3468-1 (651920), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Поскольку разрушение породы происходит за счет действия касательных напряжений, на установке ИСТНН моделировались напряженные состояния именно в точках M и N, как наиболее опасных с точки зрения разрушения ствола скважины. Основное отличие при испытаниях образцов для точек M и N состояло в том, что в точке N напряжения σθ действуют перпендикулярно плоскости напластования, а в точке M — параллельно ей. Соответственно должны располагаться в нагружающем узле ИСТНН и образцы породы во время испытаний.

При уменьшении давления жидкости в скважине радиальные напряжения σR в точках M и N, равные давлению жидкости, будут также уменьшаться, а кольцевые напряжения σθ будут расти, поскольку они пропорциональны разности между величиной горного давления и значением давления жидкости в скважине.

Соответствующая программа испытаний показана на рис. 3. Изображенные на нем напряжения (σ1, σ2, σ3 относятся к осям нагружающего узла ИСТНН, в которых по оси 2 напряжение всегда возрастает, т.е. напряжение σ2 является так называемым параметром нагружения. Применительно к осям скважины напряжение σ2 отвечает напряжению σθ.

Этап 1. Образец обжимается равномерно со всех сторон до напряжения, равного разности между значением горного давления q и величины начального пластового давления Р0 (отрезок ОА). Точка А отвечает напряжениям, действовавшим в грунтовом скелете до бурения скважины.

Этап 2. На втором этапе нагружения (отрезки АВ) одна компонента напряжения σ2, отвечающая напряжению σθ, продолжает расти, вторая — σ1, соответствующая горному давлению — остается постоянной, а третья — σ3, соответствующая напряжению σR — убывает. Конечная точка этапа (точка В) отвечает состоянию, когда скважина пробурена и заполнена жидкостью.

Этап 3. На третьем этапе моделируется процесс понижения давления в скважине (отрезки ВС). При этом напряжение σ3 остается равным практически нулю, а напряжения σ1 и σ2 растут, но напряжение σ1 растет медленнее. Третий этап является последним и продолжается до тех пор, пока образец не разрушится.

В ходе всего опыта измеряются деформации образца в трех направлениях.

Остановимся подробнее на определении значений напряжений, соответствующих различным точкам программы нагружения образцов. Напряжение σ2, как указывалось выше, отвечает кольцевому напряжению σθ, действующему на контуре скважины. Для горизонтальной не обсаженной скважины, пробуренной в трансверсально-изотропном пласте, это напряжение определяется на основании решения, приведенного в [1]. Величина напряжения σθ и характер его изменения по контуру скважины зависят главным образом от упругих модулей породы. Для упругих констант E, E', ν, ν', определенных в результате испытаний, и модуля сдвига G', рассчитанного по формуле (7), как показали расчеты, действующие по контуру скважины напряжения σθ практически совпадают с напряжениями σθ, которые действуют на контуре горизонтальной не обсаженной скважины в изотропном пласте. Таким образом, для определения напряжений σ1, σ2, σ3, отвечающих той или иной величине депрессии в скважине, можно с хорошей точностью использовать известное решение задачи Ламэ. Коротко это решение сводится к следующему.

Напряжения, действующие в грунтовом скелете, равны:

Si = σi + P ,

где:

σi — полные напряжения, обусловленные действием горного давления;

(σi < 0), P — давление нефти (P > 0).

Их значения определяются соотношениями Ламэ:

(8),

где :

q — горное давление (q 0 ), Rс — радиус скважины, r — расстояние от оси скважины.

Касательные напряжения  = 1/2 (SR — Sθ) равны:

. (9)

Из (8) следует, что на стенке скважины, т.е. при r = Rс, напряжения равны:

(10).

Величина депрессии в скважине ΔРс связана с напряжением Sθ, действующим на ее стенке, соотношением:

, (11)

где P0 — пластовое давление нефти.

Тогда в программе нагружения, изображенной на рис. 3, характерные точки соответствуют следующим значениям:

в точке А σ1 = σ2 = σ3 = q + Р0 ;

в точке В σ2 = 2 (q+Р0), σ1 = q+Р0, σ3=0, причем среднее напряжение s = (σ1+σ2+σ3)/3 на участке АВ сохранялось постоянным — это следует из соотношений (8);

на участке ВС, моделирующем увеличение депрессии, если образец не разрушался при максимально возможных депрессиях, осуществлялась разгрузка образца, причем точно в обратном порядке по отношению к нагружению образца.

Результаты испытаний образцов

Образцы породы, изготовленные из предоставленного кернового материала, были испытаны на ИСТНН по программе нагружения, описанной выше. При моделировании депрессии в скважине (участок ВС на рис. 3) шаг догружения образцов соответствовал увеличению депрессии в скважине на 25 атм. Часть образцов была испытана при Р0, равном гидростатическому давлению на данной глубине, а остальные образцы — при АВПД, равном 1,4 и 1,7.

Образцы ориентировались в нагружающем узле ИСТНН двумя способами: ориентация одних образцов соответствовала точке N на рис. 1, а других — точке M. Опыты показали, что образцы, ориентированные согласно точке N, деформировались практически упруго в ходе всего опыта, и их разрушение если и происходило, то лишь при очень больших депрессиях (150-200 атм.). В то же время образцы, ориентированные согласно точке М, зачастую начинали интенсивно деформироваться и разрушаться при низких депрессиях в 10 -25 атм. Яркий пример этому поведение близких образцов № 10 и № 12 скв. 3303 Сыхтынглорского месторождения (рис. 4,5). Образец № 10, ориентированный согласно точке N, практически не «полз» вплоть до создания больших депрессий, а ползучесть образца № 12 началась уже при небольших депрессиях порядка 25 атм.

Этому есть ясное физическое объяснение. Дело в том, что исследуемая порода помимо анизотропии по упругим характеристикам обладает также ярко выраженной анизотропией по прочностным свойствам: прочность породы в вертикальном направлении, т.е. перпендикулярно напластованию, в таких средах значительно ниже, чем в горизонтальном направлении, т.е. по напластованию. В точке М порода при понижении давления в скважине разгружается в вертикальном направлении, т.е. а направлении, в котором у нее прочность наименьшая. Кроме того, она при этом подвергается еще большему сжатию вдоль слоев кольцевым напряжением σθ, что также способствует расслоению породы в вертикальном направлении. Именно такой вид разрушения породы и наблюдался в большинстве опытов. В точке N мы имеем иную картину. Порода здесь при понижении давления в скважине разгружается вдоль напластования, т.е. в направлении, в котором прочность породы максимальна. Более того, горизонтальные слои оказываются сжаты большими кольцевыми напряжениями σθ, что также повышает сопротивляемость породы разрушению. В результате вблизи точки N даже при больших депрессиях разрушение породы не наступает.

Важнейшей характеристикой для прогнозирования устойчивости стволов скважины при бурении является скорость ползучести породы. Скорость ползучести — это деформация, накапливаемая породой в единицу времени при постоянной нагрузке. Ползучестью в той или иной мере обладают все горные породы, но обычно она бывает столь мала, что не вызывает осложнений при бурении и эксплуатации скважин. Однако есть породы, обладающие сильной ползучестью. В этом случае за достаточно непродолжительное время накапливаемая в породе деформация может достигать критического значения (предельной деформации), при котором начинается разрушение породы. С этой точки зрения все испытанные образцы можно разделить на две группы: примерно половину составили прочные образцы, которые даже под действием напряжений, отвечающих максимальным депрессиям (150-200 атм.), деформировались упруго без всяких признаков разрушения, а половину — слабые образцы, которые начинали интенсивно деформироваться («ползти») и разрушаться уже при низких нагрузках, отвечающих депрессиям 5 — 25 атм. В качестве примера на рис. 6 показаны результаты испытаний прочного образца, а на рис. 7 и рис. 8 — слабых образцов.

Заключение

Результаты испытаний образцов на установке ИСТНН показали, что бурение горизонтальных стволов на депрессии в баженовских отложениях с большой вероятностью может привести к потере устойчивости даже при минимальных депрессиях 5-25 атм.

Этот вывод в наибольшей степени обоснован для Ульяновского месторождения, поскольку для него была испытана достаточно представительная коллекция образцов. Для более обоснованных выводов по Камынскому и Сыхтынглорскому месторождениям требуется проведение дополнительных испытаний.

В ходе испытаний образцов была установлена существенная зависимость прочности породы от направления разгрузки по отношению к направлению плоскостей напластования. С этим явлением, вероятно, связано хорошо известное на практике влияние геометрии ствола скважины на устойчивость пород.

Результаты проведенных исследований позволяют сделать важный вывод о том, что при бурении ГС на депрессиях роль деформационных и прочностных свойств пород, в которых ведется бурение, многократно возрастает по сравнению с обычными технологиями проводки скважин. Без знания таких характеристик пласта, как вид и степень его анизотропии, значение упругих и прочностных констант в разных направлениях, степень деформирования и ползучести породы при различных нагрузках и геометрии скважин невозможно выбирать оптимальные технологические параметры ведения работ, обеспечивающих устойчивость стволов скважин при бурении. Этот вывод в полной мере относится и к бурению наклонных скважин.

Список литературы

1. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М. Изд-во «Наука», 1977, с. 178.

Характеристики

Список файлов реферата