Диссертация (1173025), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Булон (Boulon) [53] также обнаружил, чтоконтактные поверхности песков различной плотности подвергаются большойобъемной деформации во время процесса сдвига и сосредоточены в тонкомслое вблизи несущей панели. Аналогичное явление наблюдалось Хрисив(Hryciw) и Ирсиам (Irsyam) [54], эта часть области называется полосой сдвига.В то же время было обнаружено, что явление полосы сдвига контактной поверхности между плотным песком и листовой сталью с шероховатой поверхностью очевидно, однако у гладкой контактной поверхности нет явного проявления полосы сдвига.
Ху Лимин [55,40] на основе применения технологиифотомикроскопических измерений делает вывод, что толщина полосы сдвигапревышает примерно в 5-6 раз средний размер частиц.Исследование Фахариана (Fakharian) [56]показывает, что изменение касательного напряжения и деформации контактной поверхности зависит от42изменения объема, для гладких несущих панелей контактная поверхность восновном сжимается, когда несущая панель грубая, поверхность контакта сначала сдвигается, а затем проявляется дилатансия.
Гомес (Gоmez) [57] обнаружил, что после того, как контактная поверхность достигает остаточной прочности, деформация больше не происходит.Чжан Га и Чжан Цзяньминь[58], основываясь на испытании циклическогосдвига контактной поверхности, отмечают, что изменение объема между крупнозернистой породой и структурной контактной поверхностью можно разложить на две составляющие обратимости и необратимости в условиях двумерного циклического сдвига.
Обе составляющие подчиняются разным закономерностям. Обратимая деформация сдвига может быть далее разложена наизотропный и анизотропный компоненты, а необратимая деформация сдвигаможет быть использована как мера эволюции состояния контактной поверхности. Основываясь на трехмерном эксперименте по взаимодействию грубозернистой породы и структуры, Хоу Вэньцзюнь считает, что необратимая деформация сдвига контактной поверхности подобна линейным и вращательным траекториям сдвига, что в основном связано с длиной сдвига контактнойповерхности.
Она мало связана с направлением сдвига, скорость развития изменений обратимого сдвига тесно связана с отношением напряжения. Многими учеными проведено большое количество экспериментальных исследований и расчетов теоретических моделей характеристик газогидратосодержащего пласта в условиях фазового превращения, что позволило установить множество моделей сцепления. Однако простая суперпозиция была проведенатолько при теоретически осуществимых процессах (передача тепла с изменением фазы, газожидкостное просачивание и др.), степень исследования взаимодействия между различными механизмами недостаточна, нет конкретныхисследований контактной поверхности газогидратосодержащего грунта и эксплуатационной скважины, что отражено в механизме изучения взаимодействия между грунтами и структурной контактной поверхностью.
В ходе многочисленных экспериментальных исследований были рассмотрены только изменения характеристик контактной поверхности под влиянием отдельно взятого фактора (шероховатость, содержание воды), а влияние реальных полевыхусловий на сам грунт и контактную поверхность не рассматривалось. В вопросе их взаимодействия также существует множество проблем механического характера, которые не разрешены. Кроме того, в процессе бурения43залежей газогидратов из-за суровой среды бурения в глубоких водах в сочетании с присутствием гидратов сложность бурения значительно возрастает.Газогидраты очень чувствительны к температуре и давлению, а изменения давления пласта и температуры вокруг ствола скважины во время бурениянеизбежно приводят к распаду газогидрата в пласте.
Газогидратосодержащийпласт является неконсолидированным, слабо консолидированным или трещиноватым образованием, а распад газогидрата, изначально оказывающий действие цементирования или каркасной поддержки, вызывает разрушение стенок скважины. При распаде газогидрата, увеличивается содержание воды в порах. В то же время эффективное напряжение уменьшается, и связь между частицами пласта ослабляется, что приводит к нестабильности стенок скважины.Один объем гидрата производит 164 объема газа.
Газ, образующийся врезультате этого распада, попадает в ствол скважины, что уменьшает плотность бурового раствора, тем самым снижая давление внутри породы и усугубляя нестабильность ствола скважины. Поэтому устойчивость ствола скважины является одной из основных проблем, возникающих при бурении в газогидратосодержащих пластах [59,60].В процессе цементирования скважины объемная усадка, вызванная гидратированием цемента на стадии ожидания коагуляции, изменение давления вобсадной колонне на стадии завершения, изменение температуры обсаднойколонны на стадии производства и др.
могут привести к сдвигу цемента, разрушению при растяжении или к образованию микрокольцевых зазоров междуцементным кольцом и обсадной трубой (первая граничная поверхность) имежду цементным кольцом и пластом (вторая граничная поверхность), чтоприводит к нарушению целостности уплотнения цементного кольца, и тем самым разрушает целостность ствола скважины.Поэтому правильная оценка целостности ствола скважины является важной частью поддержания экономичного и эффективного строительства газовых скважин. Оценка целостности ствола скважины в процессе разработки газогидрата более сложна, чем в процессе обычной разведки нефти и газа.
Это восновном имеет отношение к процессу фазового перехода, связанного с разработкой газогидрата, что усложняет связь «температура-просачивание-деформация». Конкретные характеристики заключаются в следующем:1) распад газогидрата является эндотермическим процессом, который изменяет температурное поле системы формирования цементного кольца,442) необходимо применение специальных технологий проектирования имонтажа эксплуатационных скважин для разработки глубокозалегающих гидратов,3) происходит увеличение объема газа и жидкости, образованных в ходераспада гидрата, а также образование трещин из-за деформаций пласта[61,62,63].Например, сильное оседание пласта, вызванное распадом гидрата, приводит к деформации и даже искривлению обсадной колонны, в то же время оседание также приведет к относительному скольжению между пластом и стволом скважины, и образовавшаяся вертикальная трещина станет проточным каналом, вызывающим утечку газа и жидкости.
Это может серьезно нарушитьцелостность эксплуатационной скважины.1.4. ВыводыТаким образом, на граничной поверхности между грунтом и эксплуатационными скважинами рассматриваются следующие проблемы:1) Анализ множественных физических процессов (фазовых переходов,теплопередачи, просачивания, деформации) в грунтах, имеющих отношение кразработке газогидратов.
В основном используется подход, при котором исключаются другие процессы и исследуется только один физический процессбез исследования механизма связи, который влияет на каждый физическийпроцесс отдельно. Рассматриваемые граничные условия также относительнопросты, и комплексные условия фактического процесса разработки учтены неполностью. Полученные результаты не могут эффективно представлять реальные изменения состояния пласта.2) Изучение ослабления граничной поверхности при многофазном течении в стволе скважины. при разработке газогидрата относительно мало. Наданный момент влияние температурного поля и поля давления внутри стволаскважины на эффект взаимодействия поверхности скважины с пороком не изучается исследователями систематически.
К тому же редко встречаются исследования механизма переноса песка в условиях трехфазного течения в стволескважины.3) Исследование механических свойств граничной поверхности между газогидратосодержащим пластом и стенками ствола скважины в условиях фазового превращения. Необходимо создать модель поведения грунта, содержащую граничную поверхность газогидратосодержащих грунтов и скважины, а45затем провести оценку целостности ствола скважины в процессе разработкигазогидрата [64,65,66].При бурении резервуаров гидратов природного газа фазовые превращения газогидрата приводят к образованию воды и газа, что усложняет системууравнений многофазного потока при глубоководном бурении.
Модель должнаучитывать эти факторы.В связи с этим в настоящей работе проводятся следующие исследования.1. Исследование закономерностей поведения многокомпонентного многофазного потока, состоящего из газа, жидкости и твердой фазы с учетом фазовых превращений газогидрата;2.Разработка метода расчета теоретической модели многофазного потокав стволе скважины при глубоководном бурении.46ГЛАВА 2 МНОГОФАЗНЫЕ ПОТОКИ В СКВАЖИНЕ ПРИ БУРЕНИИНА ГЛУБОКОВОДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ГАЗОГИДРАТОВ2.1.
Моделирование многофазных потоков в стволе и затрубном пространстве при бурении на глубоководных залежах газогидратовВ процессе глубоководного бурения, при вскрытии нефтегазовых и гидратных пластов, выделившийся природный газ поступает в ствол и кольцевоепространство скважины, вызывая изменение течения бурового раствора, адвухфазный поток жидкой и твердой фазы становится газо-жидкостно-твердым трёхфазным потоком. Когда природный газ поступает в ствол скважины,газогидраты могут образовываться во время течения в скважине из-за низкойтемпературы и высокого давления как в самой скважине, так и в сборных трубопроводах. В прошлом в большинстве моделей многофазного потока в кольцевом пространстве скважины ограничивались рассмотрением течения газожидкостного двухфазного потока, но не рассматривалось влияние фазовыхпревращений газогидратов.
Поэтому необходимо усовершенствовать модельмногофазного потока в кольцевом пространстве.Основные предположения(1) Используется гипотеза сплошной среды, которая предполагает статистическое усреднение параметров большого количества микроскопическихчастиц и переход к непрерывным параметрам, характеризующим состояниесреды в целом.(2) Массообмен между выделяющимся при разложении газогидрата газом и буровым раствором (или водой) не учитывается. То есть газ не растворим в буровом растворе.(3) Не учитывает сжимаемость бурового раствора.(4) Поток жидкости рассматривается как одномерный поток в направлении ствола скважины.(5) Радиальный теплообмен между стволом скважины и пластом стабилен, а внутренняя текучая среда находится в состоянии термодинамическогоравновесия.Уравнение непрерывностиПусть координата вдоль направления потока в кольцевом пространствествола скважины есть s, и рассмотрим элемент потока ds.
Площадь поперечного сечения потока равна А, угол наклона между вертикалью и осью потокаравен а, как показано на рис.17.47Рис.17. Выделенный элемент кольцевого пространства ствола скважиныМассовый расход в сечении O(2-1)Где:- плотность производимого газа при локальной температуре и давлении,кг/м3;- локальная скорость подъема производимого газа, м/s;- локальнаяобъемная доля производимого газа, безразмерный, A - площадь локальногокольца, м2.Поток массы в сечении O при dt равен:(2-2)Массовый расход в сечении O’+(2-3)массовый расход в O’ точке за время dt+dt(2-4)В течение времени dt, через сегмент ds пройдет объем газа:(2-5)Где qg - скорость распада гидратного резервуара на единицу длины, кг/(с.м).Количество газа, потребляемого/генерируемого фазовым превращениемгаз/гидрат в период ds в течение dt:(2-6)Где- массовая доля природного газа в газогидрате, безразмерный.- ско-рость образования/распада газогидрата на единицу длины в стволе скважины,кг/(с.м).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
