Ссылка для цитирования: Попов С.Н., Чернышов С.Е., Кривощеков С.Н. Сопоставительный анализ аналитического и численного методов расчета напряженно-деформированного состояния околоскважинной зоны на основе упругой модели с учетом основных конструктивных элементов скважины // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 5. – С.94-102. Актуальность исследования обусловлена необходимостью расчета напряженно-деформированного состояния околоскважинной зоны при разработке нефтяных и газовых месторождений для прогноза устойчивости обсадной колонны и сохранности цементного камня. Цель: на основе сопоставительного анализа методов аналитического и численного моделирования расчета напряжений вблизи вертикальной скважины с применением упругой модели определить распределение радиальных и угловых напряжений, сопоставить точность их вычисления разными методами и выявить достоинства и недостатки каждого из них. Объекты: околоскважинная зона терригенного коллектора ачимовских отложений одного из месторождений Ханты-Мансийского автономного округа. Методы: аналитический и численный конечно-элементный методы расчета напряженно-деформированного состояния околоскважинной зоны с учетом основных конструктивных элементов скважины и с использованием линейно-упругой модели. Результаты. Рассмотрены аналитические соотношения, используемые для расчета радиальных и угловых напряжений в колонне, цементном камне и породе-коллекторе, а также уравнения, применяемые при численном конечно-элементом моделировании напряжений вблизи вертикальной скважины. Разработана конечно-элементная схема околоскважинной зоны, включающая ее основные конструктивные элементы. Представлены результаты расчета основных компонент тензора напряжений в конструктивных элементах скважины в зависимости от радиальной координаты для величин забойного давления 20, 40 и 60 МПа. Проведен сопоставительный анализ результатов расчетов напряжений указанными методами. Показано, что наибольшее расхождение между аналитическим и численным методом составило 2 %, что соответствует радиальным напряжениям для варианта расчета с забойным давлением 20 МПа. В среднем расхождения составили: для радиальных напряжений – 0,04 %, для угловых – 0,72 %. Сделан вывод о том, что при использовании модели линейно-упругой среды и при граничных условиях в виде закрепления модели в верхней и нижней части по нормали к поверхности, а также без учета распределения давления в депрессионной воронке модели достаточно использовать аналитический метод расчета. Если же предполагается использовать комбинированные граничные условия, пороупругую модель, учет вязкопластических деформаций, то наиболее предпочтительно использовать метод численного моделирования.

No abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью учета эффектов деформаций терригенных пород-коллекторов и изменения проницаемости пласта при прогнозе продуктивности нефтяных скважин в условиях варьирующихся значений пластового и забойного давлений.Цель: на основе лабораторных экспериментов выявить закономерности изменения проницаемости образцов керна терригенного коллектора при изменении пластового и забойного давлений и оценить степень влияния данных эффектов на продуктивность нефтяной скважины.Объекты: терригенные породы-коллекторы нефтяных месторождений, расположенные на юге Пермского края.Методы: лабораторные исследования по определению проницаемости образцов керна на фильтрационной установке при различных величинах порового давления и давления обжима образцов; численное моделирование околоскважинной зоны методом конечных элементов с использованием основных соотношений теории пороупругости Био для определения величины эффективных напряжений и оценки их влияния на проницаемость пород-коллекторов и продуктивность нефтяной скважины.Результаты. Получены аналитические зависимости, описывающие изменение проницаемости при снижении и восстановлении пластового (забойного) давления, которые показали снижение проницаемости образцов керна на 20,6 % при предельном снижении порового давления с 14,5 до 5 МПа. При восстановлении давления до первоначальной величины проницаемость восстанавливается только до 84,5 % от исходного значения, что говорит о существенной роли необратимых пластических деформаций породы. Результаты численного моделирования распределения эффективных напряжений в околоскважинной зоне показали, что при создании максимальной депрессии 9,5 МПа коэффициент продуктивности уменьшается на 10 %. Если уменьшить депрессию и восстановить забойное давление, то коэффициент продуктивности восстановится до 92 % от первоначального, что опять же говорит о негативной роли пластических деформаций породы-коллектора. Если пластовое давление снижается до 8,5 МПа, то величина снижения коэффициента продуктивности составит 13 % по сравнению с максимальным значением.

Purpose. The purpose of this study is to establish technological conditions and parameters for obtaining materials for improving the performance of machine parts under conditions of heavily loaded friction units due to quasi-tribosystems of gas thermal sprayed anti-friction layers. Research methods. Priori data were used in combination with our own scientific developments of the dependences of the influence of the chemical composition of gas thermal sprayed anti-friction layers on the physical and mechanical properties of the surface layer of the material, which is destroyed under tribosystem conditions. Results. On the basis of the theoretical and practical scientific research, a set of relevant knowledge has been obtained, which makes it possible to determine the main criteria requirements for obtaining anti-friction layers and graphically describe the characteristics of the alloy and show the correlations of the parameters with each other. The positive role of aluminum as a soft component of anti-friction pseudoalloys, which is well sprayed by thermal metallization at an affordable cost, has been experimentally confirmed. It has been proven that gas thermal coatings in the form of pseudoalloys, consisting of particles with different physical and mechanical properties of materials, can have up to 2–3 times higher wear resistance compared to single-component coatings from materials included in the composition. Scientific novelty. Theoretical and practical scientific research with the reproduction of system analysis to increase the resistance to destruction under the conditions of quasi-tribosystems of gas thermal sprayed antifriction layers is given. It is shown that in order to ensure a good running in of the contacting surfaces in the friction zone and particles of hard material with high wear resistance and resistance against sticking with the counterbody, anti-friction pseudoalloys of coatings should contain zones of material particles with lower hardness to comply with the Charpy principle. It has been determined that when spraying composite wires for application as a solid component of anti-friction coatings, it is possible to use particles of alloying elements that form intermetallic compounds or phase components of alloys with a high hardness during melting. A comparative analysis showed that two-component coatings deposited with composite wires are characterized by higher hardness and wear resistance under high contact pressures compared to coatings of the same composition deposited with different types of solid wires. Practical value. The obtained results allow, within the framework of technical and technological accuracy, which is necessary in the practical engineering forecasts, to determine the physical and mechanical properties of wear resistant gas thermal sprayed anti-friction layers under conditions of quasi-tribosystems. Thus, in comparison with cast antifriction materials of the same composition, anti-friction layers obtained by thermal metallization have a 1.5–1.8 times higher wear resistance.