наука — производству_
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕПИ АРКТИЧЕСКИХ СКВАЖИН ПРИ ИХ ПРОМЕРЗАНИИ
В. КУЗНЕЦОВ, А. БЕЛОБОРОДОВ, К. СЫЗРАНЦЕВА,
Тюменский государственный нефтегазовый университет
Обеспечение надежности арктических скважин осложнено наличием в их геологическом разрезе многолет-немерзлых горных пород (ММП), мощность которых составляет иногда более 600 метров, а температура нейтрального слоя достигает -8"С. Нарушение температурного режима крио-литозоны и обусловливает возникновение специфических осложнений. Одним из самых тяжелых является смятие труб обсадных колонн в интервале ММП, для устранения которого требуются большие материальные затраты.
Известно, что причина смятия — избыточное давление, возникающее при замерзании воды в заколонных пространствах во время длительных простоев скважин. Замкнутые промерзающие объемы образуются в арктических скважинах в результате гравитационного расслоения тампонажного раствора или недоподъема его до устья. Избежать этого практически невозможно.
В зависимости от формы и размера промерзающих объемов на обсадные трубы крепи скважин может действовать равномерно распределенная по телу трубы или локальная осесимметрич-ная нагрузка. Промысловым экспериментом установлено, что величина давления обратного промерзания заколонного пространства может достигать 40 МПа [1].
Наиболее эффективным способом предотвращения смятия является создание оптимально прочных крепей сква-
--Рн
¡ц
Б:
Е1 6:
Бг
01 (ЗЕ
-□бссш
КОЛОНН
|ые 1Ы
IЦемент
б) осесимметричная локальная нагрузка
Рис. 1. Расчетные схемы рассматриваемого участка крепи
б! б2 8! 82 Е -■-'цем Ест Ццем Цст р„ 01 02
м м м м МПа МПа - - МПа м кН кН
0,168 0,244 0,0089 0,01 1-104 2,1-10= 0,2 0,3 40 1,0 600 400
Табл 1. Исходные данные для расчета двухколонной крепи.
жин [2]. Крепь арктических скважин в интервале ММП обычно состоит из 2 — 4 зацементированных обсадных колонн. Реализация этого метода достигается поэтапным выполнением нескольких технико-технологических задач. На стадии проектирования необходима оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) крепи в случае воздействия на нее давления замерзающей жидкости.
В работах [2, 3] рассмотрены основные аспекты расчета составных крепей скважин. Общим их недостатком является то, что авторами была принята «гипотеза плоских сечений», согласно которой наличие сил сцепления цементного кольца со стенками колонн указывала на отсутствие осевых деформаций в крепи. Кроме этого, не учитывалось, что обсадные колонны в скважине цементи-
и;: заышом
■ х ч. ш п 10*
а) осесимметричная распределенная нагрузка
б) осесимметричная локальная нагрузка
Рис. 2. Поле распределения эквивалентных напряжений (только осесимметричная нагрузка)
наука — производству
Ш
а) осесимметричная распределенная нагрузка а) осесимметричная локальная нагрузка
Рис. 3. Поле распределения эквивалентных напряжений (осесимметричная и осевая нагрузка)
Вид нагрузки Напряжение, МПа (min/max)
Радиальное Осевое Кольцевое Сдвиговое Эквивалентное
Распределенная -40,04 0,18 -84,03 -7,60 -258,65 -14,75 -5,91 5,91 12,12 213,08
Распределенная и осевая -40,04 -0,19 -0,12 91,47 -255,26 -15,63 -5,94 5,94 19,74 296,45
Локальная -40,90 1,25 -101,55 45,66 -258,71 4,91 -2,87 19,99 1,05 232,63
Локальная и осевая -40,90 1,06 -0,31 151,60 -256,49 0,94 -2,87 19,99 3,11 300,28
Табл. 2. Диапазон изменения напряжений на рассматриваемом участке крепи скважины для различных расчетных случаев.
Вид нагрузки Перемещение, мм
Радиальное Осевое Суммарное
Распределенная - 0,12 ... -0,07 0 0,07 ... 0,12
Распределеннаяи осевая - 0,15 ... -0,09 - 0,82 ... -0,71 0,72 ... 0,84
Локальная -0,13 ... 0,01 -0,14 ... -0,11 0,12 ... 0,17
Локальная и осевая - 0,15 ... -0,01 - 0.43 ... -0,33 0,33 ... 0,45
Табл. 3. Диапазон изменения перемещений на рассматриваемом участке крепи скважины для различных расчетных случаев
руются в подвешенном состоянии, и поэтому испытывают значительные осевые напряжения, максимальные значения которых имеются в трубах, перекрывающих интервал ММП.
В связи с этим для проектирования оптимальных крепей скважин следует применять методики, дающие возможность проводить расчеты их НДС с большей точностью. Выполнять требуемый анализ НДС крепежей скважин позволяют численные методы теории упругости, в частности, метод конечных элементов (МКЭ).
С помощью МКЭ оценим напряженное состояние двухколонной крепи скважины при распределенной и локальной осесимметричной нагрузке Рн=40 МПа для двух расчетных случаев: с учетом осевой силы и без нее. Для этого воспользуемся программным универсальным конечно-элементным пакетом ДМБУБ [4].
Результаты проведенных расчетов представлены на рис. 2 и 3 и в табл. 2 и 3.
Анализ показывает, что при внеш-
нем давлении 40 МПа смятия крепи не произойдет, так как эквивалентные напряжения (по IV теории прочности) не превышают предельных для труб.
Анализ полученных результатов показывает, что наиболее тяжелые условия работы крепи наблюдаются при воздействии на нее локальной осесим-метричной нагрузки. Величина эквивалентного напряжения при ее воздействии превышает аналогичную величину распределенной нагрузки примерно на 8,4%. При этом в крепи возникают значительные осевые и сдвиговые напряжения, что может привести к потере контакта между цементом и обсадными трубами, следовательно, и к значительному снижению прочности крепи скважины. Эквивалентные напряжения с учетом действия растягивающей осевой нагрузки увеличиваются на 28% при распределенной и на 23% — при локальной нагрузке.
Таким образом, для обеспечения надежности крепи скважин в интервале ММП необходимо учитывать влияние
осевой нагрузки и использовать седи-ментационно-устойчивые, безусадочные тампонажные цементы, нормально твердеющие в условиях низких положительных и отрицательных температур.
Литература
1. Грязнов Г.С., Кузнецов В.Г., Чебы-шев Г.В. Промысловые исследования давлений на обсадные трубы, перекрывающие многолетнемерзлый массив //Нефтяное хозяйство., 1991, — № — 7, с. 12.
2. Гайворонский A.A., Цыбин A.A. Крепление скважин и разобщение пластов. — М., Недра, 1981, — 367 с.
3. Кузнецов В.Г., Якубовская С.В., Герасимов Д.С. Напряженно-деформированное состояние крепи скважин при внешней локальной осесимметричной нагрузке. // Известия ВУЗов «Нефть и газ», 2002, №6, с. 31-34.
4. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах/ Под общ. ред. Д.Г. Крас-ковского. — М., КомпьютерПресс, 2002. 224 с.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.