толық элементтер бойынша талдау бойынша, бұзылу 14 метрлік, қолдауы жоқ, 12500 psi сыртқы қысымға ұшыраған, артық жүктемеден болған ауысуларға байланысты.

Стратегия: тиімді ұзындығын азайту үшін орталықтандырғыштармен және цементпен байланыстыру арқылы қолдауды оңтайландыру

Солтүстік теңіздегі сынақтар 8 метр аралықта орналасқан орталықтандырғыштарды, шайырлы цемент жүйелерімен бірге жүктемені 78% -ға жақсартуды көрсетті. Бұл тәсіл, тіпті қатты ауытқылған ұңғыма жолдарында да, тиімді қолдаусыз ұзындықты 5 метрден төмен түсірді.

Қиын формацияларда құрылымдық тұрақтылықты қамтамасыз ету үшін Do/T қатынасын тиімді пайдалану

Жоғары диаметр-қалыңдық (Do/T) қатынасымен байланысты құлдырау ақаулары

Сараптама деректері 2023 жылғы Drilling Integrity Report-та келтірілген тұрақсыз сланец формацияларындағы құбыр үзілулердің 47%-ы Do/T қатынасы 30:1 асқан жағдайда болатынын көрсетті. Әрбір 5 бірлік қатынас өсуіне байланысты құлдырауға төзімділік 18–22%-ға дейін төмендейді, өйткені қалыңдығы аз қабырғалар асимметриялы формация қысымының әсерінен иіледі.

Құбыр құрылымдық тұрақтылығына Do/T қатынасының ықпалы

Do/T қатынасы мен критикалық құлдырау қысымы арасындағы байланыс сызықты емес үлгіге сәйкес келеді:

P110 құбыр материалы бойынша API 5C3 құлдырау сынақтарынан алынған деректер

Зерттеу жағдайы: тұрақсыз қабаттардағы стандартты және жіңішке құбырлардың өнімділігі

2022 жылы Сычуань ойпатында жасалған жоба 9â…¥" құбырларды (Do/T 28:1) жіңішке 7" конструкциялармен (Do/T 22:1) салыстырды. 18 айдан кейін стандартты құбырларда 3,2 мм дөңгелену, ал жіңішке конструкцияларда – 0,8 мм дөңгелену байқалды, бұл бірдей геологиялық қысым жағдайында болды.

Жоғары дәрежеде қауіпті және терең қолданбаларда Do/T қатынастарының төмендеуіне бағытталған салалық ынталандыру

Мексика шығанағындағы операторлар қазір 15 000 фут TVD тереңдіктен асатын ұңғымалар үшін Do/T қатынастары <25:1 болуын талап етеді – бұл 2010 жылдардағы конструкциялармен салыстырғанда 35% төмендеу болып табылады. Бұл геомеханикалық қауіптерге назар аударатын ASME B31.8 нұсқаулықтарының жаңартылған нұсқасына сәйкес келеді.

Тереңдік, қысым және тау жыныстарының түріне сәйкес оптималды Do/T таңдау стратегиясы

Үш деңгейлі таңдау матрицасы қалыптасып отыр:

1. Do/T 15–20:1: Тұзды домендер мен тектоникалық аймақтар (>10 000 psi сыртқы қысым)
2. Do/T 20–25:1: Дәстүрлі қабаттар (5 000–10 000 psi)
3. Do/T 25–28:1: Қысымды бақылау жүйесі бар тұрақты тау жыныстары (<5 000 psi)

Төменгі ішкі қысым мен вакуумдық жағдайларда құбырлардың конструкциясын тексеру

Ұңғыма тоқтатылған және жөндеу жұмыстары кезінде құбырлардың құлдырауы

Құбырлар ішіндегі қысым жабдықтау немесе жөндеу жұмыстары кезінде сырттан әсер ететін қысымнан төмен болса, құбырлардың қирау қаупі туындайды. 2022 жылы SPE Журналында жарияланған зерттеуге сәйкес, төмен қысымды ұңғымалардағы құбырлардың шамамен ширегі жөндеу жұмыстары кезінде, атап айтқанда ішкі қысым 5 МПа-дан төмен болған кезде қиратын. Көптеген адамдар сыртқы күштер ішкі қысымнан үстем болып, құбырлардың біріктіру қабілетін жоятын осындай қысым инверсиясын ескермейді. Көптеген дәстүрлі құбырлардың конструкциялары осы аспектіні толық ескермейді, бұл ескермеу қиындықтарға әкелуі мүмкін.

Вакуум және өтпелі қысым жағдайлары үшін қабырға қалыңдығын тексерудің маңызы

Құбырлардың қабырға қалыңдығын тексеру үшін толық вакуумдық жағдайларды симуляциялау (0 psi ішкі қысым) және күтілетін максималды сыртқы жүктемелермен бірге қарастыру қажет. Негізгі аспектілерге келесілер жатады:

• CO₂ енгізу/шығару циклдары кезіндегі өтпелі қысым өзгерістері
• Ұзақтығы 20 жылдан астам ұңғыма құбырларындағы цементтік қабықтың бұзылуы
• Арктикалық немесе теңіз түбіндегі орталардағы термиялық қысу әсері
  API TR 5C3 нұсқаулығы вакуумдық жағдайлар үшін 1,25 қауіпсіздік факторын қолдануды ұсынады – бұл қалыпты қысымдық конструкциялық факторлардан 20% артық.

Зерттеу жағдайы: Вакуумдық циклдеуі бар құрлық көміртегін сақтау ұңғыма құбыры

Пермия бассейніндегі көміртегін сақтау жобасында 18 ай вакуум-қысым циклінен кейін өндірістік құбырларда 12 мм дәлдікпен дұрыс емес пішіннің пайда болуы. Сыныптау нәтижелері келесіні көрсетті:

Төменгі ішкі қысым жағдайында сенімді жұмыс істеу үшін қауіпсіздік коэффициенттерін қолдану

Қазіргі заманғы қорғаныштық құбыр желілерін жобалау процесстері ықтималдықты жүктеме модельдеу енгізу мұнай өндіру (EOR) және геотермалды қолданбалардағы қысым белгісіздіктерін шешу үшін. Ең жақсы тәжірибелерге мыналар жатады:

• Үшосьті кернеу талдауын дәстүрлі екіосьті модельдердің орнына қолдану
• SCADA интеграциясы арқылы нақты уақыт режимінде қысым шекаралық шарттарды жаңарту
• Ауыр жұмыс жағдайлары үшін құламаға төзімді болат маркаларын (мысалы, T95) көрсету

Бұл шаралар ішкі қысымдардың тау-кен жыныстары сұйығының градиентінен төмен болуы кезінде құбырлардың бүтіндігін сақтауға көмектеседі – келесі ұрпақ энергетикалық инфрақұрылымдық жобалар үшін маңызды талап.

Құбыр жүйесін жобалаудағы келісілген механикалық модельдеу және шекті элементтер талдауы

Цемент пен тау-кен жыныстарының әрекеттесуіне байланысты құбырлардың айналасындағы біркелкі емес кернеу таралуы

Қазіргі кезде қораптың қабында қиын әрі қысымды жағдайлар туындайды, себебі цемент қоршаған жыныстармен әрекеттесіп, қысымды аймақтарды құрайды. Бұл жай ғана сыртқы қысым емес. Цемент жыныспен қосылған кезде қорап қабындағы керілімнің теңсіз таралуы пайда болады. Осындай тепе-теңдіктің бұзылуы жылжып кету мен тозу процесстерін адамдар күтетіннен әлдеқайда жылдамдатады. Инженерлер осы процестерді түсіну үшін соңғы уақытта шекті элементтер анализін, қысқаша FEA қолданып жүр. FEA құралдары арқылы олар цементтің қораппен байланысуын микрон деңгейінде дейінгі ұсақ детальдарын бақылай алады. Көбінесе олардың табуы қатты қатты таң қалдырады, себебі көне әдістерде, яғни барлығы түзу сызықпен жұмыс жасайды деп қабылданатын әдістерде көптеген әлсіз жерлер көрінбейді.

Орындық керілістер кезіндегі Қораптың Механикалық Моделдеуіндегі Жетістіктер

Көп физикалық модельдеу бойынша соңғы жетістіктер температура градиенттерін, тау жыныстарының пластикалылығын және сұйықтың тудыратын коррозиясын бір уақытта ескереді. 2024 жылы жасалған зерттеу геотермалды 17 ұңғыдан алынған деректерге сәйкес қабылдың деформациялану порогын болжауда 92% дәлдікке жеткізді. Бұл дәлдік инженерлерге геологиялық қысым туралы нақты уақыт режимінде алынған жаңартылған ақпаратқа сәйкес қабырғаның қалыңдығын динамикалық түрде реттеуге мүмкіндік береді.

Құбыр-цемент-тұнба жүйесінің шекті элементтер арқылы талдауы: байланыстың және микросақиналардың түзілуін болдырмау

Шекті элементтер әдісінің (FEA) нақты құндылығы құбыр, цементтік қабық және қоршаған тау жыныстарынан тұратын үштік жүйелерді талдауда көрінеді. Жылу циклдауы мен қысымдық шоктарды модельдеу арқылы инженерлер жоғары энтальпиялы қоймалардағы байланыс жоғалу қаупін анықтайды. 2023 жылы жасалған әдіс цементтің серпімді модульдерін FEA негізінде материал таңдау арқылы таңдап алу арқылы қышқыл газды ұңғылардағы микросақиналардың түзілуін 40%-ға дейін азайтты.

Тәжірибелік мысал: Тарим ойпатындағы құбыр-цемент-тұнба жүйесін толық модельдеу арқылы тексерілген жоғары қысымды-жоғары температуралы ұңғы

Қытайдың Тарим өзенінің ойпатында жүргізіліп жатқан ЖЖҚҚ жобасы шын мәнінде шекті элементтер анализін қолданып көрсетті. Инженерлер құбырлардың 162 МПа қысым мен 204 градус Цельсий температура сияқты қатаң жағдайларға қаншалықты төтеп бере алатынын болжау үшін өте күрделі шекті элементтер анализі бағдарламалық құралдарын пайдаланды. Бұрғылау аяқталғаннан кейін олар нақты өлшеулерді бағдарламалық модельдер болжаған нәтижелермен салыстырды. Нәтижесінде не шықты? Нақты деректер мен компьютерлік модельдер арасындағы айырмашылық бір пайыздың жартысынан аспады. Мұндай дәлдік инженерлердің қателіктері қымбатқа түсетін қатаң жер асты жағдайларымен жұмыс істеу кезінде сенімділік сезімін білдіреді.

Теория мен өнімділік арасындағы қашықтықты жою үшін шекті элементтер анализі мен өрістік деректерді интеграциялау

Бүгінгі тау-кен жобаларында операторлар шекті элементтер анализінің (FEA) модельдеріне бұрғылау телеметриясын жіберіп жатыр. Біз амплитудалық үлгілер, бұрғылау кезіндегі айналу моментінің өлшемдері, қысымның кенет көбеюі туралы айтамыз. Бұл кері байланыс жүйесін енгізгеннен кейін бір сланецті газ жобасында 50 ұңғыма бойынша қаптама құбырлардың 31% дейін кемігенін байқаған. Бұл ескі әдістермен салыстырғанда өте үлкен нәтиже, себебі инженерлер тек статикалық есептеулерге сүйеніп келген. Біз бүгін көріп отырған нәрсе – қаптаманың уақыт өткен сайын қаншалықты тұрақты екенін қайта ойлау болып табылады. Компьютерлік модельдеу мен нақты бұрғылау жағдайларынан алынған деректерді біріктіре отырып, қаптаманың тұрақтылығы саласында жаңа бағыт ашылды.

Жиі қойылатын сұрақтар

Сыртқы қысым әсерінен қаптама құбыр қабырғасының қалыңдығын есептеудің негізгі мақсаты қандай?

Негізгі мақсат - топырақ қысымы мен гидростатикалық күштер сияқты сыртқы қысымдарға қарсы тұру үшін құбырлардың конструкциялық бүтіндігін қамтамасыз ету.

ASME B31.3 стандарты қабырғаның қалыңдығын есептеуге қалай көмектеседі?

ASME B31.3 стандарты сыртқы қысымды, құбырдың сыртқы диаметрін, материалдың ақпараттық беріктігін және пісіру қосылыстарының тиімділігін ескере отырып, қажетті минималды қабырға қалыңдығын анықтау үшін формула ұсынады.

Құбырларды жобалау барысында геопрессиялық модельдеуді нақты уақытта жүргізу неге артта қалмайды?

Нақты уақытта геопрессиялық модельдеу операциялар барысында динамикалық жаңартулар мен түзетулер енгізуге мүмкіндік береді, бұл күрделі және жоғары қысымды орталарда құбырлардың құлау қаупін айтарлықтай төмендетеді.

Терең құбырларды орнату кезінде иілу мен қысу ақауларын болдырмау бойынша маңызды стратегиялар қандай?

Стратегиялар цементтелген байланыс және централизаторлармен қолдауды тиімді пайдалануды, қолданыстағы ұзындықты азайтуды және дәл кернеу таралуын модельдеу үшін шекті элементтерді талдауды қамтиды.

Do/T қатынасы қашан құбыр қабырғасының істен шығуын басқаруда маңызды болып табылады?

Do/T қатынасы құбыр қабырғасының қирауына тікелей әсер етеді; жоғары қатынастар істен шығу жиілігін арттырады, сондықтан құрылымдық тұрақтылықты сақтау үшін оңтайландыру маңызды.

Шекті элементтерді талдау (FEA) құбыр қабырғасы жүйесін жобалауды қалай түрлендіруде?

FEA құбыр-цемент-тұнба әрекеттесуінің күрделі моделін симуляциялауға, кернеу таралуы туралы нақты ақпарат алуға және тұрақтылық пен істен шығуға төзімділікті арттыру үшін оңтайландыруға мүмкіндік береді.