Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса по расчету обсадных колонн на смятие и основные направления исследований закономерностей и причин смятий обсадных колонн 10
Глава 2. Разработка научных основ новой методики анализа закономерностей и причин смятия обсадных колонн при бурении глубоких скважин 19
2.1. Обоснование необходимости вероятностно-статистического подхода при анализе закономерностей и причин смятий обсадных колонн 19
2.2. Дифференциация смятий обсадных колонн по видам 24
2.3. Критерии смятия обсадных колонн, их количественные и качественные характеристики 28
2.3.1. Снижение уровня бурового раствора при поглощении и средства его определения 30
2.3.2. Длина и форма смятой части обсадной колонны и разработка средств их определения 40
2.3.3. Число дней от спуска колонны до момента ее смятия 46
2.4. Определение вероятностно-статистических характеристик критериев смятия, выбор метода анализа и принятия решения 48
2.5. Вероятность смятия обсадных колонн при различных геолого-технических условиях 54
Глава 3. Промышленная проверка методика анализа закономерностей и причин смятия обсадных колонн на примере объединения Грознефть 57
3.1. Анализ геолого-технических условий работы обсадных колонн 57
3.2. Установление видов смятия с использованием критерия длины и формы смятой части обсадных колонн 62
3.3. Анализ по критерию числа дней от спуска обсадной колонны до момента ее смятия 81
3.4. Анализ смятий обсадных колонн по критерию снижения уровня при поглощении 83
3.5. Анализ по критерию износа обсадных колонн 86
3.6. Анализ по критерию угла искривления ствола скважины 109
3.7. Проверка критерия передачи нижнемайкопских пластовых давлений на обсадные трубы, перекрывающие верхнемайкопские отложения 111
3.8. Анализ смятий при вытекании глин с проверкой критерия неравномерного нагружения обсадных труб 113
3.9. Анализ по критерию наличия цементного камня в затрубном пространстве 129
3.10. Анализ по критерию поршневания, недолива при подъеме бурильных труб 131
3.11. Обобщение результатов анализа закономерностей и причин смятия обсадных колонн в объединении Грознефть 132
3.12. Смятие обсадных колонн в эксплуатационных и нагнетательных скважинах и методы их предотвращения 139
3.13. Анализ по сейсмотектоническому критерию смятия обсадных колонн на месторождения Северного Кавказа 158
3.14. Разработка нового метода замены буровых растворов на воду при испытании обсадных колонн на смятие 161
Глава 4. Экспериментальное исследование прочности и напряженного состояния обсадной трубы при неравномерных наружных нагрузках и пути его практического использования 165
4.1. Цель и методика экспериментальных исследований 165
4.2. Результаты исследований прочности и напряженного состояния обсадных труб и составной крепи при неравномерных наружных нагрузках 172
4.3. Результаты исследований напряженного состояния и прочности изношенных обсадных труб при неравномерных наружных нагрузках 181
4.4. Практические рекомендации по предотвращению смятий обсадных колонн в объединении Грознефть 195
Глава 5. Исследование техники и технологии восстановления проходимости в смятых обсадных колоннах с целью их совершенствования и разработки новых методов 209
5.1. Исследование результатов работ по выправлению смятых обсадных колонн 209
5.2. Исследование, разработка и результаты испытаний новых способов и средств восстановления проходимости в смятых обсадных колоннах 225
5.3. Технико-экономическое обоснование эффективности от внедрения рекомендации по предотвращению смятия обсадных колонн.. 239
Основные выводы и рекомендации 242
Литература 245
Приложения 253
- Состояние вопроса по расчету обсадных колонн на смятие и основные направления исследований закономерностей и причин смятий обсадных колонн
- Обоснование необходимости вероятностно-статистического подхода при анализе закономерностей и причин смятий обсадных колонн
- Анализ геолого-технических условий работы обсадных колонн
- Результаты исследований прочности и напряженного состояния обсадных труб и составной крепи при неравномерных наружных нагрузках
Введение к работе
Одной из важнейших отраслей народного хозяйства нашей страны является нефтяная промышленность. В топливно-энергетическом балансе Российской Федерации роль нефти и газа чрезвычайно высока и длительное время будет оставаться определяющим фактором в базовой экономике страны. К концу 80-х годов практически все крупные и высокопродуктивные нефтяные месторождения были введены в разработку и вступили в стадию падающей добычи. В настоящее время стоит задача добиться устойчивой стабилизации добычи нефти и газа, а при необходимости и их увеличения, а также усиления геологоразведочных работ с целью открытия новых месторождений и обеспечения компенсации отрабатываемых запасов углеводородного сырья.
Как известно, в решении этих задач важна, если не сказать решающая, роль принадлежит буровым работам, Истощение нефтяных залежей в первую очередь в старых нефтедобывающих районах (Северный Кавказ, Урало-Поволжье, Среднее Приобье и др.) и возрастающая потребность в увеличении количества добываемой нефти и газа и их разведанных запасов вынуждают бурить скважины на большие глубины - 5... 7 тыс. м. И более в поисках новых месторождений. В настоящее время не снята задача - освоить бурение скважины глубиной 10... 15 тыс. м для изучения строения земной коры и поисков глубокозалегающих полезных ископаемых как в изверженных, так и в осадочных породах. Примером служит скважина Кольская Сг-1 глубиной более 12000 м. Для выполнения этой задачи необходимо решить ряд сложных проблем, связанных с разработкой оборудования, инструмента, материалов и технологии бурения. Как правило, такие скважины бурятся в сложных горно-геологических условиях с необходимостью спуска в них до 5...7 обсадных колонн. Одной из серьезных проблем в этом комплексе является надежное крепление скважин обсадными трубами. Из общих затрат на проводку скважин доля затрат на их крепле- ниє обсадными трубами составляет от 10 до 20%. Поэтому важно осуществлять мероприятия, способствующие снижению затрат металла на строительство скважин. Главной задачей при этом является обеспечение надежности и долговечности конструкции скважины, выход из строя даже одной трубы в обсадной колонне в большинстве случаев приводит к ликвидации скважины как при их бурении, так и при эксплуатации.
Практикой бурения глубоких скважин установлено, что одним из сложных видов аварий с обсадными трубами является их смятие. В диссертации показано, что в нашей стране и за рубежом смятия обсадных труб в скважинах встречаются нередко, что приносит большие убытки. Поэтому вопросы исследования закономерностей и причин смятий обсадных колонн при бурении глубоких скважин с целью разработки методов по их предотвращению, которые рассмотрены в работе, имеет весьма актуальное значение для народного хозяйства страны. Решение поставленных вопросов выполнялось на примере одного из сложнейших нефтяных районов Северного Кавказа.
В данной работе с применением элементов теории вероятностей и математической статистики установлены закономерности и причины смятия обсадных колонн в зоне неустойчивых пластичных майкопских глин при бурении и эксплуатации глубоких скважин в сложных горногеологических условиях при наличии одновременно пластов с аномально высокими (АВПД) и аномально низкими (АНПД) пластовыми давлениями. Для этой цели в течение более 20 лет был собран и проанализирован научно-организационной промысловый материал по 700 скважинам. Проведены промысловые и лабораторные исследования и эксперименты с целыми и смятыми обсадными трубами, в т. ч. и поднятыми на поверхность при проведении аварийных работ.
В диссертации разработана новая методика анализа закономерностей и причин смятия обсадных колонн с применением элементов теории вероятности и математической статистики. Дана дифференциация смятий по видам в зависимости от действующей на обсадную колонну наружной нагрузки (пластический поток пород или жидкость с газом). Составлена классификация критериев смятия по механическому и силовому аспектам и даны их количественные и качественные характеристики. Впервые введен новый критерий смятия - длина и форма смятой части колонны и разработано устройство для его определения непосредственно в скважинах. Для определения критерия смятия - снижение уровня бурового раствора при поглощении - разработан метод и устройство безреперного эхометрирования для замера уровней в бурящихся скважинах без подъема буровых труб. Произведена промышленная проверка новой методики анализа закономерности и причин смятия обсадных колонн на примере более 25 месторождений Северного Кавказа. Было установлено наличие двух видов смятия: на коротком участке - сосредоточенное (наружная нагрузка создается потоком пластичных глин) и гидравлическое на длинном участке (наружная нагрузка создается жидкостью с газом), а также основные причины смятий и на этом основании разработаны методы по предупреждению смятий обсадных колонн. Основные рекомендации были включены в новую методику расчета обсадных колонн для объединения Грознефть, которая была утверждена в Министерстве нефтяной промышленности. В результате внедрения рекомендаций число смятий обсадных колонн при бурении и эксплуатации мезозойских скважин в объединении Грознефть сведено до минимума. Промышленная проверка новой методики позволила впервые установить корреляционную связь между длиной вытекающей пробки пластичных глин и длиной смятого участка, что легло в основу нового способа прогнозирования зон сосредоточенных нагрузок на обсадные трубы при вытекании глин. Впервые проведены экспериментальные исследования прочности и напряженного состояния обсадных труб с износом при неравномерных нагрузках. Эксперименты проводились на натурных образцах разрушающим методом и методом тензометрирования, и на моделях с применением поляризационно-оптического метода. Результаты исследований реализованы в рекомендации по предотвращению смятий обсадных колонн от неравномерных нагрузок при вытекании глин, которые внедрены на площадях Северного Кавказа. Методом тензометрирования установлено, что появление максимальных напряжений в зоне приложения неравномерной нагрузки аналогично появлению концентрации напряжения в зоне желобооб-разного износа при равномерной гидравлической нагрузке, т. е. снижение сопротивляемости смятию целой обсадной трубы при неравномерной нагрузке аналогично потере первоначальной прочности при равномерной нагрузке в результате износа обсадной трубы. Показано, что, несмотря на положительные результаты по предотвращению смятий обсадных колонн, полученные после внедрения разработанных рекомендаций, единичные случаи смятия имеют место и сегодня, что еще раз подтверждает сложность и многогранность проблемы. Учитывая это обстоятельство, а также то, что стоимость одной скважины исчисляется десятками миллионов рублей, показана необходимость наряду с разработкой и осуществлением мероприятий по предотвращению смятий обсадных колонн повысить эффективность работ по восстановлению проходимости в смятых обсадных колоннах. Нами впервые проведены промысловые и экспериментальные исследования по этому вопросу. Установлена низкая эффективность работ по выправлению смятых обсадных колонн по существующей технологии при помощи конусных оправок. Экспериментально и теоретически установлена необходимая величина нагрузки на конусную оправку для ее прохождения через зону смятия. Проведены металлографические исследования смятой и выправленной обсадной трубы, которые явились основой разработки новых методов и средств восстановления проходимости в смятых обсадных колоннах, Разработаны новые устройства (защищены авторскими свидетельствами) и методы восстановления проходимости в смятых обсадных колоннах: кулачковая оправка ударного действия и гидравлическое устройство; выправление методом взрыва с применением специальной торпеды.
В результате внедрения разработанных методов и рекомендаций получен значительный экономический эффект. Несмотря на полученные в ре- зультате внедрения разработанных методов положительные результаты по предотвращению смятий обсадных колонн глубоких скважин до настоящего времени проблема полностью еще не решена. Необходимо признать главными направлениями научно-исследовательских работ в этой области:
Исследование и замеры фактических нагрузок (наружных и внутренних) с помощью глубинных приборов на всех стадиях строительства и эксплуатации скважин.
Исследование вопросов, связанных с расчетами обсадных колонн на долговечность и выработка норм объемов допустимых работ в колоннах в различных геолого-технических условиях.
Исследование вопросов, связанных с созданием методики расчета обсадных колонн на неравномерные сосредоточенные нагрузки.
Разработка методов получения равномерного монолитного цементного камня за обсадной колонной.
Оптимизация режимов бурения с целью повышения рейсовых скоростей бурения и снижения при этом объема работ бурильных систем в обсадных колоннах и получения допустимых темпов искривления скважин.
Исследование вопросов повышения устойчивости открытого ствола скважин в интервалах пластичных пород, в т. ч. методом плавления горных пород.
Изучение влияния дополнительных напряжений, вызванных резким изменением температур, гидродинамическими явлениями при пуске и остановке скважин, прекращением закачки воды в нагнетательных скважинах.
Продолжить исследование по изучению закономерностей, связывающих частоту смятий обсадных колонн с современным состоянием тектонического и сейсмического режима строительства и эксплуатации скважин с применением современных методов, в т. ч. аэрокосмических технологий.
Состояние вопроса по расчету обсадных колонн на смятие и основные направления исследований закономерностей и причин смятий обсадных колонн
Обеспечение надежности и долговечности обсадных колонн тесно связано с их расчетами на прочность. Из всего комплекса вопросов, связанных с расчетами обсадных колонн на прочность, наиболее сложным является вопрос расчета на сопротивляемость смятию наружным давлением. Научно-исследовательские работы по этой проблеме велись и ведутся одновременно в двух направлениях: это теоретические и экспериментальные исследования как по определению критического сминающего давления для обсадных колонн, так и расчетного наружного давления для обсадных колонн. Большой вклад в решение проблемы расчета обсадных труб и колонн в скважинах на смятие и создания теории работы обсадных колонн в различных геолого-технических условиях внесли работы отечественных ученых: М.М. Александрова, Ю.М. Амен-Заде, Ю.В. Булгакова, А.И. Булатова, СМ. Билыка, К.А. Владимирова, B.C. Войтенко, П.А. Вислобицкого, А.А. Гайворонского, СБ. Гусейнова, Т.Е. Еременко, Ю.А. Еремеева, Л.Б. Измайлова, М.Л. Кисельмана, М.Я. Леонова, А.Х. Мирзаджанзаде, Д.Ю. Мочернюка, А.А. Мамедова, Ю.А. Песляка, К.В. Руппенейта, Г.М. Саркисова, Л.Е. Симонянца, А.С Станишевского, Г.А. Стрельца, А.Е. Сарояна, И.Г. Узумова, М.Р. Шнейдерова, А.А. Цыбина, Н.Д. Щербю-ка, Яковлева Ф.И. и многих других, и зарубежных: Ламе, Леви, Томаса, Читгама, Эвери, Рассела, Клега и др. Первые формулы для расчета строго круглых обсадных труб на сопротивляемость внешнему давлению вывели Ламе, Леви, академик В. В. Гадолин.
В силу того, что выпускаемые обсадные трубы отличаются от идеально круглой и концентричной формы, эти формулы не нашли практического применения. Задачу для овальных обсадных труб решил профессор Б.В. Булгаков [4]. Выведенная им формула (называемая формулой ГИНИ) после 1930 г. была принята в нефтяной промышленности как расчетная по определению сминающего давления для обсадных труб. С переходом на цельнотянутые трубы появился новый фактор, связанный с технологией производства, - это разностенность, которую в формуле ГИНИ не учитывали. В связи с этим в 1943 г. Г.М. Саркисовым была решена задача по определению сминающего давления для овальной разностенной трубы. Формула, полученная в АзНИИ (формула Г.М. Саркисова) с 1950 г. по рекомендации Технического совета Министерства нефтяной промышленности была принята для расчета обсадных колонн на сопротивляемость смятию внешним давлением. Для проверки теоретических формул, а также получения эмпирических зависимостей, рядом авторов были проделаны обширные экспериментальные исследования по определению сминающих давлений. Такие работы проводились в АзИНмаше, АзНИИбурнефти, Львовском политехническом институте, ВНИИБТ. Наиболее значительный опытный материал получен Т.Е. Еременко [5], С.Б. Гусейновым, А.А. Гай-воронским [5,6] и др. В этих же работах установлено влияние растягивающих нагрузок на снижение сопротивляемости обсадных труб смятию.
На основании полученных экспериментальных данных А.А. Гайво-ронским и С.Б. Гусейновым были получены эмпирические формулы для определения минимальных величин сминающих давлений для обсадных труб из стали группы прочности С, Д, К и Е [6], которые включены в методику расчета обсадных колонн [7]. При получении формул ГИНИ и АзНИИ для определения сминающего давления за основу были взяты аналитические формулы, полученные для критического давления. Формулу, специально выведенную для сминающего давления, получил Т.Е. Еременко [8], решив упруго-пластическую задачу для сжатого стержня постоянного сечения и пересчитав полученные результаты для овальной равно-стенной трубы. Анализ, проведенный Г.М. Саркисовым [9] показал, что сминающие давления, подсчитанные по формуле АзНИИ, в среднем на 15% превышают критические давления, что хорошо согласуется с коэффициентом 1,13 Б.В. Булгакова, а сминающие значения по данным Т.Е. Еременко те же, что и по формуле АзНИИ. Из краткого анализа состояния вопроса по определению сминающего давления видно, что он требует дальнейших исследований, и в то же время он решен с достаточной для практики степенью точности, несмотря на различный подход к выбору расчетной формулы (аналитической с поправочным коэффициентом, т. е. полуэмпирической, или эмпирической).
Наиболее же сложным для решения явился вопрос определения расчетного наружного давления, действующего на обсадную колонну в условиях скважины. Этому вопросу посвящено много работ, однако ввиду его сложности и многогранности он не нашел окончательного решения до настоящего времени. Трудность в решении этой проблемы заключается в том, что в настоящее время почти отсутствуют средства для замера фактических давлений за обсадной колонной в различные стадии строительства и эксплуатации скважины. В силу этого в методиках расчета обсадных колонн при определении расчетного наружного давления имеются некоторые допущения. В настоящее время имеется несколько предложений по вопросу определения расчетного наружного давления. В 1950 г. Техсовет бывшего Министерства нефтяной промышленности рекомендовал (до уточнения) наружное давление для всего ствола скважины рассчитывать по давлению столба бурового раствора за обсадной колонной, а в 1956 г. этот же Техсовет рекомендовал метод определения расчетного наружного давления : учетом разгрузки цементного кольца при уменьшении внутреннего давления в обсадной колонне (метод Г. М. Саркисова). Данная рекомендация была подтверждена Всесоюзными совещаниями в 1963 и 1966 гг. была издана инструкция [10]. Одновременно проводилась промышленная проверка "Временной инструкции по расчету эксплуатационных обсадных колонн нефтяных и газовых скважин», разработанная во ВНИИБТ в 1965 г. Проверка методики проводилась в основном в объединении Башнефть [11]. На нефтяных месторождениях Украины опробировалась методика расчета обсадных колонн Т.Е. Еременко (УкрНИИПНД) с учетом двухосного нагружения, а в районах Азербайджана - методика АзНИИбурнефти.
С 1970 г. решением Всесоюзного научно-технического совещания по методике расчета бурильных и обсадных колонн от 16 декабря 1969 г. в Баку была принята единая методика [12], которая узаконила метод Г. М. Саркисова по определению расчетного наружного давления. Оно теперь определялось по составному столбу из бурового и тампонажно-го растворов с учетом разгрузки в зоне цементного кольца. В данной методике в отдельных случаях для скважин, бурящихся в сложных геологических условиях, допускалось определение наружного расчетного давления по всему стволу скважины по столбу бурового раствора. На основании решения этого же совещания, принявшего единую методику, в 1970 г. ВНИИБТ выпустил «Методику расчета обсадных колонн нефтяных и газовых скважин», которая предназначена для крепления опытных скважин в различных геологических условиях с использованием минимальной расчетной толщины стенок обсадных труб [7].
Обоснование необходимости вероятностно-статистического подхода при анализе закономерностей и причин смятий обсадных колонн
Расчетные значения Ркр и Рсм входят в условие (2.1) как вполне определенные, детерминированные величины. По отношению же к реальным величинам в скважинах, имеющим случайный характер, они играют роль некоторых средних значений, либо средних в группе наибольших или наименьших значений. Вопрос выбора расчетных нагрузок на обсадную колонну до настоящего времени не решен ввиду его многогранности и сложности. Поэтому одно из первых значений в условии (2.1) имеет коэффициент запаса прочности. Коэффициент запаса прочности, а также тесно с ним связанные величины расчетных нагрузок и несущей способности труб, определялись в основном эмпирическим способом, путем обобщения большого многолетнего опыта эксплуатации и проектирования обсадных колонн в различных геолого-технических условиях, т. е. по своей природе он, хотя и в завуалированной форме, является в некоторой степени вероятностным. В обзорной работе [34] показано, что применяемые в настоящее время методики расчета обсадных колонн, содержат ограниченное число рекомендаций по выбору коэффициентов запаса прочности. Правда, опыт бурения показывает, что все эти рекомендации позволяют обеспечить надежность крепления на большинстве нефтяных и газовых месторождений. Однако такая жесткая регламентация коэффициентов запаса прочности мало отражает многообразие геолого-технических условий, имеющихся в различных районах, не учитывает степень изученности месторождения, конструкции скважины (наличие предыдущих колонн, высоту подъема цемента и др.), наличие износа обсадных труб, время разработки месторождения и т. п. Естественно, что полный учет всех факторов, влияющих на условия работы обсадных колонн, сделать невозможно при данном уровне знаний, поэтому это должно находить свое отражение в задаваемой величине коэффициента запаса прочности. По мере изученности вопроса ряд положений, учитывающих фактические условия работы обсадных колонн, должны находить свое отражение в изменении применяемых величин коэффициента запаса прочности. Это будет одним из решающих факторов, обеспечивающих исключение смятий обсадных колонн.
Целью инженерного расчета обсадной колонны на смятие является получение гарантии того, что в процессе бурения и эксплуатации не наступит ни одно из недопустимых предельных состояний. Многочисленные случаи смятия обсадных колонн при бурении и эксплуатации скважин говорят о том, что такая гарантия не всегда выполняется.
Для разработки рекомендаций по предотвращению смятий обсадных колонн в первую очередь необходимо установить причины, их вы зывающие. Установить причину смятия - это значит найти факторы, явления, которые повлияли на возможность появления одного из предельных состояний. Поскольку принятая в настоящее время методика расчета обсадных колонн на смятие не допускает предельных состояний, установление причины смятия в общем виде сводится к установлению отличий фактических условий работы обсадных колонн от расчетных. Под условиями работы здесь понимается изменение как действующих нагрузок, так и прочности обсадных труб.
В настоящее время при установлении причин смятия обсадных колонн применяют метод анализа, когда при известных сведениях о фактических условиях работы обсадной колонны определяется фактический коэффициент запаса прочности. Если этот коэффициент снижается ниже единицы при определенных условиях, то говорят о возможности смятия обсадной колонны. Решение задачи здесь часто усложняется тем, что в настоящее время отсутствуют широкие возможности замеров наружных нагрузок, действующих на обсадные колонны, неизвестны динамические уровни бурового раствора в скважине при поглощении и истинная плотность его по всему стволу скважины при нефтегазоводопроявлениях и т. д.
Анализ показал, что задача установления причин смятия решается в настоящее время только детерминистическим методом по каждой скважине в отдельности без связи этого явления с другими скважинами, а также и с теми скважинами, где смятий обсадных колонн не произошло. При таком подходе к решению задачи бывает затруднительно установить общие закономерности смятия для всей анализируемой площади, необходимые для совершенствования методики расчета обсадных колонн. Мы считаем, что в этих случаях большую помощь в установлении общих закономерностей и причин смятия обсадных колонн может оказать метод сравнения, при котором все скважины со смятыми обсадными колоннами сравниваются со скважинами, бурившимися в примерно равных условиях на данном месторождении, но в которых смятие не произошло. Или скважины со смятыми колоннами разбиваются на группы и сравниваются между собой по каким-либо критериям, влияющим на частоту смятия. Для анализа здесь берутся уже не единичные случаи, а наиболее значительное их число. В силу этого, наиболее целесообразно, с нашей точки зрения, при производстве такого анализа вначале следует установить вероятностно-статистические закономерности смятий в зависимости от определенных критериев для каждой группы скважин, а затем их сравнить между собой. Таким образом, мы вплотную подошли к вопросу о необходимости разработки и применения методики вероятностно-статистического анализа закономерностей и причин смятия обсадных колонн. Возможность, границы применения элементов теории вероятности и математической статистики при решении данной задачи подтверждаются и определяются следующим анализом.
При производстве нормативных расчетов обсадных колонн на смятие принято, что действующие нагрузки, механическая прочность обсадных труб, их геометрические размеры, коэффициенты запаса прочности будут неизменны, или их изменение строго регламентировано. Такое условие расчета приводит к тому, что их достоверность падает со временем, так как могут появиться изменения как в нагрузках, так и в механической прочности труб по мере нарастания срока службы обсадных колонн. На условия работы обсадных колонн влияют многочисленные факторы, и в то же время это влияние строго индивидуально для каждой скважины.
Анализ геолого-технических условий работы обсадных колонн
Для промышленной проверки разработанной методики анализа закономерностей и причин смятия обсадных колонн выбраны нефтегазоносные площади объединения Грознефть исходя из следующих соображений.
За свою почти вековую историю нефтяная промышленность Чечено-Ингушетии несколько раз как бы возрождалась заново. И каждый раз это было связано с открытием новых месторождений. Особенно бурно росла добыча нефти после открытия большой толщины мезозойских горизонтов. Это стало возможным в результате освоений бурения глубоких и сверхглубоких скважин в очень сложных геолого-технических условиях, когда необходимо было преодолевать весь комплекс осложнений, известных в практике бурения (поглощения, нефтегазово-допроявления, сужения стволов, обвалы, прихваты, наличие горизонтов с аномально высокими и низкими давлениями и т. д. и т. п.). В связи с этим возник ряд трудных проблем и одна из них - смятие обсадных колонн. Появилась она сразу после начала бурения скважин на верхний мел, но остро стала ощущаться на последней стадии разработки верхнемеловых месторождений. По прогнозам геологов дальнейшее развитие грозненской нефтяной промышленности связано с разведкой еще более глубокозалегающих горизонтов - юрских и подсол евой толщи.
Для решения этой задачи уже сейчас необходимо в массовом порядке приступить к бурению скважины глубиной 6.. .7 тыс. м. При этом, как показал анализ промыслового материала, надежное крепление таких скважин, исключающее аварии из-за смятия обсадных колонн, может стать одной из главных проблем. Подробно о наличии этой проблемы в объединении Грознефть сказано в первой главе. Решать проблему смятия обсадных колонн необходимо безотлагательно, ибо часто смятие приводит к ликвидации скважин, что наносит большие убытки народному хозяйству страны. Исходя из вышеизложенного, видно, что выбрав объединение Грознефть для промышленной проверки методики, можно решить две первоочередные задачи: проверить все критерии смятия, выбранные для установления закономерностей и причті этого явления, и, установив причины, разработать рекомендации по предотвращению смятий обсадных колонн.
Для проведения анализа закономерностей и причин смятия обсадных колонн необходимо было собрать промысловый материал или информацию, причем не любую подряд, а научно организованную и приспособленную для ее последующей обработки согласно разработанной методике. Для этой цели была разработана схема сбора материала, позволяющая использовать предлагаемое критерии смятия. В течение 6 лет были собраны и проанализированы данные в буровых предприятиях (включая и архивные материалы) по 700 скважинам, пробуренным в период с 1958 по 1973 гг. и по 100 скважинам, где произошли смятия обсадных колонн за этот же период, т. е. были рассмотрены все случаи смятия, происшедшие при бурении.
Во всех районах объединения Грознефть геологический разрез представлен аналогичными по возрасту стратиграфическими горизонтами различной толщины. Толща карагано-чокракских отложений устойчива и проходится на неутяжеленных буровых растворах.
Большинство карагано-чокракских песчаников являются очагами поглощений и прихватов бурильных труб. Толща этих отложений перекрывается технической обсадной колонной. Переходная зона от чокрака к верхнему Майкопу (низы чокрака) и верхняя часть верхнего Майкопа представлены пластичными глинами, и, как правило, на больших частях структур они разорваны тектоническими нарушениями, перемяты, напряжены и поэтому крайне неустойчивы [44]. В этой зоне наблюдаются сужения за счет вытекания глин, обвалов, что приводит к затяжкам, посадкам и прихватам бурильных труб во время бурения. Из-за указашшх осложнений интервал проходится с применением бурового раствора плотностью 1800...2200 кг/м3. Отложения верхнего и нижнего Майкопа представлены глинами с прослоями песчаников. В нижнем Майкопе имеются высоконапорные про-пластки песчаников. Плотность бурового раствора, соответствующая рав-новесшо с пластовыми давлениями, здесь составляет 1900...2200 кг/м , т. е. вся толща майкопских отложений проходится на утяжеленных буровых растворах. Майкопские отложения крепятся одной или двумя техническими колоннами. Фораминиферовые отложения имеют небольшую толщу - от 30 до 150 м, и они неустойчивы, прохождение их сопряжено с поглощениями и проявлениями. В большинстве скважин эти отложения перекрываются колонной-хвостовиком. Продуктивный массив известняков верхнего мела устойчив, прочен. Пластовые давления, как в верхнем, так и нижнем мелу ниже, чем в Майкопе, поэтому их бурение ведется с применением буровых растворов плотностью 1000... 1300 кг/м .
Результаты исследований прочности и напряженного состояния обсадных труб и составной крепи при неравномерных наружных нагрузках
Для исследования было взято 16 патрубков диаметром 168 мм и длиной 1,4 м. Вначале 8 патрубков были смяты равномерным гидравлическим давлением, а затем 8 аналогичных патрубков смяты неравномерной нагрузкой по схеме рис. 3.38, б. При смятии каждой трубы неравномерной нагрузкой были получены диаграммы зависимости роста деформаций от увеличения нагрузки. Форма смятия, характер диаграмм при этом были примерно одинаковыми для всех восьми опытов. Диаграмма зависимости роста деформаций при увеличении неравномерной нагрузки (а) и схема деформации обсадной трубы (б)
На диаграмме отмечены три стадии работы обсадной трубы при неравномерной нагрузке. В начальной (упругой) стадии возникают изгибающие моменты в сечениях А и В и нормальные силы в сечении Б. причем МА=МВ и МА МБ. В процессе увеличения нагрузки Fпоявляются пластические шарниры вначале в сечении А и В, что было видно по растрескиванию краски, нанесенной на наружную и внутреннюю поверхности трубы. Здесь уже появляется область упруго-пластических деформаций (I область).
Дальнейшее возрастание нагрузки F\ приводит к увеличению моментов и нормальных сил в сечении Б, Г (на диаграмме это II область). Конец второй стадии работы трубы заканчивается возникновением пластических шарниров в точках Б, Г. При этом нагрузка F\ достигает предельной величины, при которой наступает третья стадия работы обсадной трубы за пределами упругой зоны (на диаграмме это III область).
Для этих исследований были взяты патрубки диаметром 273 мм длиной 1,4 м категории прочности К с толщиной стенки 10 мм. Исследование напряженного состояния труб проводилось в области упругих деформаций по схеме нагружения бив (см. рис. 3.38) с различными углами обхвата.
В процессе эксперимента трубы нагружались ступенями от 10 до 50 кН, при каждой нагрузке снимались показания относительных деформаций. По относительным деформациям по формулам (4.1, 4.2 4.3) были подсчитаны главные напряжения и по максимальному из них построены диаграммы кольцевых напряжений (рис. 4.6,4.7,4.8)
При неравномерной наружной нагрузке главные напряжения в поперечном сечении обсадной трубы распределяются неравномерно. В точке приложения нагрузки они достигают максимальных значений и превышают напряжения в других точках этого же сечения трубы в 4...S раз.
Качественно диаграммы аналогичны диаграммам, полученным [47] для изношенной обсадной трубы при равномерном гидравлическом давлений (рис. 4.9). Из сравнения этих диаграмм видно, что появление максимальных напряжении в зоне приложения неравномерной нагрузки аналогично появлению концентрации напряжения в зоне желобообразного износа равномерно нагруженной обсадной трубы, т. е. снижение сопротивляемости целой обсадной трубы смятию при неравномерной нагрузке аналогично потере первоначальной прочности при равномерной нагрузке в результате износа обсадной трубы.
При нагружении по схеме рис. 3.38 б и в с углом обхвата а =25,50 (малые сегменты) характер распределения напряжений примерно одинаков: они максимальны в точках приложения нагрузки и затухают в направлении сечения под углом 90 к прилагаемой нагрузке. При увеличении угла обхвата до а =120 характер распределения напряжений несколько иной: сами значения напряжений меньше и максимальное напряжение перемещается от центра площадки приложения нагрузки к ее краям («краевой эффект»). Очевидно, что по мере увеличения угла обхвата а 180 расчетная схема напряжений будет приближаться к схеме при равномерной гидравлической нагрузке и они могут быть определены по формуле Ламе.
Для установления степени влияния цементного камня на напряженное состояние внутренней обсадной трубы составной крепи при неравномерном нагружении наружной с помощью тензометрирования были проведены следующие исследования. Была изготовлена крепь, состоящая из обсадных труб диаметрами 273 и 168 мм категории прочности соответственно К и Л и толщиной стенки по 10 мм. Между трубами был цементный камень, полученный из цемента для «холодных скважин» с прочностью на изгиб 1,5 МПа, плотностью тампонажного раствора 1850 кг/м . Длина крепи составляла 1,4 м. Время от заливки цемента до эксперимента составило более 30 дней. Составная крепь нагружалась по схемам б и г от ступенчато от 50 до 300 кН. На диаграммах (рис. 4.10, 4.11, 4.12) показано распределение кольцевых напряжений на внутренней поверхности внутренней трубы составной крепи. Из диаграмм видно, что при неравномерном нагружении наружной трубы и передаче этой нагрузки через цементный камень, распределение напряжений во внутренней трубе неравномерно. Полученные диаграммы имеют некоторое сходство с диаграммами на рис. 4.6, 4.7, 4.8 и в то же время отличаются от них. Общим здесь является то, что в обоих случаях имеются максимальные и минимальные напряжения в различных точках сечения обсадной трубы, а отличаются они тем, что на последних диаграммах линии напряжений расходятся значительно дальше в обе стороны от точки максимального напряжения, т. е. напряжения распределяются на значительную площадь обсадной трубы, а по величине они при этом значительно уменьшаются.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что наименее напряженной зоной при рассматриваемых схемах нагружения является зона, расположенная под углом 45 к оси приложения нагрузки. Из графиков также видно, что наиболее напряженной является внутренняя поверхность обсадной трубы независимо от схемы нагружения и наличия износа, поэтому разрушение трубы при наружной нагрузке начинается там. Это позволило не рассматривать в дальнейшем напряжения по всему сечению кольца, а вести исследование только по его внутренней поверхности.
Поскольку эта поверхность является свободным от внешних сил контуром, то здесь действует только одно из главных напряжений [68], направленное по касательной к контуру в исследуемой точке.
Используя указанную особенность свободного контура по картинам изохром, представляющим собой количественно разность главных напряжений (Ji-Сг и полученным в монохроматическом свете прибором типа 300 фирмы «Карл Цейс» для контроля напряжений, были построены эпюры главных напряжений действующих на внутренней поверхности обсадной трубы. Линии изохром показаны на рис. 4.16, 4.17, 4.18 для всех проведенных вариантов нагружения модели трубы. Визуально картина изохром показывает равномерное распределение наружной нагрузки на нагруженном участке, а линии изохром имеют плавную (не ломаную) форму.
