Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории и практики сооружения скважин для захоронения жидких, токсичных и радиоактивных отходов 13
1.1. Анализ отечественного опыта сооружения скважин полигонов подземного захоронения 13
1.2. Зарубежный опыт глубинного захоронения токсичных и ра диоактивных отходов с использованием нагнетательных скважин 46
1.3. Выводы, цель и задачи исследований 48
1.4. Выводы по главе 1 49
Глава 2. Методика проведения комплексных исследований 51
2.1. Теоретические исследования 51
2.2. Экспериментальные исследования 52
2.3. Производственные испытания 61
Глава 3. Исследования и выбор рациональной технологии крепления конструкции и контроля технического состояния специальной разведочной скважины 66
3.1. Исследование динамики взаимодействия обсадной колонны и цементного кольца специальных скважин 66
3.2. Сцепление цементного камня с металлом обсадных труб и породами 86
3.3. Подбор рецептуры тампонажного раствора для крепления нагнетательных скважин, исследование его свойств и обоснование способа цементации 89
3.4. Совершенствование технологии цементирования скважин 94
3.5. Исследование трёхслойной крепи скважины 97
3.6. Выбор рациональной конструкции скважины 100
3.7. Систематизация и дополнение видов контроля технического состояния скважин 105
3.8. Выводы по главе 3 111
Глава 4. Разработка рациональной технологии бурения специальных скважин 113
4.1. Взаимодействие породоразрушающих элементов шарошечного долота с породой забоя 113
4.2. Исследование воздействия промывочной жидкости на забой скважины 116
4.3. Совершенствование промывочных устройств гидромони торных шарошечных долот 120
4.4. Выбор конструкции низа бурильной колонны для предупреждения искривления вертикальных нагнетательных скважин 133
4.5. Разработка математической модели процесса углубления скважин 134
4.6. Выводы по главе 4 140
Глава 5. Технико-экономическая оценка разработанной технологии бурения скважин 142
5.1. Технико-экономические показатели бурения 142
5.2. Экономическая оценка разработанной технологии бурения скважин 143
5.3. Оперативная оценка эффективности новой техники 144
5.4. Выводы по главе 5 146
5.5. Основные выводы и рекомендации 147
Список использованной литературы
- Зарубежный опыт глубинного захоронения токсичных и ра диоактивных отходов с использованием нагнетательных скважин
- Экспериментальные исследования
- Подбор рецептуры тампонажного раствора для крепления нагнетательных скважин, исследование его свойств и обоснование способа цементации
- Совершенствование промывочных устройств гидромони торных шарошечных долот
Введение к работе
Актуальность работы. Предупреждение вредного воздействия токсичных, в том числе и радиоактивных промышленных стоков (РАО) на человека является одной из важнейших проблем первой половины XXI века. Восстановление природного равновесия, нарушенного человеком, в том числе при образовании отходов, является крупной задачей современности и ближайшего будущего.
Бурение разведочных скважин предшествует разработке технологии создания эксплуатационных скважин на полигонах подземного захоронения промстоков.
Разведочные скважины полигонов захоронения существенно отличаются от типовых геологоразведочных, нефтегазовых и гидрогеологических в части требований к их надежности по разобщению горизонтов, качеству изоляционных материалов и контролю технического состояния, так как они служат для разработки технических требований для сооружения эксплуатационных скважин. Это скважины специальной конструкции, учитывающей как технологию их сооружения, геологические условия бурения крепления и освоения, так и характеристики подземных вод. Скважины, как основной элемент системы глубинного захоронения, являются наиболее ответственными сооружениями и определяют эффективность работ по захоронению. От их конструкции, технического состояния и режимов эксплуатации в значительной степени зависит эффективность и безопасность захоронения.
Недра, ранее использующиеся только для извлечения полезных ископаемых, в настоящее время играют важную роль для глубинного захоронения промышленных стоков на специальных полигонах. Основу инженерного комплекса полигонов захоронения как РАО, так и вредных промстоков различных производств, составляют подземные сооружения - буровые скважины различного назначения: разведочные и эксплуатационные.
Эффективность сооружения эксплуатационных скважин полигона, обеспечивающих соблюдение экологических требований, во многом определяет технология бурения разведочных и является актуальной задачей.
Цель работы. Разработка рациональной технологии сооружения разведочных скважин для типовых гидрогеологических условий с целью повышения технико-экономической эффективности и экологической безопасности сооружения разведочных скважин на полигонах для захоронения токсичных и радиоактивных отходов.
Идея работы
Разработка эффективной технологии бурения разведочных скважин для комплексного решения задач, обеспечивающих сооружение эксплуатационных скважин полигонов подземного захоронения в типовых гидрогеологических условиях с минимальным экологическим риском.
Объект исследований
Эффективная технология бурения разведочных скважин применительно к конкретным геологическим и гидрогеологическим характеристикам, как основа для проектирования и сооружения скважин полигонов захоронения токсичных и радиоактивных отходов.
Задачи исследований
Изучение опыта сооружения и эксплуатации скважин полигонов подземного захоронения (ППЗ) токсичных промышленных стоков (промстоков) и жидких радиоактивных отходов в различных геолого-гидрогеологических условиях с целью оптимизации их проектирования и строительства.
Разработка типовой конструкции разведочной скважины с учётом количества спускаемых обсадных колонн, глубины их установки, диаметра и материала применяемых обсадных труб, диаметра и конструкции долот для бурения под каждую колонну, высоты подъёма тампонажного раствора в затрубном пространстве и минимизации степени экологического риска с целью обеспечения безаварийного и качественного строительства и эксплуатации скважины.
Разработка рациональной гидравлической программы сооружения разведочных скважин, обеспечивающих снижение репрессии на разбуриваемые пласты и пласт-коллектор для предупреждения потери устойчивости скважины, расчета величины гидравлических давлений при спуске бурильной и обсадных колонн, работе гидромониторных долот и оценки величины скин-эффекта.
Разработка рациональной технологии бурения скважин и цементирования обсадных колонн, в том числе «хвостовиков», обеспечивающих высокую производительность при снижении репрессии на пласт-коллектор и степени его загрязнения.
Методика исследований
При решении поставленных задач применялся комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение опубликованных работ по выбранной теме, а также теоретические, стендовые и экспериментально-производственные исследования с применением современных методов прикладной математики.
Обработка данных исследований, в том числе практических данных при проектировании и строительстве специальных скважин, производилась с использованием персонального компьютера.
Научная новизна исследований
1 .Установлена зависимость критической температуры нагрева труб фильтровой колонны при эксплуатации скважины от длины обсадной трубы, удельного момента инерции и коэффициента линейного расширения материала трубы, позволяющая определять величину прогиба фильтровой трубы от температуры нагрева.
2. Уточнена формула Мариотта применительно к расчёту обсадных труб на внутреннее давление с учётом их овальности и установлено условие появле-
ния потери продольной устойчивости овальных обсадных труб, используемое для проведения проектных расчётов
Выявлена зависимость силы взаимодействия между обсадной трубой и цементным кольцом в однослойной крепи от распределённых нагрузок после ОЗЦ и в период эксплуатации, позволившая определить зазор между трубой и цементным кольцом после выравнивания давлений в обсадной колонне и за колонной между трубой и цементным кольцом.
Установлена зависимость прочности материала цементного кольца для трёхслойной крепи от диаметров обсадных труб внешнего избыточного давления, модулей упругости, толщины слоев крепи, объёма цементного геля, степени гидратации цемента, удельного объёма исходного цемента, водоцементного отношения, удельного объёма каппилярных пор, массы и удельного объёма инертного наполнителя, массы цемента, позволившая определить рациональную прочность материала цементного камня крепи.
Определена закономерность изменения минимально допустимого значения репрессии и показателя скин-эффекта на вмещающий коллектор при бурении и цементировании эксплуатационной колонны, что позволило разработать рациональную гидравлическую программу вскрытия пласта-коллектора.
Практическая ценность диссертации
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований:
Разработаны и реализованы временные технические условия ВТУ 02-27 на бурение, крепление, опробование и приемку скважин всех назначений полигона подземного захоронения отходов на площадке 27 предприятия п/я А3487 (горно-химического комбината, г. Железногорск).
Разработана и реализована эффективная конструкция насадки гидромониторного трехшарошечного долота, конфузорная конструкция которой позволяет получить гидромониторный эффект при отношении длины прямолинейного участка канала насадки к диаметру канала на выходе, равном 051-4),53.
Разработана и реализована технология, обеспечивающая герметичное соединение фильтровой и глухой секций эксплуатационной колонны из труб коррозионностойких сталей для эксплуатационных скважин площадки 27, с применением которой пробурено 29 скважин различного назначения с общим объемом бурения 22370 м.
Приведенные в работе теоретические и экспериментальные материалы рекомендуются к практическому применению в производственных условиях также для скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые.
Результаты исследований могут быть использованы в учебных процессах в рамках курса «Бурение разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые»
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
Защищаемые научные положения и практические рекомендации обоснованы необходимым объёмом теоретических, лабораторных и экспериментально-производственных исследований, а также проверкой основных защищаемых
положений, выводов и рекомендаций в производственных условиях и достаточной сходимостью экспериментальных данных и результатов теоретических исследований. При проведении исследований в лабораторных условиях были рассчитаны конструктивные параметры стендов имитирующих призабойные условия и контакт цементного камня с обсадной колонной.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных международных научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов РГТРУ имени Серго Орджоникидзе «Новые идеи в науках о земле», «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и освоении месторождений полезных ископаемых на рубеже ХХ-ХХІ в.в. (2003, 2004, 2005, 2006,2007 и 2008 г.г.).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 11 опубликованных работах, поданы четыре заявки на предполагаемые изобретения, которые находятся на рассмотрении в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 61 наименования. Диссертация содержит 11 таблиц и 38 рисунков.
Во введении обоснованы актуальность и научно-практическое значение качественного проектирования специальных разведочных и скважин для глубинного захоронения токсичных и жидких радиоактивных отходов. Определены цель и задачи диссертационной работы, представлены основные защищаемые положения и результаты реализации работы.
В главе 1 на основе анализа теории и практики проектирования и сооружения специальных скважин для глубинного захоронения токсичных и радиоактивных промстоков Российской Федерации и за рубежом определены основные направления повышения качества проектирования и эффективности бурения указанных скважин.
В главе 2 изложена методика проведения комплексных исследований.
Глава 3 посвящена разработке рациональной конструкции специальных разведочных скважин, обеспечивающих герметичность колонны и надёжную изоляцию всех вскрытых горизонтов.
В главе 4 изложены результаты исследований по выбору конструктивных элементов технических средств для сооружения специальных скважин и рациональных режимно-технологических параметров бурения.
В главе 5 дана технико-экономическая и экологическая оценка применения разработанной технологии бурения специальных скважин.
В заключении излагаются выводы и рекомендации обобщающие основные результаты выполненной работы.
Работа выполнена в ФГУГП «Гидроспецгеология» с использованием лабораторных стендов ОАО «Тульское НИГП», ВНИИКРнефти и ВНИПИпром-технология. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю
д.т.н., профессору Соловьёву Н.В. за постоянную методическую помощь и поддержку в работе. Автор искренне признателен преподавателям кафедры разведочного бурения РГГРУ, а также д.т.н. Будюкову Ю.Е., к.г-м.н. Егорову Н.Н. и многим специалистам производственных и научно-исследовательских организаций за внимание, помощь и ценные советы, которые были оказаны на всех этапах работы над диссертацией.
Зарубежный опыт глубинного захоронения токсичных и ра диоактивных отходов с использованием нагнетательных скважин
Глубинное (подземное) захоронение жидких токсичных и радиоактивных отходов (промстоков) в пористые проницаемые горизонты является одним из эффективных способов предотвращения их воздействия на человека и окружающую среду и имеет промышленное применение.
Первое захоронение жидких радиоактивных отходов в России относится к 1963г., когда на Сибирском химическом комбинате (Томская область) было (табл. 1.1) осуществлено экспериментальное захоронение среднеактивных отходов в песчано-глинистый пласт-коллектор [1-3]. Позднее были созданы глубокие хранилища (полигоны захоронения) жидких радиоактивных отходов на горнохимическом комбинате (Красноярский край), в научно-исследовательском институте атомных реакторов (Ульяновская область, 1996г.) [10]. Затем были созданы полигоны захоронения в Тамбове (отходы производства красителей), в Волгоградской области (отходы красителей), в Глазове (отходы получения различной продукции для атомной, химической и других отраслей промышленности) и на других предприятиях.
Калининская АЭС(Удомля) 1200-1400 Пески, рассолы 2005 Элементы, технологии глубинного захоронения реализованы, например, при использовании природных рассолов на ТЭЦ -26 г. Москвы с указанием глубин захоронения, типов пластов-коллекторов и объёмов,удалённых отходов [4].
Захоронение промстоков состоит в.их нагнетании через буровые скважины в глубокозалегающие пласты, пористых проницаемых пород (пласты-коллекторы), изолированные от поверхности слабопроницаемыми глинистыми породами, (рис. 1.1) [46]. Нагнетаемые через скважины-отходы заполняют поро-вое пространство пласта-коллектора, вытесняя; подземные воды и частично смешиваясь с ними. В результате в пласте-коллекторе образуется залежь отходов, на периферии которой располагается переходная зона - область смешения отходов и пластовых вод. Пласты - коллекторы, используемые для захоронения, должны удовлетворять определённым требованиям: они не должны содержать пресных вод и должны быть изолированы от последних, обладать соответствующей емкостью, чтобы отходы размещались в ограниченном объеме. Свойства пластов-коллекторов должны быть известны, чтобы можно было прогнозировать последствия захоронения. При захоронении осуществляются наблюдения за состоянием недр и заполнением промстоками пласта-коллектора [4-6].
Как правило, захоронение промстоков проводится в коллекторские горизонты, залегающие на глубинах от нескольких сотен до нескольких тысяч метров, содержащие минерализованные воды с концентрацией солей в десятки и сотни грамм в литре и не пригодные для использования в каких либо полезных целях. Естественные скорости движения подземных вод в таких пластах характеризуются значениями от долей метра до несколько метров в год.
В большинстве случаев относительная токсичность отходов, определённая в единицах ПДКВ, ниже относительной токсичности высокоминерализованных подземных вод. Для подобных отходов области пласта-коллектора, занятого ими, не могут считаться загрязнёнными.
Особенности данной технологии обращения с отходами, которые делают её привлекательной — простота реализации, надёжная изоляция отходов и защита окружающей среды, относительно малые затраты. Так, затраты на подземное захоронения жидких радиоактивных отходов- в сотни и тысячи раз меньше, чем на применение предварительного отверждения отходов и их последующего захоронения в горные выработки. Экологически выгодно отличается эта технология и от другой альтернативной технологии — накопления отходов на поверхности в открытых водоёмах. Ограничения подземного захоронения — возможность применения только в тех геологических условиях, которые отвечают необходимым требованиям.
Имеются перспективы расширения применения технологии глубинного захоронения промстоков. В 1970 г ФГУП Гидроспецгеологией была разработана Прогнозная карта гидрогеологических условий захоронения промстоков, в 1999г. - новая редакция этой карты, в соответствии с которой более 60 % территории Российской Федерации характеризуются благоприятными для этих целей условиями [5].
Имеется соответствующая нормативно-правовая база геологического захоронения отходов. Прежде всего - это Федеральный закон «О недрах», в соответствии с которым (ст. 101, п.7) «Основанием получения права пользования участками недр могут быть:... решение Правительства Российской Федерации, согласованное с органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации, для целей захоронения радиоактивных, токсичных и иных опасных отходов в глубоких горизонтах, обеспечивающих локализацию таких отходов». Требование локализации отходов является одним из основных и должно учитываться при выполнении всех работ по геологическому захоронению отходов, включая сооружение, эксплуатацию и ликвидацию буровых скважин [1-11].
В РФ принят региональный подход к размещению объектов окончательной изоляции токсичных и радиоактивных отходов в глубинных геологических формациях, что связано с огромной территорией страны, нецелесообразностью дальних перевозок РАО, средоточением основных объёмов РАО в нескольких регионах России: Северо-Западном, Волго-Уральском, Западной Сибири и Приморье (Дальнем Востоке) как показано на рис. 1.2 [34]. Вторым принципом размещения полигонов подземного захоронения [11113] РАО является стремление разместить их в пределах горного отвода уже существующих объектов, производящих эти отходы.
Рассмотрим геологические и технологические предпосылки к решению указанных выше принципов применительно к Красноярскому краю (ГХК г. Железногорск), где выполнен основной объем исследований автора.
Красноярский край. ГХК г. Железногорск. В административном отношении ГХК расположен на территории ЗАТО «г. Железногорск» Красноярского края. Район ГХК располагается в зоне сочленения древней Восточно-Сибирской платформы и молодой Западно-Сибирской плиты, в пределах Саяно-Енисейской метаплатформенной области и охватывает выходы допалеозойско-го (архей-протерозойскрго) фундамента в восточном крыле Ангаро-Канского антиклинория Южно-Енисейского кряжа [34]. В составе архей-протерозойского комплекса пород выделяются две толщи: нижняя — атамановская (ARat) (собственно архейская), мощность образований которой составляет не менее 200 м, и верхняя — веснинская (PRvs) (протерозойская), мощность пород толщи которой около 4000—4500 м.
Экспериментальные исследования
Буровой раствор при бурении скважин выполняет многочисленные функции. Чтобы обеспечить выполнение буровым раствором этих функций необходим контроль плотности, реологических показателей. Показатели фильтрации, абразивных свойств, газосодержащие содержания и состава твёрдой фазы, грубосодержащих фракций и песка, концентрации водородных ионов, стабильности контролируются с помощью приборов [21, 50, 53].
Измерение плотности бурового раствора при испытаниях производилось с помощью стандартного ареометра АГ-2. Водоотдача цементного раствора распределялась с помощью прибора ВМ-6 (рис. 2.3).
Определение реологических показателей бурового раствора производилось с помощью прибора СНС -2. Для измерения условной вязкости использовался вискозиметр ВБР-1. Для определения концентрации водородных ионов использовали лабораторный рН-метр.
Измерение показателей свойств тампонажных материалов, растворов и параметров процесса цементирования скважин
Цементирование протекает в сжатые сроки (1,5-3,0 ч), а результаты тампонажных работ должны обеспечивать герметичность затрубного пространства в сложных геолого-технических условиях в течение длительного периода эксплуатации скважин. Поэтому к параметрам тампонажного раствора, цементного камня и режима цементирования скважин и к их контрольным измерениям предъявляются жесткие требования. Рис. 2.3. Прибор ВМ-6
В связи с быстротечностью цементирования большинство параметров тампонажного раствора (время загустения, сроки схватывания, плотность, по казатель фильтрации) и прочностные свойства цементного камня измеряют в процессе предварительных испытаний.
Результаты, полученные при испытаниях при нормальных и высоких температурах и давлениях, позволяют подготавливать исходные материалы и тампонажные растворы для цементирования скважин в различных геолого-геофизических условиях.
Входной контроль качества тампонажных материалов Входной контроль проводят при поступлении тампонажных материалов на территориальные базы снабжения. При этом измеряют параметры, нормируемые в нормативно-технической документации на материалы (ГОСТ 1581-78, ОСТ 39-017-80 и др.).
При подборе рецептуры тампонажного раствора используют среднюю пробу тампонажного цемента, просеянную на сите № 90 с сеткой 09.
Масса просеянной пробы при одном затворении, согласно ОСТ 39-051-77, составляет 500г для облегчённых, 600 г для нормальных и 800 г для утяжелённых смесей. В соответствии с заданным водоцементным отношением в стакан мешалки выливают жидкость затворения и перемешивают её с засыпанным цементом в течение 3 мин. Определение растекаемости тампонажного раствора Растекаемость характеризует прокачиваемость тампонажного раствора и определяется с помощью конуса АзНИИ по ТУ 15-04-52-75 (рис.2.4). Тампо-нажный раствор заливают в конус до краёв, после чего плавно поднимают его вертикально вверх. Через 10-12 сек. отсчитывают диаметры расплыва в двух взаимно перпендикулярных направлениях, соответствующих наибольшей величине расплыва; по среднему значению диаметра определяют растекаемость. Определение плотности тампонажного раствора Плотность тампонажного раствора - отношение массы тампонажного раствора к его объему. Для измерения плотности используют пикнометр вме-стимостью 100 см и весы типа ВЛКТ-50. Рис. 2.4. Конус АзНИИ
Определение времени загустевания тампонажного раствора Время загустевания тампонажного раствора - время, в течение которого консистенция тампонажного раствора достигает значения условной вязкости 3 Па сек. от начала его испытания. Время загустевания определяют в лабораторных условиях на консистометрах КЦ-3, КЦ-4, КЦ-5. Для определения консистенции тампонажных растворов при атмосферном давлении и температурах до 90-95С применяют консистометр КЦ-5, который позволяет измерять консистенцию в пределах от 0,5 до 10 Па сек.
Определение сроков схватывания
Время, прошедшее от момента затворения тампонажного цемента до момента, когда периодически сбрасываемая с заданной постоянной высоты игла массой 300 г, погружаясь в раствор, не доходит на 1-2 мм основания формы, называют началом схватывания. Время, прошедшее от момента затворения тампонажного цемента до момента, когда игла погружается в образец менее чем на 3 мм, называют концом схватывания. Определение сроков схватывания тампонажных растворов осуществляют при атмосферном давлении и высоких давлениях и температурах. В первом случае используют прибор Вика ОТЦ-1, термостат, обеспечивающий точность поддержания температуры ± 2С, часы.
При проведении испытаний в кольцо Вика заливают тампонажный раствор и устанавливают в термостат. По истечении времени, указанного в нормативно-технической документации на тампонажный материал, торцы игл выставляют на уровень тампонажного раствора в кольце Вика и дают возможность одной игле свободно погрузиться в раствор. По шкале отмечают, на сколько миллиметров она не достигла основания. Интервалы между последующими замерами зависят от интенсивности структурообразования.
Для определения сроков схватывания тампонажных растворов при высоких температурах и давлениях используется установка УС-1. Определение механической прочности тампонажного камня Механическую прочность цементного камня определяют, испытывая его образцы на разрыв, изгиб и сжатие по ГОСТ 310.4-75 «Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии».
Прочность цементного камня при растяжении испытывают на образцах с сечением в наиболее узкой части 25,4х25,4±0,5 мм. Испытательная машина имеет два захвата, которые удерживают образец в фиксированном положении с помощью упора и двух опорных роликов. Каждый захват самоустанавливается в верхней и нижней плитах машины на опорных призмах.
Станция контроля цементирования скважин СКЦ-2М позволяет по данным автоматического измерения таких основных параметров режима закачивания тампонажного, буферного и бурового растворов, как давление, расход и плотность, проводить оперативное управление.
К станции могут быть подключены несколько цементировочных агрегатов и цементо-смесительных машин и, в случае необходимости, буровые насосы. В неё входят самоходный блок манифольда с датчиками и расхода давления и плотности, мегафон и узлы связи, узлы контроля агрегатов и смесителей, состоящие из переносных телефонных коробок с сигнализацией вызова и бесконтактных датчиков.
Подбор рецептуры тампонажного раствора для крепления нагнетательных скважин, исследование его свойств и обоснование способа цементации
В определенных условиях эксплуатации скважин при высоких значениях температур жидкости в фильтре возникает необходимость учитывать температурные напряжения в крепи фильтровой колонны.
В результате продольного изгиба, особенно при наличии на данном участке каверн, в месте изгиба могут появляться значительные напряжения и нарушится- герметичность резьбового соединения. В эксплуатационных скважинах колонна в период эксплуатации нагревается, а при закачке воды в пласт она охлаждается. Это вызывает появление в ней дополнительных растягивающих усилий, которые могут вызвать её разрыв. Поэтому необходимо производить расчёт с учётом возможных изменений теплового режима скважины, который позволит выбрать соответствующее натяжение колонны во время обвязки устья скважины, что исключит или сведёт к минимуму вредное влияние температурных изменений. Чтобы предотвратить изгиб фильтровой колонны в этом месте, необходимо дать ей предварительную натяжку с силой: QH Q + P где - вес незацементированного участка колонны, Н; JP- усилие, определяемое из выражения (3.4), Н; При определении натяжки Q» должно быть соблюдено условие: Qu (QcTp\on где стр ) о» - допускаемая нагрузка на страгивание резьбового соединения (или нагрузка на разрыв для сварных соединений), Н. Потеря продольной устойчивости обсадных труб При испытаниях как круглых, так и овальных труб под внутренним давлением нами было установлено, что некоторые трубы теряли продольную устойчивость. Потеря продольной устойчивости происходила в пространственной форме, а не в одной плоскости.
Потеря продольной устойчивости овальных труб особенно опасна в эксплуатационных скважинах, так как при этом создаются условия для разгерме тизации резьбовых соединений. Также в крепях овальная труба - цементное кольцо при испытании их внутренним давлением труба теряла продольную устойчивость. При этом цементное кольцо высокой прочности разрывалось.
Однако эта формула справедлива только для круглых труб. Одним из дефектов обсадных труб является их овальность. Согласно ГОСТ 632-64 овальность труб не должна выводить их размеры за пределы допускаемых отклонений по наружному диаметру. Овальность труб принято выражать отношением [33]: где а и в — полуоси овала. Овальность как фактор, снижающий сопротивляемость труб, необходимо учитывать при расчёте обсадных колонн для крепления скважин.
Предлагается несколько сложных и громоздких формул для расчета обсадных труб на внутреннее давление с учетом овальности, расчеты по которым являются приближенными [28,33]
Поэтому для расчёта овальных труб по аналогии с формулой (1.5) по формуле Мариотта введём показатель Ki и запишем её в виде [32]:
Сравнивая эту формулу с зависимостью для определения тангенциального напряжения в овальной трубе от избыточного внутреннего давления, находим величину показателя К [28]: где K = 5ID = 8l2r +-по большой оси овала; - по меньшей оси овала; Если е = 0, то К] = 1.
Тогда = рж ж С использованием формул (3.13) и (3.14) определим условие появления потери продольной устойчивости овальных труб при внутреннем давлении: Р — ш К-г или Рвн ,2 ТуЛ. (3.15) вн {1 + е/К) v J Формула (3.15) представляет собой математическое выражение условия появления потери продольной устойчивости обсадных труб как овальных, так и круглых. При е=0:
Эксперименты по исследованию взаимодействия овальной трубы с цементным кольцом проводились во ВНИИБТ в автоклавах на модельных трубах [28]. Модели крепей труба - цементное кольцо были выбраны.следующей конструкции: диаметр трубы (DT) равен 32 мм, толщина трубы т = 1,5мм, диаметр скважины (Dc) равен 51 мм. Это соответствовало скважине DT =168 мм, т =8 мм, Dc=269 мм. Для этих же условий нами были проведены расчёты по уточнённой формуле Мариотта (3.13). По показателям тензодатчиков зона пластичности в овальной трубе образовывалась при внутреннем давлении (Рвн)? равном 20,5МПа, а по уточнённой формуле Мариотта пластические деформации в трубе при D = 31,96 мм, т=1,48мм, е =0,020, предел текучести ст#= 310 МПа возникают при Рвн = 19,7 МПа (рис. 3.2). По формуле Барлоу трубы (круглые) с соответствующими толщинами и пределом текучести рассчитывают на внутреннее давление Рвн =29 МПа. При этом давлении рассматриваемая труба теряет продольную устойчивость. В овальных трубах пластические де формации возникают при внутреннем давлении большем на 5-10%, чем рассчитано по уточненной формуле Мариотта, что вполне допустимо.
Потеря продольной устойчивости овальных труб особенно опасна в разведочных скважинах, так как при этом создаются условия разгерметизации резьбовых соединений. Условие появления потери предельной устойчивости. обсадных труб при внутреннем давлении может быть выражено зависимостью (3.15), что необходимо учитывать в проектных расчетах.
Выбор материала фильтровой колонны при эксплуатации скважин в условиях коррозии и кольматажа Материал обсадных труб для фильтровой колонны выбирается с учётом срока службы скважины, значения Рн, коррозийной активности, удаляемых жидких токсичных и радиоактивных отходов, методов и параметров ремонтно-восстановительных работ при оборудовании скважин фильтрами трубчатыми с проволочной обмоткой, выбранными с учётом опыта строительства уже построенных полигонов глубинного захоронения.
Совершенствование промывочных устройств гидромони торных шарошечных долот
Нами был проделан эксперимент по выдавливанию металлического стержня из цементного камня (на основе цемента для умеренных температур МТЦ), находящегося в стальной обойме [20]. Два металлических стержня были изготовлены из стали: один из стали марки Д, другой из нержавеющей стали. Из диаграммы на рис. 3.7 видно, что нагрузка на стержень вначале возрастает до максимума без перемещения стержня, затем после нарушения связи цементного камня с металлом она падает до некоторой величины и остается приблизительно одинаковой до момента выхода стержня из цементного камня на значительную величину.
Как видно из данных диаграммы показатель сцепления у стержня, из стали Д ниже аналогичного показателя для стержня из материала из нержавеющей стали от 12% вначале выхода стержня до 9% - в конце его выхода. На наш взгляд, природа сцепления металла с цементным камнем объясняется образованием интерметаллического слоя с определенной кристаллической решёткой. Этот слой принадлежит одновременно металлу и цементному камню. Прочность этого слоя зависит от сцепления камня с металлом его природы. Существенное значение при этом имеют силы трения, возникающие при обжатии металла камнем. Для условной работы цементного кольца в скважине под сцеплением понимают одновременное действие сил, удерживающих стержень кольцом из цементного камня. В случае покрытия поверхности стального стержня как обработанным так и не обработанным глинистым раствором сцепление обоих стержней снижается весьма существенно (на 60-80%).
Известно, что в реальных условиях стенки скважины покрыты глинистой коркой и глинистым раствором и качественное очищение стенок скважины для обеспечения протекания физико-химических процессов на контактирующих поверхностях породы и цементного камня в условиях скважины весьма затруднительны.
Таким образом, сцепление цементного камня с металлом обсадных труб и породами определяется многими факторами, основные из которых чистота со прикасаемых поверхностей, природа цемента, температура среды твердения и шероховатость соприкасающих поверхностей. Показатель сцепления материала из стали марки Д ниже на 9-12% аналогичного показателя из материала из нержавеющей стали. Поэтому применение труб из нержавеющей стали будет эффективнее.
Все особенности строительства и эксплуатации разведочных, нагнетательных и наблюдательных скважин обуславливают определенные повышенные требования к тампонажному материалу, раствору и камню: должны обеспечиваться ускоренные сроки схватывания и твердения тампонажного раствора при цементировании, высокая изолирующая способность и термическая устойчивость камня в процессе эксплуатации скважин.
Известно, что геолого-технические условия бурения площадки 27 характеризуются следующими неблагоприятными факторами: - низкие геостатические температуры интервалов цементирования технических и эксплуатационных колонн (10-25С); - наличие зон поглощения; - присутствие гидрокарбонатнонатриевых (с общей минерализацией 0,3-0,6 г/л) и гидрокрбанатнокальциевых вод (с общей минерализацией 0,1 0,3 г/л); - эксплуатация скважин сопровождается экзотермическими реакциями, приводящими к разогреву пластов-коллекторов до 180-230С.
С учетом геолого-технических условий бурения рецептура тампонажного раствора для крепления скважин площадки 27 должна быть подобрана таким образом, чтобы раствор имел ускоренные сроки схватывания, ибо опыт цементирования нагнетательных скважин показал, что процент успешности цементирования повышается с доведением сроков схватывания раствора в забойных условиях до минимума (2-4 часа), а сформированный при указанных температурах камень должен обладать стойкостью к термическому прогреву.
Автором совместно с сотрудниками ВНИИКРнефти проведен анализ фактических данных [20,31] по применению тампонажных растворов. Установлено, что разработанный во ВНИИКРнефти спеццемент МТЦ (матери ал тампонажный для циклически меняющихся температур), выпускаемый по техническим условиям ТУ 39-0147009-007-88 Константиновским заводом утяжелителей, по своим техническим и технологическим параметрам удовлетворяет условиям цементирования нагнетательных скважин площадки 27.
Было изучено влияние водо-цементного фактора (В/Ц) на технологические параметры раствора МТЦ и камня при температурах 22- 25С с В/Ц равным 0,43-0,45 (табл. 3.1, табл.3.2, табл.3.3, табл.3.4).
Как видно из таблицы 3.1 тампонажный раствор МТЦ обладает короткими сроками схватывания и необходимыми технологическими свойствами при водоцементных факторах в диапазоне В/Ц= 0,43-0,45.
Рекомендуемая рецептура тампонажного раствора с водоцементным фактором В/Ц =0,43 способствует формированию камня с достаточной прочностью и при более низких забойных температурах (Табл. 3.2) .
Разработанный спеццемент МТЦ обладает гидрофобными свойствами, обеспечивающими длительную сохраняемость качества цемента (до 3-х месяцев). По истечении 3-х месяцев спеццемент МТЦ начинает терять активность и раствор его требует дополнительной обработки реагентами ускорителями, в качестве которых рекомендуется использование кальцинированной соды или каустика.
Исследование долговечности тампонажного камня из МТЦ Эксплуатации нагнетательных скважин площадки 27 предшествует длительный, исчисляемый несколькими месяцами, подготовительный период. За этот период твердения при низких положительных температурах в условиях скважин структура и свойства тампонажного камня претерпевают существенные изменения в результате физико-химических процессов гидратации. Анализ изменения прочности тампонажного камня из МТЦ с водоцементным фактором В/Ц = 0,43 при 36 и 22С показывает, что он в возрасте 180, 270, 360, 540 суток сохраняет стабильными прочностные показатели (табл. 3.4). Анализ кривых 1, 2, 3, 4 на рис. 3.8 позволяет сделать вывод о его устойчивости при длительном твердении в условиях низких положительных темпе ратур как в пресной воде, так и в гидрокарбонатнонатриевых и гидрокарбонат-но-кальциевых водах (с общей минерализацией 1 г/л). Исследования проницаемости тампонажного камня МТЦ показали, что его изолирующая способность остается стабильной при длительном твердении как при низких температурах, так и при термических прогревах (таблица 3.4).
