Напряженное состояние горных пород при бурении скважин: Методические указания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСТЕТ»

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН Методические указания по курсу «Напряженное состояние горных пород при бурении скважин» для студентов специальностей 553300 «Прикладная механика», 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин» и 090802 «Ремонт и восстановление скважин» очной и заочной форм обучения

Тюмень 2002 г

Утверждено редакционно-издательским советом Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители:

Герасимов Д.С., к.т.н., доцент Паршукова Л.А., к.т.н., доцент

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СС «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2002 2

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ В соответствии с учебным планом специальности 553300 «Прикладная механика» для специализации "Динамика и прочность машин" в цикле дисциплин специализации для нефтегазового дела предусматривается изучение курса "Задачи механики сплошной среды при бурении и разработке нефтяных и газовых месторождений" рассматриваются задачи из курса «Напряженное состояние горных пород при бурении скважин», которые рассматриваются с позиции механики сплошной среды. Аналогичная ситуация характерна и для специальности 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин», в которой существует специализация "Механика сплошной среды". Изучение технологии управления процессами бурения и разработки нефтяных и газовых месторождений необходимо при освоении таких дисциплин, как "Основы нефтегазового дела", "Ремонт и восстановление скважин", "Механика горных пород", "Крепление нефтяных и газовых скважин". Целью изучения курса является знакомство студентов с основными способами, методами и приемами расчетов различных сред и состояний машин и оборудования промыслов. Основными задачами курса являются: 1. изучение механизма управления процессами бурения и характеристика его основных функций; 2. ознакомление студентов с основными аспектами математического (производственно-технологического) аппарата расчетов; 3. изучение способов прогнозирования и планирования ремонтновостановительных работ; 4. знакомство с методами моделирования производственных процесов; 5. приобретение студентами практических навыков в области составления и решения уравнений математических моделей; 6. применение контроля и тестирования решений в процессе управления математическим моделированием. Помимо аудиторных занятий в процессе изучения курса "Задачи механики сплошной среды при бурении и разработке нефтяных и газовых месторождений" студентами выполняется самостоятельная работа, которая способствует более углубленному изучению дисциплины. Самостоятельная работа студентов может проводиться: • с преподавателем, включая зачет и проверку контрольных работ, консультации по курсовому проектированию; • с группой для консультирования перед экзаменом и по текущим вопросам, а также предполагает проверку остаточных знаний по курсу у студентов очной формы обучения; • без преподавателя, при подготовке к текущим занятиям, контрольным и 3

домашним работам, а также при написании курсовых работ. В качестве итоговой аттестации по курсу для студентов специальности 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин» предусмотрен зачет и экзамен. 2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД В процессе бурения вскрываются горные породы с различными литологическими составами, физико-механическими свойствами, степенью насыщенности и видом пластовых флюидов, коэффициентами аномальности пластовых давлений. Наряду с устойчивыми породами, которые позволяют оставить без закрепления ствол скважины на длительное время, встречаются неустойчивые и несвязанные. Для того чтобы предотвратить нарушение устойчивости стенок скважины, ствол ее необходимо крепить. Для крепления стенок скважины применяют обсадные колонны, составленные из стальных труб, которые должны обеспечивать: номинальный диаметр ствола скважины в интервалах неустойчивых горных пород; герметичное разобщение горизонтов с различными коэффициентами аномальности пластовых давлений и с различным насыщением пластовыми флюидами, транспортировку жидкости и газа от продуктивных горизонтов к устью скважины (в эксплуатационных скважинах); подачу рабочего агента (воды, газа, пара, и др.) с устья скважины к эксплуатационным объектам (в нагнетательных скважинах). Конструкция скважины зависит от цели и способа бурения, геологических условий проходки, глубины и числа продуктивных горизонтов и др. Конструкция скважина должна обеспечивать: проходку скважины до проектной глубины, надежную изоляцию газо -, нефте-, водонапорных горизонтов, достижение проектных режимов эксплуатации, возможность проведения ремонтных работ в скважине. Конструкция скважины предусматривает определение числа, диаметра и длины обсадных колонн, толщины стенки и группы прочности материала труб. Направление предохраняет устье скважины от обвалов и размыва. Спускают направление до плотных пород, способных сохранять устойчивость стенок скважины при дальнейшем её углублении. Кондуктор предназначен для перекрытия верхних слабоустойчивых горных пород и водоносных горизонтов верхней части геологического разреза и служит для установления на устье скважины противовыбросового оборудования. В нефтяных и нагнетательных скважинах глубина спуска кондуктора определяется положением подошвы перекрываемых пород. Башмак кон 4

дуктора должен быть установлен в устойчивых породах. В газовых скважинах глубина спуска кондуктора должна перекрывать все проницаемые породы и исключать возможности грифонообразования и разгазирования водоносных горизонтов. Промежуточная колонна спускается в тех случаях, когда в процессе углубления ствола скважины до проектной глубины могут возникнуть различные осложнения: газо-нефте-водопроявления; поглощения бурового раствора, обвал стенок скважин и др. Эксплуатационная колонна спускается в скважину и цементируется после достижения проектной глубины и вскрытия продуктивного горизонта. Диаметр колонны выбирают исходя из ожидаемых дебитов жидкости и газа на разных стадиях эксплуатации. Её внутренний диаметр должен быть достаточен для спуска оборудования (перфораторов, насосов, пакера и пр.), подземного и капитального ремонтов, а также ловильных работ. При проводке эксплуатационных скважин на месторождениях Западной Сибири наиболее распространена следующая конструкция: 324-мм направление, 245-мм кондуктор, 168-мм эксплуатационная колонна. Для нагнетательных и эксплуатационных скважин, бурящихся в сложных геологических условиях, применяют конструкцию, включающую 426-мм направление, 324-мм кондуктор, 245-мм промежуточную колонну, 168-мм эксплуатационную колонну [2]. Геологический разрез месторождений Среднего Приобъя включает четвертичные осадки, палеогеновые и меловые отложения. Четвертичные осадки имеют мощность до 70 м и более, содержат пойменный, пески, глины, супеси и на заболоченных участках торф. Палеогеновые отложения представлены глинами темными, плотными, опоковидными с примесью алевролитового и известкового материала. Общая мощность отложений 650 – 670 м. Верхнемеловые отложения в верхней части представлены глинами, известковыми опоковидными и плотными темными аргиллитами ганькинской, березовской и кузнецовской свит. Нижняя часть сложена мощной толщей переслаивающихся песчано – алевролито – глинистых пород сеноманского возраста. Общая мощность 550 – 575 м. Нижнемеловые отложения в кровельной части представлены песчано-алевролитовыми осадками и глинами апт – альбского возраста. В остальной части разреза выделяются вартовская и мегионская свиты, сложеные часто чередующимися песчаниками и алевролитами. К этим отложениям приурочены основные нефтеносные пласты месторождений. Основная часть нефтяных залежей, находящихся в эксплуатации, залегает на глубинах до 2300 м. В этом интервале более 90 % разреза представлено породами, прочность которых на одноосное сжатие не превышает 30 МПа [2]. 5

Переслаивание пород различной твердости весьма значительна. В разрезе большое количество глинистых пород, склонных к набуханию и кавернообразованию. Принята следующая разбивка разреза по интервалам, внутри которых буримость пород условно считается постоянной. Интервал, м Тип долот

0-1160 м, мс

1160-1720 мс

1720-2020 с

2020-2300 с

2300-2500(3000) с

До глубины 1500 м в составе глинистых пород преобладает монтмориллонит, что предопределяет возможность интенсивного кавернообразования из-за набухания глин. По величине коэффициента набухания весь разрез также можно разделить на интервалы, подобные интервалам одинаковой буримости: 300-900 м – 2,34; 900-1600м – 1,15; 1600-1900м – 1,45; 1900-3000м – 1,11. При строительстве скважин на месторождениях Среднего Приобъя Западной Сибири применяют в основном одноколонную и только в особо сложных геолого-технических условиях двухколонную конструкцию. Обсадные колонны в период многолетней службы в скважинах испытывают нагрузки от действия многих сил. В процессе спуска в скважину на колонну действует растягивающая сила собственного веса труб и жидкости, находящейся в ней; силы инерции колонны и жидкости; сила трения о стенки скважин; гидродинамические силы, возникающие при вытеснении жидкости и др., на участках искривления ствола скважины на колонну действует также изгибающий момент. При закачке цементного раствора в обсадную колонну появляется растягивающая сила от веса жидкости, а при продавке – растягивающая сила от высокого внутреннего давления. Кроме того, в этих процессах возникают и гидродинамические силы, особенно при большой скорости течения жидкости в кольцевом пространстве. На колонну также действует внутреннее и внешнее давление жидкостей. После окончания цементирования гидродинамические силы перестают действовать, но появляются новые, связанные с изменением порового давления в цементном растворе при его превращении в цементный камень. В процессе освоения и эксплуатации нефтяных скважин внутреннее давление в эксплуатационной колонне снижают. При этом возникает избыточное наружное давление, которое может привести к смятию обсадной колонны. Избыточное наружное давление на обсадную колонну возникает и в тех случаях, когда за колонной находятся породы с высокими реологическими свойствами (вязкопластичные глины, солевые отложения и т. д.) 6

В газовых и фонтанирующих нефтяных скважинах в процессе эксплуатации избыточным давлением считают внутреннее и для верхних труб колонны оно может стать разрушающим. Кроме того, из-за повышения температуры колонны от нагрева газа и жидкости в верхней части ее могут возникнуть осевые напряжения сжатия с последующим профильным изгибом (жесткая обвязка колонны на устье скважины препятствует свободному перемещению верхнего конца эксплуатационной колонны). То же наблюдается в нагнетательных скважинах при закачке нагретого пара. При закачке воды в пласт в верхних трубах колонны возникают осевые растягивающие силы. В скважинах, где в процессе эксплуатации горные породы призабойной зоны разрушаются, и большая часть песка выносится на дневную поверхность, фильтровая часть обсадной колонны испытывает действие вертикальной осевой силы. Промежуточные (технические) колонны во время бурения, а эксплуатационные колонны при испытании, подземных и капитальных ремонтах скважин испытывают действия силы трения от бурильного инструмента (долота, замков и т. д.) и подземного оборудования (муфт насосно-компрессорных труб, канатов и т. д.). Обсадные колонны при долговременной эксплуатации подвергаются воздействию агрессивных сред, что вызывает коррозию металла. При проектировании обсадных колонн учитывать все эти нагрузки невозможно, поэтому при расчете учитывают только основные нагрузки. Обсадные колонны нефтяных и газовых скважин рассчитывают по инструкции, утвержденной министерством нефтяной и газовой промышленности РФ. В инструкции приведены способы определения максимальных значений избыточных наружных и внутренних давлений, осевых нагрузок при бурении, опробовании, эксплуатации, ремонте скважин. На основании рассчитанных нагрузок, учитывая прочностные характеристики труб, приводится методика расчета обсадных колонн, в результате определяют конструкцию обсадной колонны (размеры, группы прочности труб по секциям и их длины). 3. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРД НА КРЕПЬ СКВАЖИНЫ Как показала практика, эксплуатационные колонны рассчитывают главным образом на смятие и на страгивающие нагрузки. Максимальные значения рабочих внутренних давлений достигаются в период ввода скважин в эксплуатацию (при закрытом устье) и при нагнетании в скважину жидкостей для интенсификации добычи (например при гидроразрывах); минимальные значения внутренних давлений наблюдается при окончании эксплуатации скважин. 7

Так, в период ввода скважин в эксплуатацию максимальное внутреннее давление (Па) Рbz=Pпл – 9,81ρв (L - Z)

при 0 ≤ Z ≤ L

(1)

где Рпл – пластовое давление, Па; ρв – плотность воды в колонне, кг/м3; L – глубина скважины, м; Z – расстояние от устья скважины до рассматриваемого сечения, м. По окончании эксплуатации минимальное внутреннее давление Рbz=0 при 0 ≤ Z ≤ H при H ≤ Z ≤ L , (2) Pbz=9.81ρb (Z-H) где Н – расстояние от устья скважины до уровня жидкости в колонне, м. Наружное давление на забое определяется с учетом давления составного столба бурового и цементного растворов и разгрузки в зоне цементной оболочки, т.е. РHL= 9,81[ρ р h + ρ ц (L − h )](1 − K ) + Kρ в (3) L

где ρр – плотность бурового раствора за колонной кг/м3; h – расстояние от устья скважины до уровня цементного раствора, м; ρц – плотность цементного раствора за колонной, кг/м3; К – коэффициент разгрузки цементной оболочки; ρв – внутреннее давление у забоя, определяемое по формулам (1.1), (1.2) при Z=L. Значения коэффициента К приведены ниже. Диаметр колонны, мм Коэффициент разгрузки цементной оболочки К

114-178 0,25

194-245 0,3

273-324 0,35

340-508 0,4

Распределение наружного давления на участке L-h принято линейным. Давление на этом участке определяется по формуле: PHL − PHh (Z − h ) L−h = 9.81ρ p h

PHZ = PHh +

(4 ) Избыточное наружное давление определяют как разность между наружным внутренним давлениями: PHU = PHZ − PBZ (5) Избыточное внутреннее давление ′ − PHZ ′ PBU = PBZ (6 ) где PBZ′ − внутреннее давление при испытании колонны на герметичность. PHh

Z

Z

8

Осевая нагрузка от собственного веса: n

Q = ∑ li qi

(7 )

1

где li – длина i –той секции колонны, м; qi – вес 1 м трубы в секции, Н. Сопротивляемость труб избыточному наружному давлению характеризуется критическим давлением, при котором максимальное напряжение достигает предела текучести материала. Критическое давление определяется по формуле Г.М. Саркисова. ⎧ ⎞ 3е ⎪ 2 ⎛ ⎟− Pкр = 1,1К min ⎨G р + ЕК 0 ρ ⎜⎜1 + 3 ⎟ 2 ρ К min ⎝ ⎠ ⎪ ⎩ K min = δ min / Д , К0 = δ 0

⎡ 3e 2 ⎛ ⎢G p + EK 0 ρ ⎜⎜1 + 3 ⎢⎣ ⎝ 2 ρ K min

2

⎞⎤ ⎟⎥ − 4 ЕК 0 2 ρG ρ ⎟ ⎠⎥⎦

⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭

(8)

Д,

где δ min - предел пропорциональности, который принимают равным пределу текучести материала трубы, МПа; Е – модуль упругости материала труб, МПа; е – овальность обсадной трубы; δ min , δ 0 -- расчетные толщина, мм; Д – наружный диаметр трубы, мм. Значения овальности труб приведены ниже: Диаметр обсадной трубы, мм е

114-219 0,01

245-324 0,015

>324 0,02

Толщину δmin и δ0 определяют по формулам δmin = 0,875δ; δ0 = 0,905δ

(9)

где δ -- номинальная толщина стенки трубы, мм. При расчете труб секции на смятие избыточное наружное давление не должно превышать критического, т. е. (10) PHU ≤ Р КР n1 , где n1 – коэффициент запаса прочности при смятии труб. Значение n1 для труб, находящихся в пределах эксплуатационного объекта, принимают равным 1,013 – 1,3 (в зависимости от устойчивости коллектора), а для остальных труб – 1,0 Для интервалов, в которых осевые растягивающие напряжения в колонне превышают 0,5 δТ, значения n1 увеличивают на 10 %. Сопротивляемость труб внутреннему давлению характеризуется критическим давлением, при котором наибольшие напряжения достигают предела текучести и определяется по формуле: Z

PK = 0.875

2δGT Д

(11) 9

При расчете колонны на внутреннее давление избыточное внутреннее давление их не должно превышать критического, т. е. PBU ≤ PK n 2 , (12) Для диаметров труб от 114 до 219 мм n2=1,15, а свыше 219 мм n2=1,52. При расчете обсадных колонн на растяжение страгивающую силу, при которой в опасном сечении резьбового соединения (треугольного профиля) напряжения достигают предела текучести, определяют по формуле Яковлева-Шумилова: Z

Pст =

πД с вGT

Д 1 + η с ctg (α + β ) 2l

,

(13)

где Дс – средний диаметр сечения по впадине первой полной нитки (в основной плоскости) Дс=Д-2t-b, см (t – глубина резьбы, см); GT – предел текучести трубы, МПа; η - коэффициент разгрузки; l – длина резьбы с полным профилем (до основной плоскости), см; α - угол между опорной поверхностью резьбы и осью трубы, равный 600; β - угол трения (7-11о). При расчете колонн на растяжение ее вес не должен превышать величину допустимой нагрузки, т.е. (14) Q≤Рраз/n3 где Рраз – разрушающая сила; n3 – коэффициент запаса прочности при страгивании . допустимые нагрузки на растяжение для труб с трапециидальным профилем резьбы определяют по формуле: Q=Рст/n3 Коэффициент запаса прочности в этом случае принимают равным 1.8. На практике методика расчета обсадных колонн сводится к определению внутренних избыточных РВИ и наружных избыточных РНИ давлений, а также растягивающих нагрузок при соблюдении условий прочности колонны: на смятие Рни≤ Ркр/n1; на разрыв Рви≤Рт/n2, на растяжение Q≤ Pстр/ n3 [1].

4. Пример расчета эксплуатационной колонны Пример расчета эксплуатационной колонны диаметром 146 мм для нефтяной скважины при следующих условиях: L=2500 м; Н=1000 м; h=1400 м, ρцр=1850 кг/м3, ρб.р.=1120 кг/м3, ρн=850 кг/м3, Рпл=25 МПа, К=0,25. Зона эксплуатационного объекта 2500-2200 м. Расчет. Определяем избыточные наружные давления (по стадии окончания 10

эксплуатации) для следующих характерных точек: 1. Z=0 ρниz=ρб.р.Z=0 МПа 2. Z=H ρниz=ρб.р.H=(9.81×10-6×1120×1000)=11.2 МПа 3. Z=h ρниz={ρб.р.h-ρн(h-H)}=9,81×10-6{1120×1400-850(14001000)}=12,3 МПа 4. Z=L ρниz={(ρб.р.-ρн)L-(ρц.р.-ρб.р.) h+ρнН)}(1-K)=9,81× -6 x10 {(1850-850)×2500-(1850-1120)×1400+850×1000}×(1-0.25)=17.5 МПа Определяем избыточные внутренние давления из условия испытания обсадной колонны на герметичность в один прием без пакера. Давление на устье: Ру=Рпл - ρнL=25,0-9,8×10-5×850×2500≅4,0 МПа Точка а: Z=0 Рвиz=1,1Ру=1,1×4,0=4,4Мпа По таблице для 146 мм колонны Роп=12,5 МПа, принимаем Рвиz=12,5 МПа, т.к. 1,1Ру<Роп [4] Точка б: z = 1400м Рвнz = Рон – (ρб.р.-ρо.ж.) × h = 12,5 – 9,8 × 105 (1120 - 1010) × 1400 = 11,0 МПа Точка в: z = L = 2500м Ввнz=[Рон(ρц.р. - ρо.ж.)L – (ρц.р. -5 ρб.р.)×h](1-k) = [12.5 – 9.8×10 (1850 – 1010)×2500 – 9.8×10-5(1850 – 1120)×1400]×(1 – 0.25) = 1.3 Мпа Проверяем прочность колонны на смятие: n1 = 1,15 [2] Рни≤ Ркр/n1 Определим n1Рниl = 1,15 × 17,5 = 20,13 МПа по табл. из (1) находим, что этому давлению соответствуют трубы из стали группы прочности Д с толщиной стенки 7 мм Ркр=20,5 МПа (1-я секция труб). Для 2-й секции выбираем трубы той же группы прочности с толщиной стенки 6,5 мм, для которых Ркр=17,7 МПа. Эти трубы могут быть установлены на глубине с давлением Рниz=17,7/1,15 = 15,4 МПа. По этюре (рис. 3а) такое давление соответствует глубине lдоп 6,5д=2430 м. Длина первой секции (δмм) l1=L-lдоп 6,5д=2500-2430= 70 м, а вес ее по {1} Q1=17400H=17,400 кН=0,0174 МН. Трубы 2-й секции устанавливаем до устья. l2=2430 м, а вес ее по {1} Q2=563760 H=563,76 kH=0,5638 MH. Общий вес двух секций: Q=Q1+Q2=17,40+563,76=581,16 кН=0,5812 МН. Осевая нагрузка, при которой напряжение в теле трубы достигает 0,5σ т, по табл.[1] составляет 0,55 МН (δ=6,5 мм). Определяем расстояние расчетного сечения трубы от устья скважины 11

l0=L-l1-

0,55 − Q 0,55 − 0,017 = 2500 − 70 − = 2297,4 м ≈ 2297 м . q 6,5 232 × 10 − 6

По эпюре находим, что на этой глубине Рниz=13,7 МПа, n1=17,7/13,7=1,29>1,10 Расчет колонны на разрыв: Рви≤ Рт/n2 n2=1,15 из [2] Первая секция по табл. [1] определяем, что для труб δ=7 мм Ртд7=31,8 МПа. Рассчитаем коэффициент запаса прочности, исходя из того, что Рви на уровне верхней трубы первой секции, расположенной на глубине 2430 м, равна 2,1 МПа. n2=31,8/2,1=15,1>>1,15 условие прочности выполняется, аналогично рассчитываем n2 для труб 2-й секции Ртд 6,5=29,6 МПа Рви по эпюре рис.3б на устье скважины равно 12,5 МПа→n2=29,6/12,5=2,4>>1,15 условие прочности выполняется. Рассчитаем колонну на растяжение: Q≤ Рстр/n3 n3=1,15 [2] Для 1-й секции колонны с δ=7 мм Рстр=0,71 МН

Q1=0,017 МН→n3=

Рстр Q1

=

прочности выполняется. Для 2-й секции колонны с δ=6,5 мм

0,71 = 41,8 >>1,15 условие 0,017

Рстр=0,64 МН; Q2=0,56

0,64 = 1,14 условие прочности не выполняется. Значит конструкМН→n3= 0,56

цию обсадной колонны берем другую и рассчитываем ее на прочность. Для РниL=20,13 МПа из [1] выбираем трубы группы прочности Д с толщиной стенки 8 мм и Ркр=26,2 МПа (1-я секция труб). Трубы 2-й секции берем той же группы прочности, но δ=7 мм, для которых Ркр=20,5 МПа. Эти трубы могут быть установлены с давлением Рниz=20,5/1,15=17,8 МПа, по эпюре (рис.3а) такое давление вообще не встречается. Поэтому примем трубы 1-й секции группы прочности Д, толщиной стенки 7 мм и Ркр=20,5 МПа, длиной секции равной L-h=2500-1400=1100 м. Вес этой секции труб берем из табл. [1] Q1=272800 Н=272,8 кН=0,2728 МН, l1=1100 м. Для второй секции выбираем трубы той же группы прочности с толщиной стенки 6,5 мм, для них Ркр=17,7 МПа [1]. Эти трубы могут быть установлены до устья скважины с давлением Рнz=17,7/1,0=17,7 МПа, т.к. nкр=1,0 [ 4]. 12

Вес второй секции табл. [1] Q=324800 Н=324,8 кН=0,3248 МН. Общий вес двух секций: Q1+Q2=272,8+324,8=597,6 кН=0,5976 МН. Осевая нагрузка, при которой напряжение в теле трубы достигает 0,5 σт по табл. [1] составляет 0,55 МН (δ=6,5 мм). Определяем расстояние расчетного сечения трубы от устья скважины l0=L-l1-

0,55 − Q1 0,55 − 0,2728 = 1194,8 м ≈ 1195 м = 2500 − 1100 − q 6,5 232 ×10 − 6

По эпюре (рис.3а) находим, что на глубине 1195 м Рниz=11,5 МПа. Определим коэффициент запаса прочности на критическое давление nкр=17,7/11,5=1,5>1,1, т.к. nкр для интервалов в которых осевые растягивающие напряжения в колонне превышают 0,5σт, необходимо увеличить на 10%, т.е. nкр=1,1. Расчет колонны на разрыв: Рви≤ Рт/n2 n2=1,15 из [2]. 1-я секция по табл. [1] определяем, что для труб δ=7 мм Ртд7=31,8 МПа. Рассчитаем коэффициент запаса прочности, исходя из того что Рви на уровне верхней трубы первой секции, расположенной на глубине 1400 м, равно 11 МПа. n2=31,8/11=2,9>>1,15 условие прочности выполняется, аналогично рассчитаем n2 для труб 2-й секции Ртд6,5=29,6 МПа Рви по эпюре рис.3б на устье скважины равно 12,5 МПа→ n2=29,6/12,5=2,4>>1,15 условие прочности выполняется. Рассчитаем колонну на растяжение Q≤ Рстр/ n3 n3=1,15 [2] Q1=0,2728 Для 1-й секции колонны с δ=7 мм Рстр=0,71 МН МН→n3=

Рстр Q1

=

0,71 = 2,6〉〉1,15 условие прочности выполняется 0,2728

Для 2-й секции колонны с δ=6,5 мм Рстр=0,64 МН Q2=0,3248 МН→n3=

0,64 = 1,97 >>1,15 условие прочности выполняется . 0,3248

Результаты расчетов сводим в табл. 1 Номер секции снизу вверх 1 2 Всего:

Толщина стенки δ, Интервал спус- Вес 1 м трубы. Н ка труб, м мм 7 1400-2500 248 6,5 0-1400 232 0-2500

Трубы изготовлены из стали группы прочности Д. 13

Вес секции, МН 0,2728 0,3248 0,5976

5. Анализ условий проводки скважин Анализ условий проводки скважин показывает, что данные по пластовым и поровым давлениям, температурном режиме и интервалах залегания отдельных литологических формаций могут быть недостаточно обоснованы. Все это затрудняет проектирование оптимальной конструкции скважины и разработку совершенной технологии бурения. Кроме того, в процессе бурения допускают некоторые отклонения от проектных решений, а именно: изменяют конструкцию скважины в сторону уменьшения прочности труб, увеличивают плотность бурового раствора, меняют компановки бурильного инструмента и др. в результате возникают осложнения и аварии, одними из которых являются смятие обсадных колонн. При проектировании обсадных колонн не учитываются возможное проявления полного горного давления текучих (пластичных) пород, неравномерное нагружение трубы, снижение прочности и герметичности цементного камня в результате некачественного цементирования и т.д. Следует отметить, что надежность обсадных колонн зависит, прежде всего, от обоснованного их расчета на наружное избыточное давление, значение которого должно быть определено, исходя из конструктивного условия нагружения. Известно, что обсадная колонна по стволу скважины подвергается воздействию наружного давления по-разному. Анализ смятия обсадных труб показал, что наиболее часто эти осложнения происходили в интервалах залегания глинистых пород (породы второго типа). Ко второму типу относятся породы, которые при постоянной нагрузке беспредельно формируются. Следовательно, необходимо определить величину давления пород второго типа на обсадную колонну и проверить ее прочность на смятие. При определении давления пород второго типа на обсадную колонну будем полагать, то с момента крепления стенки скважина сама колонна и окружающий ее массив горных пород находятся в состоянии плоской деформации [2]. Примем, что объемное сжатие горных пород равно нулю, то есть коэффициент Пуассона μ = 0,5. Напряженное состояние не нагруженного массива горных пород примем равным гидростатическому, т. е. коэффициент бокового распора полагаем равным единице из-за релаксации напряжения в горных породах за геологический период их образования. Тогда: Рг=σr=σQ=σZ=ρnZ (15) где Рг – горное давление; σr,σQ,σZ –радиальная, тангенциальная, вертикальная компоненты напряжений; ρn – плотность горной породы. 14

С момента закрепления скважины в течение ее работы давление на стенки колонны изменяется из-за релаксации напряжений в горных породах. Давление на стенки колонны в момент крепления скважины на глубине Z: для зоны выше цементного столба Р0=ρб.р.×Z (16) для зацементированной зоны: (17) Р1=ρц.р.×Z-(ρц.р.-ρб.р.)h Напишем уравнение состояния пород второго типа при симметричном плоско деформированном состоянии и μ=0,5 ∂ε Q

1 ∂ (σ Q − σ r ) + 1 (σ Q − σ r − K 1 ) 2σt 0 σ ∂t

=

∂t

∂ε r 1 ∂ (σ r − σ Q ) + 1 (σ r − σ Q − K 1 ) = ∂t 2σ ∂t 2σt 0 приT = (σ Q − σ r )〉 K 1

⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎭

(18 )

где εQ,εr – тангенциальная и радиальная деформация; t0 – время периода релаксации пород; σ - модуль Юнга. Для тангенциальной составляющей деформации из уравнения (18) получаем: ∂ε Q

=

∂t

1 ∂T 1 T − K1 + при Т >К1 2σ ∂t 2σ t 0

(19 )

Вследствие несжимаемости среды εr + εQ + εZ = 0 При плоской деформации εZ = 0→εr = -εQ , Подставляя это условие в уравнение совместимости деформаций ∂ε Q

+

∂r

∂ε Q ∂r

+

εQ −εr

2ε Q r

r

= 0 , получаем

(20)

=0

Уравнение равновесия в рассматриваемом случае имеет вид: ∂σ r σ r − σ Q + =0 ∂r r

Интенсивность напряжений в случае плоской деформации при коэффициенте Пуассона 0,5 Т=

1 (σ Q − σ r ) 2

Из решения совместных уравнений равновесия и интенсивности напряжений находим: 15

∂σ r 2T − =0 r ∂r

(21)

Определим начальные и граничные условия. В момент крепления скважин отсутствует радиальное перемещение стенок ствола и радиальное напряжение является постоянной величиной В момент крепления, при t0 = 0 ∂U = 0, σ r (r , о ) = р ∂t

(22)

где р – наружное давление на стенки обсадной колонны (определяем по формулам 16,17) В результате деформации пород (текучести глин) давление на стенки обсадной колонны увеличивается. При этом радиальное напряжение на стенки скважины и одновременно на обсадную колонну будет искомой величиной, т. е. После крепления ствола скважины имеем условие при t0 = t (23) σr(r,t) = q(t) Необходимо также учесть условия для интенсивности напряжения на границе релаксирующей и упругой областей. T(R1,t) = K1 , (24) где R1 – радиус релаксирующей области Из решения уравнения совместимости деформаций (20) имеем: ε Q = U (t )

r2

где U(t) – произвольная функция времени; r – радиус скважины. Подставив εQ в уравнение (19) с учетом условия (21), получим: ∂T T − K 1 + =0 ∂t t0

(25)

Интегрируя (25) в пределах от T(r,o) до T(r,t), имеем: T (r , t ) = K 1 (1 − l

−

t t0

) + T ( r , o )l

t t0

(26)

Из соотношения (26) и условия (24) следует: T(R1,t) = T(r,o) Исследования показывают, что предельное значение наружного давления q(t) достигается при времени близком к периоду релаксации пород, поэтому t = t0 Окончательно для расчетного наружного давления получаем: q расч. (t ) = P + 0.63K 1 ln

Pr − P + 0.37( Pr − P − K 1 ) K1

(27)

Эта формула позволяет определить наружное давление на обсадную колонну, исходя из ползучести горных пород, и выяснить причины смятия обсадных колонн. 16

6. Пример расчета Одной из основных нагрузок, действующих на колонну в период эксплуатации после спуска обсадной колонны в скважину и ее цементирования, считается наружное боковое давление, оказываемое окружающей средой. Главная причина смятия колонны – наличие в разрезах скважин пластов глин, которые, обладая свойством изменения напряженного состояния в течение времени, приводят к увеличению горного давления на колонну в этой зоне. Данные для расчета: скв. 135, Соимлорское месторождение. ρц.р.=1850 кг/м3; ρб.р.=1170 кг/м3; Z=400 м (глубина, на которой произошло смятие); h=100 м – расстояние от устья до уровня тампонажного раствора; ρп=2100 кг/м3 – плотность горных пород на Z=400 м (люлинворская свита), δ=7 мм; группа прочности Д, К1=2 МПа для глин. Рг=ρп×Z Рг=9,81×10-6×2100×400=8,2 МПа Р=ρц.р.×Z-(ρц.р.-ρб.р.)h=[1850×400-(1850-1170)10]9,81×10-6=7,2 МПа Подставим эти значения в формулу (27) при К1=2 МПа qрасч (t)=7,2+0,63×2×ln

8,2 − 7,2 +0,37(8,2-7,2-2)=6,0 МПа 2

Ркр для обсадной трубы из [1] равно 20,5 МПа. n1=

20,5 =3,4 6,0

т.е. трехкратный запас прочности от влияния наружно-

го бокового давления. Значит вывод о том, что смятие обсадной эксплуатационной колонны произошло из-за действия горного давления – неверен. Вполне возможно, что прочность колонны уменьшилась из-за коррозии металла труб, т.к. в этой скважине проводилась глинокислотная обработка и кроме того скважина эксплуатировалась длительное время. Возможно изначально низкое качество труб – дефекты металлургического происхождения: наличие в теле труб скрытых трещин, плён, закатов, которые были пропущены из-за несовершенства существующей системы контроля труб. 7. Выводы Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы: 1. При проектировании обсадных колонн учесть все нагрузки, действующие на них, невозможно, поэтому при расчете учитывают только основные нагрузки; 2. Надежность обсадных колонн зависит от обоснованного расчета на наружное избыточное давление, которое определяется, исходя из конкретных условий нагружения; 3. Необходимо учитывать величину давления пород второго типа на обсадную колонну с последующей расчетной проверкой их прочности на смятие; 17

4. Нагрузки, вызывающие повреждения обсадных труб, относительно малы, поэтому возможны изначальные низкие прочностные свойства материалов труб; 5. Для предотвращения нарушений обсадных колонн при строительстве и эксплуатации скважин необходим строгий контроль за качеством труб перед спуском их в скважину. 8. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ РАБОТ Контрольная работа должна быть представлена в компьютерном исполнении и выполнена в стандартном текстовом редакторе. Для оформления текста используются стандартные нелинованные листы бумаги А4 (210 х 247). Текст печатается с одной стороны листа через 1,5 интервала. Размер шрифта 14. Тексты условий задач перепечатываются обязательно. При решении задачи необходимо сначала привести расчетные формулы с расшифровкой входящих в них символов. Каждая использованная в расчетах формула записывается на отдельной строке. Все выполненные расчеты должны сопровождаться выводами. На последней странице необходимо привести список использованной литературы, с использованием которой выполнялась работа, а по тексту необходимо делать ссылки на литературный источник. Ссылки на литературу показываются в квадратных скобках. Например: [5] или [5, с.20], где цифра в скобках - номер источника по списку литературы. 9. Список литературы 1. Справочник по креплению нефтяных и газовых скважин/Булатов А.И., Измайлов Л.Б., Крылов В.И. и др. – 2 изд. перераб. и дополн. – М.: Недра, 1981, 240 с. 2. Мамедов А.А. Предотвращение нарушений обсадных колонн. – М.: Недра, 1990, - 240 с. 3. Соловьев Е.М. Задачник по заканчиванию скважин. – М.: Недра, 1989.- 254 с. 4. Р.Д. 39.39-7/1-0001-89. Инструкция по расчету обсадных коонн для нефтяных и газовых скважин. – Куйбышев; ВНИИТ нефть 1989. – 196с.

18

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН Методические указания по курсу «Напряженное состояние горных пород при бурении скважин» для студентов специальностей 553300 «Прикладная механика», 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин» и 090802 «Ремонт и восстановление скважин» очной и заочной форм обучения

Составители:

Герасимов Д.С., к.т.н., доцент Паршукова Л.А., к.т.н., доцент

ЛР № 020520 от 23.04.92 Подписано к печати Бум. писч. №1 Заказ № Уч. –изд.л. Формат 60х84 1/16 Усл. печ. л. Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж экз. ________________________________________________________________ Издательство «Нефтегазовый университет» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38. 19