Диссертация (1173025), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Процессы выделения газа происходят не только из-заестественного изменения температуры и давления в стволе скважины, нотакже и при применении механических методов эксплуатации (погружнойнасос, винтовой насос). Например, эффективность газоотделения газожидкостной сепараторной установки перед погружным насосом составляет около70% ~ 80%[39], отделенная жидкость нагревается, проходя через двигательохлаждая его. Тепло отобранное от двигателя рассеивается в стволе скважины ,при этом нагревая жидкости, обсадные трубы, цемент и окружающую скважину горную породу, переходя к низкотемпературным гидрат-содержащимпластам (часть ниже уровня дна), что приводит к началу разложения гидратав граничной поверхности контакта пласта и цемента, из-за чего образуетсякольцевой микрозазор граничной поверхности.
Через некоторое время выделенный метан будет перемещаться вверх вдоль зазоров между породой и стенкой скважины. Вместе с тем зазор между породой и цементным слоем скважины по мере распада гидрата плотность пласта будет становиться все больше,а также будет увеличиваться серьезность степени деформации, которой подвергаются стенки скважины и втулки.
Учитывая, что гидратосодержащий слойдостаточно рыхлый, к тому же из-за воздействия высокой температуры, помере постепенного уплотнения пласта и усиления теплобмена между стволомскважины и пластом будут уменьшаться силы сцепления [40]. Дальнейшиеухудшения, происходящие из-за таких факторов, как перемещение свободногогаза вдоль зазоров между стенкой скважины и пластом, оказывает слишкомбольшое влияние на ствол скважины, что может принести серьезные проблемы для его целостности.Во время разработки залежи гидрата, по мере течения выделенного природного газа вдоль ствола скважины к устью, температура газа постепенно38снижается, в это время выделяется вода, растворенная в природном газе, формируя двухфазный поток.
В условиях подходящего давления и температурыпроисходит вторичное образование гидрата в стволе скважины [41] (рис. 4).Гидрат закупоривает скважину и вызывает ряд следующих проблем: 1) проблему защиты потока; 2) большой перепад давления в скважине на участкахдо и после гидратной пробки; 3) при образовании гидрата выделяется тепло настенке скважины. При этом в процессе разработки с пониженным давлением,из-за того, что распад гидрата является эндотермической реакцией, в пластнеобходимо подводить дополнительную энергию, например периодически подавать горячую воду для предотвращения образования вторичного гидрата встволе скважины [41].
Более того, количество образовавшейся в газогидратнойскважине воды намного больше, чем в обычной скважине (может превышатьв 100 раз) [42]. Поэтому для обеспечения коммерческой добычи для газогидратной скважины требуется еще больший размер ствола скважины и обсаднойтрубы, а во время бурения скважины со стволом еще большего размера, несомненно, предъявляются еще более высокие требования к устойчивости стеноки целостности ствола скважины.Эти проблемы приводят к изменению температурного поля и поля напряжений внутри ствола, и могут оказать влияние на устойчивость и целостностьвсей скважины. В настоящее время в России и за рубежом сравнительно малоисследуется целостность ствола скважины, на которую влияют такие факторы,как многофазный поток внутри ствола и образование гидрата. Ли Линдун [43]идр.
создали численную модель на основе влияния температуры бурового раствора на устойчивость крепления скважины в газогидратном пласте. Математическое моделирование подтвердило версию, что повышение температурыможет привести к еще большему увеличению распада гидрата и одновременнок снижению прочности пласта и ухудшению его механических свойств.(рис.16)39Рис.16. График температуры и давления газогидрата в стволе скважины«Упрощенная» двухфазная модель при вскрытии пластаИсследование модели ослабления граничной поверхности газогидратногопласта и эксплуатационной скважины в условиях двухфазного превращенияможно отнести к категории механики контактной поверхности.
Механическиесвойства контактной поверхности «грунт – конструкция» – это закономерность механической реакции, проявляемой при равномерном и циклическомвоздействии, включая тангенциальную деформацию (соотношение касательного напряжения и деформации), нормальную деформацию (закономерностьизменения тела), а также характеристики прочности.Соотношение «касательное напряжение – деформация контактной поверхности» – это одна из основных механических особенностей контактнойповерхности. При анализе результатов экспериментов часто описывается, каксвязь «касательное напряжение – перемещение». Клаф (Clough) и Дункан(Duncan) на основе результатов экспериментов выявили гиперболическую зависимость между средним напряжением сдвига и относительным тангенциальным перемещением контактной поверхности песка и бетона, которая впоследствии широко использовалась[44].
Брандт (Brandt) [45]полагает, что разрушение контактной поверхности происходит по модели разрушения прижестком пластическом сдвиге. Десай (Desai) [46]путем эксперимента циркуляционного прямого среза контактной поверхности песка Оттава (Ottawa) ибетонной плиты провел анализ связи «касательное напряжение контактной поверхности – перемещение в процессе загрузки – разгрузки – дополнительной40загрузки». Он обнаружил, что после того как касательное напряжение достигает максимального значения и проходит через определенный циркуляционный срез и кривая зависимости «касательное напряжение – перемещение» может стать закрытой кривой.
Тангенциальная жесткость контактной поверхности увеличивается по мере роста нормального напряжения и количества циклов нагружения. Касательное напряжение контактной поверхности – это функция тангенциального перемещения, к тому же оно зависит от нормальногонапряжения, количества циклов нагружения и плотности грунтовых масс. Зегал (Zeghal) и Эдил (Edil) [47]отмечают, что разрушительное влияние частицна связь «касательное напряжение – деформация контактной поверхности» достаточно очевидна.Предельное сопротивление сдвигу в процессе деформации являетсянаиболее изученным ранее свойством механики контактной поверхности.
Ранее ученые сосредотачивали внимание в основном на исследованиях такихфакторов влияния на него, как тип структурной поверхности, шероховатостьповерхности, механические свойства грунтов, влагосодержание грунтов, нормальное напряжение, скорость сдвига, направление сдвига, количество цикловнагружения. Основные факторы влияния на различные контактные поверхности также различаются.
Потионди (Potyondy) [46] провел достаточно систематизированные эмпирические исследования прямого сдвига контактной поверхности между песком, глиной, а также их смесью и листовой сталью, бетоном и деревянной плитой. Эти исследования показали, что прочность контактной поверхности между глиной и конструкцией можно описать аналогичнокритерию прочности Мор-Кулона, включая две части, касающиеся силы сцепления и нормального напряжения.
Предполагается, что фрикционное влияниевлагосодержания грунтовых масс, шероховатости плит, состава почв и нормального напряжения на контактную поверхность достаточно большое. Цубакихара (Tsubakihara) [49] и Кишида (Kishida) обнаружили критическую шероховатость благодаря экспериментальному изучению контактной поверхностимежду обычной консолидированной глиной Кавасаки (Kawasaki) и листовойсталью, в соответствии с повреждением контактной поверхности делятся натри типа: относительное скольжение, повреждение породы и совместное воздействие двух форм. Когда шероховатость листовой стали превышает критическую шероховатость, прочность контактной поверхности равна прочностисамой глины, повреждение контактной поверхности происходит в глине; когдашероховатость стальной пластины меньше критической шероховатости,41прочность контактной поверхности ниже, чем прочность глины.
Цубакихара(Tsubakihara) и Кишида (Kishida) также обнаружили, что скорость загрузкиоказывает большее влияние на пиковую прочность контактной поверхности,но оказывает меньшее влияние на остаточную прочность.Прочность контактной поверхности, выраженная в виде эффективногонапряжения, не имеет ничего общего с давлением уплотнения и условиямидренажа. Чжан Га[46], основываясь на эксперименте двухмерного моделирования контактной поверхности системы, полагает, что прочность на сдвиг грубозернистой почвы и структурной контактной поверхности при циклическомнагружении в основном такая же, как у монотонного сдвига, независимо отнаправления сдвига, и есть достаточно большая зависимость от характерапочвы, нормального напряжения, шероховатости плиты. Хоу Вэньцзюнь [51]показал, что сдвиговая прочность контактной поверхности не зависит отнаправления сдвига и линейно зависит от нормального напряжения.
Ее можноописать по критерию Мура-Кулона.Характеристика изменения объема контактной поверхности означает, чтоконтактная поверхность будет испытывать значительное изменение объема вовремя процесса сдвига, а изменения поверхности контактной поверхности оказывают важное влияние на ее статические и динамические свойства. Поэтомуизучение механических свойств контактной поверхности должно учитыватькасательный и нормальный механический отклик, а также связь в обоихнаправлениях. Петерсон (Peterson) [52]и другие наблюдали значительную дилатантность при испытании на сдвиг плотной контактной поверхности с песком и бетоном и листовой стали.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
