тов в скважине. Кроме того, наличие незамерзающего прост­ ранства, заполненного теплоизолятором, предотвращает смя­ тие колонн, которое может произойти в случае длительной ос­ тановки скважины при наличии в межтрубном пространстве бурового раствора.

3.3. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА

ОСАДНЫХ КОЛОНН ПРИ КРЕПЛЕНИИ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ УСЛОВИЯХ БУРЕНИЯ

Анализ большого промыслового материала по креплению глубоких скважин в различных геологических условиях свиде­ тельствует о том, что фактический запас прочности обсадных колонн отличается от расчетного. На месторождениях, в разре­ зе которых отсутствуют высокопластичные отложения и гори­ зонты с АВПД, обсадные колонны успешно противостоят дей­ ствующим в скважинах нагрузкам при расчетном коэффициен­ та запаса прочности меньше 1. На месторождениях со сложны­ ми геологическими условиями бурения обсадные колонны ока­ зались поврежденными при расчетных коэффициентах запаса прочности 1,5 и более. Все это свидетельствует о том, что при­ меняемые методы расчета обсадных колонн не всегда отвечают конкретным условиям их работы в глубоких скважинах. Основ­ ные причины повреждения обсадных колонн следующие:

неправильное определение действующих в скважине нагру­ зок на обсадные трубы;

неточное определение прочностных показателей обсадных труб;

спуск в скважину некачественных труб; повреждение труб в процессе спуска колонн;

износ и повреждение промежуточных колонн бурильным инструментом в процессе работы в обсаженной скважине;

стихийные явления.

Ниже приведены некоторые методы расчета нагрузок, дей­ ствующих на обсадную колонну в скважине, и прочностных по­ казателей труб.

3.3.1. РАСЧЕТ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КОЛОНН

Определение наружного давления. Существует несколько методик определения наружного давления.

Методика ГМ. Саркисова. Расчетное наружное давление

соответствующей большему значению рЛ, необходимо провести вниз вертикальную линию до пересечения с лежащей ниже ча­ стью эпюры. Отрезок этой вертикали, начиная от точки пересе­ чения и до уровня Л, принимается за линию эпюры на этом уча­ стке.

Приведенные выше формулы получены для идеального слу­ чая крепления скважин. При выводе расчетных формул при­ нимали, что обсадная колонна окружена упругими цементными оболочками и горными породами. Пластовое давление порис­ тых, насыщенных жидкостью и газом горизонтов принимают равным гидростатическому давлению соответствующего столба воды. Поставленная задача о взаимодействии цементной обо­ лочки и обсадной колонны решается с использованием формулы Ламе для определения радиальных деформаций трубы и це­ ментной оболочки. Приравнивая радиальные перемещения то­ чек контактной поверхности трубы и оболочки, находят коэф­ фициент разгрузки цементного кольца.

В постановке и решении задач по расчету обсадных колонн на сопротивляемость смятию имеется ряд недостатков.

При бурении скважин в большинстве районов вскрывают го­ ризонты с давлениями насыщающего их флюида, превышаю­ щими гидростатическое. Поэтому внешнее давление на колонну снизится до пластового, а не до гидростатического давления столбы воды. Кроме того, необходимо доказать применимость условий неразрывности контактной поверхности трубы и обо­ лочки в условиях скважины. Экспериментальные работы по ис­ следованию прочности обсадных труб, окруженных цементной оболочкой, показали, что жидкость из модели пласта проникала между поверхностью патрубка и цементного кольца. Следова­ тельно, несмотря на цементное кольцо активное давление на ко­ лонну создавалось жидкостью. Исследованиями качества це­ ментирования скважин акустическим цементомером, прове­ денными в последние годы, установлено, что после испытания обсадной колонны на герметичность контакт ее с цементным кольцом ухудшается. Все это косвенно указывает на то, что значения радиальной деформации наружной поверхности об­ садной колонны и внутренней поверхности цементной оболочки могут быть не равны.

При расчете колонн внешнюю нагрузку рассчитывают по давлению упругой цементной оболочки. Критическое внешнее давление для труб определяют для случая, когда колонна на­ ходится в жидкой среде. Очевидно, что при расчете критичес­ кого давления и внешней нагрузки необходимо использовать одну и ту же схему крепления скважин.

Задача об устойчивости трубы под воздействием равномерно­ го давления со стороны упругого тела решена М.Я. Леоновым и В.В. Панасюком. В результате решения такой задачи выявлено, что устойчивость труб в указанных условиях велика, что в ре­ альных скважинах в зацементированной зоне смятия обсадных труб не должно происходить.

На основании изучения промысловых материалов по крепле­ нию скважин в различных геологических условиях и результа­ тов исследования прочности труб Л.Б. Измайловым был сделан вывод о том, что нет необходимости рассчитывать обсадные колонны на сопротивляемость смятию при создании на них давле­ ния цементным кольцом. Отмечено, что проведение научноисследовательских работ с целью уточнения расчетного давле­ ния твердого цементного кольца на обсадную колонну в сква­ жине нецелесообразно, так как наибольшую опасность для труб представляет давление флюида, содержащегося в пласте. В этой работе рассмотрены различные условия крепления сква­ жин и схемы расчета обсадных колонн на сопротивляемость смятию. Наиболее общей является следующая расчетная схема. Обсадная колонна окружена цементным кольцом и горными породами. Жидкость, насыщающая пласт, проникает по порам цементного камня и оказывает непосредственное давление на обсадную трубу.

При креплении горизонтов с АВПД жидкость или газ из это­ го пласта поднимаются по цементному кольцу и оказывают дав­ ление на обсадные трубы, расположенные на значительном удалении от шшста до места герметизации затрубного прост­ ранства. Исходя из такого представления о взаимодействии обсадной колонны, цементного кольца, горных пород и насы­ щающих их флюидов, Л.Б. Измайловым и специалистами ВНИИБТ были разработаны методики определения расчетных внешних давлений на обсадные колонны.

Методика ВНИИБТ. Расчетное наружное давление на ко­ лонну определяют с учетом пластовых давлений высоконапор­ ных горизонтов. Сразу после продавки тампонажного раствора наружным давлением для обсадной колонны является:

а) давление составного столба бурового и тампонажного рас­ творов при г > h (г - глубина, для которой определяют давле­

А= КГ^Рц*.

Винтервале подъема тампонажного раствора после ОЗЦ на­ ружное давление для обсадной колонны определяется по сле­

дующим формулам: а) при z > La

б) при h < z < L a

(3.33)

где La - глубина залегания высоконапорного горизонта; т - мо­ дуль градиента пластового давления; тр - статическое напря­ жение сдвига бурового раствора; Dc - диаметр скважины; D - наружный диаметр обсадной колонны.

При спуске колонн секциями и при двухступенчатом цемен­ тировании наружное давление определяется так же, как для колонн, спускаемых и цементируемых в один прием;

в) при цементировании колонны до устья (Л = 0) наружное давление для колонны определяют по формуле (3.32);

г) для случая, когда газ в затрубном пространстве заполнил объем в интервале I? от газоносного пласта до непроницаемой перемычки, а возможность его фильтрации в пласты в данном интервале отсутствует, наружное давление рассчитывают по формуле

(3.34)

гДе Рал “ пластовое давление высоконапорного горизонта; рг - плотность воздуха при атмосферном давлении и температуре; р - относительная плотность газа по воздуху; zx - расстояние, отсчитываемое от газоносного пласта к вышележащей пере­ мычке; t - температура пласта.

В интервалах залегания карналлита, а также высокотемпе­ ратурных (при t > 80 *С) солевых толщ, представленных гали­ том, значение наружного давления для обсадной колонны оп­

Если соленосные толщи представлены галитом и пластовая температура меньше 80 “С, то наружное давление рассчитыва­ ют по формуле

(3.36)

где Но - коэффициент Пуассона для горных пород; рп - плот­ ность породы.

Для предотвращения образования больших каверн вскрытие соленосных отложений и бурение нижележащих интервалов необходимо производить с использованием растворов, насы­ щенных соответствующими солями.

Для улучшения условий нагружения обсадной колонны ка­ верны заполняют тампонажным раствором.

Соленосные толщи рекомендуется перекрывать двумя и бо­ лее обсадными колоннами с заполнением межтрубного кольце­ вого пространства тампонажным раствором. Выше интервала цементирования наружное давление на обсадную колонну со­ здается столбом бурового раствора. Для структурообразующих жидкостей это давление определяется при г £ А по формуле

(3.37)

(тр определяют экспериментально).

Вслучае если значение рн, определенное по формуле (3.37), меньше найденного по формуле (3.32), расчет ведут по формуле (3.32).

Взоне перфорации за наружное давление принимают плас­ товое. При отсутствии данных о значении пластового давления в зоне цементирования давление для разведочных скважин опре­ деляют по столбу бурового раствора:

Методика Л.Б. Измайлова. Внешнюю нагрузку на колонну определяют с учетом АВПД и давления гидроразрыва (поглощения) пород.

В общем случае, когда обсадная колонна герметизирована на некоторой глубине А' (рис. 3.14), при миграции по межколон­ ному пространству жидкость, газ или газожидкостная смесь высоконапорного горизонта будут оказывать давление на ко­ лонну в интервале от L^ до А'.

При заполнении затрубного пространства пластовой жидкос­ тью или газом противодавление на этот пласт создается столбом

напорного горизонта на глубине hx при насыщении затрубного пространства нефтью или газом по формулам (3.39) и (3.40). При этом вместо А' подставляют значение hx. Если > р П), то жидкость из затрубного пространства будет поступать в погло­ щающий горизонт, а давление в затрубном пространстве на глу­ бине hx можно принимать равным р^. В случае рш < р^ давле­ ние в затрубном пространстве на глубине hx будет равнор ^ .

Исходя из такой предпосылки, давление на обсадную колон­ ну определяют для случая, когда выше высоконапорного гори­ зонта залегает поглощающий пласт и тампонажный раствор не поднят в башмак предыдущей колонны, а затрубное простран­ ство герметизировано на глубине А' (см. рис. 3.14). При этом возможны два варианта.

1. Значениер^ > р ^ . Тогда наружное давление на колонну определяют по следующим формулам:

а) в интервале от L до Lw

где А - расстояние от устья скважины до уровня цементного раствора;

ИспользУВ Щшведейные расчетные формулы, практически можно подСЯиТДть наружные давления на обсадную колонну при любых Эдемах крепления скважин.

давление для трубы, при котором наибольшее напряжение до­ стигает предела текучести металла, согласно данным Г.А. Сар­ кисова, определяется по формуле

где kmln = Smin/D; k0 = 80/D; k0 = 80/D; 8 ^ - минимальная толщи­ на стенки, принимаемая равной 0,8758; 8 - номинальная тол­ щина стенки трубы; 5Q - средняя толщина стенки, принимае­ мая равной 0,9058; D - наружный диаметр обсадной трубы; от - предел текучести материала трубы; Е - модуль упругости ма­ териала трубы; р - разностенность труб, принимаемая равной 1,034; е - овальность обсадной трубы.

Значения ркр, подсчитанные по формуле (3.54) при указан­ ных значениях 8 ^ и SQ, приведены в справочниках.

На основе данных аналитических и экспериментальных ра­ бот Т.Е. Еременко предложил формулу для расчета значения

где

А = о т + Ek2 (1 - ЗХр2 + 2ХР3) + — (1 -2 р + Хр2) ;

2k

В = 4Ek2ov(1 - ЗХР2 + 2ХР8) ;

k = 0,9318/D; А-глубина пластического слоя, м; Р - коэф­ фициент пластичности, Р = А/8; к = 0,95 - относительное уменьшение модуля упругости при переходе в пластичную об­ ласть.

Для облегчения подсчета значения Р рекомендуются эмпи­ рические формулы:

при к < 0,055

Если вычисленные по формулам (3.56) и (3.57) значения по­ лучаются с отрицательным знаком, то значение р принимают равным нулю.

Сминающие давления, рассчитанные по формуле (3.58), приведены в справочниках.

На основе экспериментальных работ, выполненных во ВНИИБТ, АзНИИбурнефти и б. ВНИИКРнефти, предложены эмпирические формулы для расчета минимальных значений сминающих давлений:

Трубы с * = 0,02+0,06 проверяют на устойчивость формы по

где * - отношение номинальной толщины стенки трубы к ее на­ ружному давлению.

Расчет сминающего давления с учетом двухосного нагруже­ ния. Рассмотрим две методики расчета: Т.Е. Еременко и ВНИИБТ.

Методика Т.Е. Еременко. Допустимая глубина спуска пер­ вой секции труб

Если в колонне отсутствует жидкость, то допустимую глу­ бину спуска первой секции труб над цементным кольцом опре­ деляют по формуле

В дальнейшем расчет на смятие производят с учетом двухос­ ного нагружения:

, .р ,т г‘ - р , т ° -

При отсутствии в колонне жидкости, т.е. при рн = О, из фор­ мулы (3.63) получают

ЮркД

-Я п -1 *п

Рс

Методика ВНИИБТ. Сминающее давление для труб при одновременном действии осевой растягивающей и сминающей нагрузок находят по формуле

\2

где рс - сминающее давление для труб при .осевой растягиваю­ щей нагрузке, равной нулю; N - осевая растягивающая нагруз­ ка; F - площадь поперечного сечения тела трубы.

Подбор обсадных труб производят из условия рр й рс, где рр - расчетное наружное давление, определяемое как разность

Р н - Р . -

Расчет обсадных колонн на растяжение. Осевые растягива­ ющие нагрузки определяют по формуле

где qt- масса 1 м труб секции колонны; lt - длина секции колон­ ны.

Расчетная осевая нагрузка

где пр - коэффициент запаса прочности на растяжение. Страгивающую нагрузку для обсадных колонн рассчитыва­

ют по формуле Ф.И. Яковлева

i+-^-ctg(<p+e)

где Д. - средний диаметр резьбы по первой полной нитке, см; Ь - толщина стенки трубы по впадине той же нитки, см; I - дли-

на нарезанной части трубы, см; ф —угол между опорной по­ верхностью резьбы и осью трубы; 0 - угол трения.

Наиболее опасные участки обсадных колонн - резьбовые со­ единения, из условия прочности которых рассчитывают допус­ тимые осевые нагрузки.

При применении сварных соединений обсадных труб допус­ тимые осевые нагрузки определяют исходя из условия прочно­ сти шва и тела трубы с учетом длины проточки под хомут. Во всех случаях > Qp.

Расчет обсадных колонн на внутреннее давление. Избыточ­

Критическое внутреннее давление для труб рассчитывают по формуле Барлоу

где D, d - наружный и внутренний диаметры трубы соответст­ венно.

При подборе труб необходимо исходить из условия рр < < Ркл/ав>гДе ав ~ коэффициент запаса прочности на внутреннее давление.

3.3.2. РАСЧЕТ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ КОЛОНН

В настоящее время отсутствуют надежные методы прогно­ зирования износа промежуточных обсадных колонн в различ­ ных геологических условиях. В некоторых районах для расчета промежуточных колонн используют формулы АзПИИ.

Величину радиального износа обсадных труб определяют исходя из объема проведенной работы:

где с - число рейсов инструмента; А - длина бурильного замка, м; А - поперечный коэффициент, принимают А = 1,1+1,2;

Изменение общего угла наклона, градус

8 - толщина стенки трубы, мм; Е - модуль упругости материала трубы; ат - предел текучести материала трубы; k0 - отношение средней толщины стенки к диаметру трубы; k' - отношение максимального радиального износа к диаметру трубы; - отношение минимальной толщины стенки к диаметру трубы; е - коэффициент овальности неизношенной трубы.

При D > 219 мм е = 0,02; при D й 219 мме = 0,01. Значение ркрможно определить из номограммы (рис. 3.17). На этой номо­ грамме т| - коэффициент снижения сминающего давления, Хг - коэффициент износа.

Рассмотрим на примере, как пользоваться номограммой рас­ чета изношенных обсадных колонн на смятие (см. рис. 3.17).

Имеется колонна диаметром 219 мм с толщиной стенки 8 = = 11 мм из стали группы прочности Л. Труба изношена буриль­ ным замком на глубину 3 мм. Для этой трубы (неизношенной) по существующим таблицам значение сминающего давления составляет 30,5 МПа.

Находим на шкале “Диаметр обсадных труб” значение 219 мм, поднимается вверх до 8 = 11 мм, затем по горизонталь­ ной линии проходим до кривой, соответствующей k = Ъ/D =

=0,05. Переходим на шкалу “Радиальный износ” . Находим 8 =

=3,0 мм, по прямой поднимаемся до кривой 8 = 11 мм, прово­ дим вертикальную линию до пересечения с уже найденной кри­ вой * = 0,057.

От точки пересечения ведем горизонтальную прямую до кривой 30,5 МПа, соответствующей давлению смятия неизношенной трубы. Затем из точки пересечения горизонтальной прямой и кривой 30,5 МПа ведем прямую вертикально вниз и находим на шкале значение давления смятия изношенной тру­ бы, которое в нашем случае равно 18 МПа.

При необходимости с помощью номограммы можно решить

обратную задачу.

Страгивающую нагрузку для неизношенных обсадных ко­ лонн рассчитывают по формуле (3.70).

Для незацементированной части промежуточной колонны, находящейся под действием осевой растягивающей нагрузки, страгивающую нагрузку определяют с учетом износа обсадных труб бурильным инструментом по формуле

Рис. 3.18. Зависимость коэффи­ циента снижения страгивающей нагрузки if от коэффициента Xj

D0 - средний диаметр резьбы по первой полной нитке; b - тол­ щина стенки трубы по впадине той же нитки; I - длина нарезан­ ной части трубы; d - внутренний диаметр трубы; 8 ^ , 8 ^ - максимальная и минимальная толщина стенки трубы; 8' - ради­ альный износ трубы; <р - угол между опорной поверхностью резьбы и осью трубы; 0 - угол трения.

Для практических расчетов рекомендуется пользоваться графической зависимостью коэффициента снижения страгива­ ющих нагрузок Я' от коэффициента износа труб А* (рис. 3.18). Здесь Хг - отношение радиального износа к номинальной тол­ щине колонны.

3.3.3. РАСЧЕТ НАТЯЖЕНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН

При оборудовании устья скважины выполняют натяжение незацементироваЗной части обсадной колонны для защиты ее от повреждений в результате возникновения дополнительных на­ пряжений. НатяЖение обсадных колонн не производят в случае установки компенсаторов деформации.

При проектировании обсадных колонн для скважин, в кото­

рых неизвестны ожидаемые температуры и давления, величи­ ну натяжения определяют по формуле

где Qn - усилие натяжения; Q - вес свободной (незацементированной) части колонны; [Р ^ ] “ допустимая страгива­ ющая нагрузка для резьбового соединения.

Натяжение колонн Qn, которые в процессе эксплуатации подвергаются нагреву (или охлаждению) и воздействию внут­ реннего давления, находят из условий

Qn*Q\

где Q - вес свободной (незацементированной) части колонны; Рг - термическая нагрузка; Р2 ~ нагрузка от внутреннего избы­ точного давления РУ; Р8 - нагрузка от гидростатического дав­ ления.

Большее значение Qnпринимают за усилие натяжения. Усилие Р19 возникающее в колонне в результате нагрева

(охлаждения) находят по формуле

где а - коэффициент линейного расширения материала труб; Е ~ модуль упругости материала труб; At - средняя температу­ ра нагрева (или охлаждения) колонны.

Приближенное значение средней температуры нагрева (или охлаждения) может быть определено из зависимости

2

где tl9t2- температура колонны до эксплуатации соответствен­ но на устье и у верха цементного кольца (обычно принимаются по геотермическому градиенту); t3f tA- температура жидкости в колонне соответственно на тех же глубинах.

В случае охлаждения At имеет отрицательное значение. Среднюю площадь сечения колонны определяют как средне­ взвешенную по длине колонны величину

р - *1*1+*2*2+—

(3.82)

где /1,^2“ длина секций обсадной колонны; Flf F2 - площадь сечения труб в секциях.

Величины Р2 и Р8 определяют по формулам

P3=^gL (D *p3-d*pK),

4

где p - коэффициент Пуассона; d, D - соответственно внутрен­ ний и наружный диаметр колонны; р„ - плотность жидкости соответственно за колонной и внутри нее.

После натяжения колонны должны соблюдаться условия

(3.83)

где Q0 - вес колонны от устья до рассматриваемого сечения. Для соединений, расположенных возле устья скважины,

условия прочности следующие:

а - ^ + Р . - Р з ^ ] ,

(3.84)

<&£[$*]•

3.3.4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ СКВАЖИН В РАЙОНАХ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

В районах многолетнемерзлых горных пород к конструкци­ ям скважин предъявляют дополнительные требования:

1)толщина мерзлых пород должна перекрываться полно­

стью;

2)глубина спуска кондуктора должна исключать гидравли­ ческий разрыв пластов, лежащих выше башмака, при дости­ жении в стволе скважины давления, равного пластовому;

3)для успешной проводки скважины после перекрытия мерзлых пород и последующей эксплуатации тепловое воздей­ ствие ее на породы с отрицательной температурой необходимо свести к минимуму;

4)необходимо оценить величины сминающих нагрузок и проверить прочность конструкции в целом при цикличном рас­ теплении и смерзании многолетнемерзлых пород, связанном с вынужденными остановками эксплуатирующихся скважин.

Рассмотрим Последовательно особенности расчета конструк­ ций скважин в многолетнемерзлых породах с учетом указан­ ных выше требований. От состояния конструкции в целом в ус­ ловиях многолётнемерзлых пород зависит безаварийная работа эксплуатационной колонны.

лении 12 МПа значение р2 = 7,5 МПа. Следовательно, для пре­ дотвращения гидравлического разрыва пластов кондуктор должен быть спущен на глубину 375 м.

Оценка размеров зон растепления многолетнемерзлых пород при бурении и эксплуатации скважин. При бурении скважин промывочная жидкость с температурой выше О °С рас­ тапливает лед - цемент мерзлой породы. В результате в интер­ валах мерзлых пород, сложенных рыхлыми разностями, сце­ ментированными льдом, образуются каверны. Наличие этих каверн значительно усложняет процесс цементирования кон­ дукторов.

При эксплуатации скважин тепловое воздействие на мерз­ лые породы становится крайне интенсивным. Лед, превраща­ ясь в воду, занимает меньший объем, и образуются каверны. Порода теряет свою несущую способность, возникают явления оползней.

Учитывая разность температур и длительность работы скважины, можно уверенно предсказать нарушение термоди­ намического равновесия в многолетнемерзлых породах, в ре­ зультате чего возможны посткриогенные явления вокруг ство­ ла скважины и образование вокруг кондуктора очень больших каверн (кратеров) с проседанием устьевой обвязки и нарушени­ ем труб кондуктора.

Для приближенных расчетов величины протаивания стенок скважины при бурении в многолетнемерзлых горных породах в

лем 7\, Т2 - соответственно температура входящего и выходя­ щего из скважНЦь* теплоносителя, °С; Ст —теплоемкость тепло­ носителя; ртплотность теплоносителя, кг/м8; d - внутренний диаметр бурильных труб, м; шт —средняя скорость потока теп­ лоносителя в трубах; t - время воздействия теплоносителя на мерзлые Породы в Процессе бурения.

где Qa =* Удрлс* - количество энергии, затрачиваемой на расплавление лЬдЗ в 1 м8 мерзлых пород; QB= VjpfiJT^ - коли­ чество энергии» затраченной на нагревание воды, образовав­ шейся от расплавления льда, содержащегося в 1 м8 мерзлых пород, до ^емпеБа'Гуры теплоносителя; QCK= VCKpCKCCK(Tcp - Тп) - количество энергии, затраченной на нагревание 1 м8 мерзлых

пород до температуры теплоносителя; Ул - объем льда в 1 м3 мерзлых пород; рл - плотность льда; о - теплота нагревания и плавления льда; VB- объем воды, образовавшейся в результате расплавления льда в 1 м3 мерзлых пород; рв - плотность воды; Св - теплоемкость воды; Тср “ средняя температура теплоноси­ теля, Тер = (Ti + Т2)/2, “С; VCK - объем скелета породы; р^ - усредненная плотность скелета породы; Сск - усредненная теп­ лоемкость пород; Тп - средняя отрицательная температура по­ род, вС.

Объем растаявших и разрушенных пород можно также вы­ разить формулой

(3.89)

где R - радиус скважины по долоту плюс растепленные и осы­ павшиеся стенки скважины, м;Н - глубина скважины, м.

Тогда

R = ^Vo6J (n H ).

Глубину по радиусу растепленных и разрушенных пород можно определить так:

Анализ формулы (3.91) показывает, что глубина протаивания увеличивается (при постоянстве всех прочих параметров) с ростом перепада температур, скорости потока промывочной жидкости, продолжительности бурения и с уменьшением диа­ метра долота.

Интересны результаты экспериментальных и аналитичес­ ких исследований по оценке размеров зоны растепления и воз­ действия ее на эксплуатационные скважины месторождения Прадхо-Бей (Аляска).

Многолетнемерзлые грунты на этом месторождении преимущественно гранулярные, за исключением верхней зо­ ны, где отмечены массивные формы льда. Движущиеся флюи­ ды в интервале многолетней мерзлоты имеют температуру 6080 °С.

Рис. 3.19. Аналитический прогноз оседания и отпора грунта для эксплуата­ ционной скважины, защищенной изоляцией до глубины 230м:

/-мерзлый грунт; //-оттаявш ий грунт, постоянный градиент 800 кг/м3; 1 - бокового движения нет; 2 - массовый градиент изменяется от 0,8 г/см3 до 0; 3- вертикального движения нет

год превысит 2 м, что вызовет просадку талого грунта объемом 60-65 м3. При отсутствии теплоизоляции между колоннами и недоподъеме тампонажного раствора за кондуктором до устья растепление пород за первый год работы скважины достигает 4,5 м. Наличие в кольцевом пространстве между колоннами воздуха при атмосферном давлении сокращает линейную плот­ ность теплового потока из ствола скважины в окружающие гор­ ные породы на 40-50 % .

Оценка значений сминающих нагрузок при цикличном растеплении и смерзании многолетнемерзлых пород. Вопро­ су смятия обсадных колонн при восстановлении отрицатель­ ных температур в околоствольной зоне скважин в районах многолетнемерзлых пород посвящено много исследований. Установлено, что обсадные трубы сминаются в интервалах образования каверн или значительных зазоров между смежными колоннами либо между колонной и стенкой сква­ жины.

Для оценки значений внешнего давления на обсадные ко­ лонны при замерзании жидкостей в ограниченном объеме пред­ ложено несколько зависимостей. Все они отличаются структу­ рой и выведены с допущениями, однако точность оценки давле­ ний для практических расчетов достаточна.

Давление на обсадные трубы при замерзании бурового рас­ твора в скважине может определяться из выражения

гдерх - внешнее давление на колонну; pg “ коэффициент Пуас­ сона; Е2 - модуль упругости породы; а - коэффициент объемно­ го расширения бурового раствора при замерзании; Dl9 D2 - на­ ружный диаметр соответственно обсадной колонны и каверны; Я - глубина; р - плотность породы.

Если диаметр кондуктора равен 219 мм, а диаметр каверны на глубине 130 м составляет 600 мм при следующей характери­ стике горных пород: Е2 = 1-103 МПа, Ца = 0,35, р = 2,30 г/см3 и коэффициенте расширения бурового раствора а = 0,061, то рас­ четное значение внешнего давления на колонну будет равно 25,57 МПа. Этот результат - минимальное возможное давление, поскольку принято минимальное значение Е2 (Е2 колеблется в пределах 103-1 0 4 МПа). Это давление близко к критическому для обсадных труб диаметром 219 мм.

Чем выше влажность пород, тем большее давление действует на обсадные трубы. Вода, замерзая в замкнутом объеме, в зави­

симости от температуры среды может создать давления, пре­ вышающие 200 МПа.

Расчеты показывают, что если разность диаметров скважи­ ны и колонны превышает 100 мм, то при замерзании пород вы­ сокой влажности (более 20-25 % ) и жидкости в кольцевом про­ странстве колонна может быть смята. Наибольшую опасность представляют незацементированные каверны, заполненные пресной или слабоминерализованной водой.