книги из ГПНТБ / Мамедов, А. А. Нарушения обсадных колонн при освоении и эксплуатации скважин и способы их предотвращения

кольца. При наличии глинистой корки между патрубками и цементным кольцом эта величина составляет в среднем 12%.

Положительная роль цементного кольца еще больше прояв­ ляется в случае смятия овальных патрубков с цементным коль­ цом и окружающей породой. Для таких образцов сминающие давления на 70—80% выше, чем расчетные.

Проведенные в стендовых условиях С. Б. Гусейновым, М. А. Гусейновым и А. А. Аскеровым эксперименты на натур­ ных образцах также показывают значительное увеличение не­ сущей способности трубы смятию при наличии цементной обо­ лочки. В работе указано, что сопротивляемость обсадной трубы смятию за счет несущей способности цементной оболочки при условиях подпора последней к крепкому горному массиву уве­ личивается в пределах 14—35%.

Авторами данной работы также экспериментально исследо­ вана разгрузочная способность цементной оболочки при пере­ даче равномерного наружного давления на обсадную трубу через нее.

В процессе проведения экспериментов объектом испытания были выбраны обсадные трубы диаметром 146 мм с толщиной стенки 7 и 8 мм марки Д. От каждой трубы были отрезаны пять патрубков длиной по 1500 мм согласно длине корпуса испытательного стенда. Для сравнения результатов по три патрубка от каждой трубы подвергали испытанию с цементной оболочкой и по два — без оболочки.

Для получения цементной оболочки вокруг патрубка он в вертикальном положении помещался в кожух, имеющий с обоих концов вставные горловины. Кожух и горловина состоят из двух половин. Части кожуха до заливки раствора скреплялись меж­

утечки раствора устанавливали резиновую прокладку.

Перед заливкой патрубок цементировали и внутренние по­ верхности кожуха и горловины смазывали тавотом. Разъемная конструкция приспособления и смазка изнутри позволили без затруднения освободить их от цементной оболочки после затвердения раствора. Раствор изготовляли из тампонажного цемента Карадагского месторождения с весовым отношением воды к цементу 0,5:1. Время затвердения раствора составля­ ло 24 ч.

После освобождения приспособления полученный образец (патрубок с цементной оболочкой) выдерживали в водяной ванне в течение 48 ч.

Внутренние диаметры кожуха и горловин подбирали с таким расчетом, чтобы после затвердения цемента патрубок с цемент­ ной оболочкой свободно вмещался в корпус стенда и обеспечи­ валось условие передачи равномерного гидростатического дав­ ления через оболочку на патрубок, а также герметизация коль­

130

цевого пространства между внутренней полостью корпуса и наружной поверхностью цементной оболочки.

Образец помещали в корпусе стенда, служащего для испы­ тания обсадных труб на смятие внешним гидростатическим дав­ лением. Герметизирующие устройства, состоящие из распорно­ го кольца, резиновой манжеты, упорного кольца и распорной

гайки устанавливали на цементной корке с обоих концов пат­ рубка. Схема сборки патрубка с цементной оболочкой и без ■оболочки представлена на рис. 32, а результаты опытов приве­ дены в табл. 14.

Из данных табл. 14 видно, что сминающие давления патруб­ ков с цементной оболочкой и без нее имеют почти одинаковые

5* 131

ваться в радиальном направлении, то во втором случае дефор­ мация образца в радиальном направлении ограничивается стенкой горных пород и стенда.

Отметим, что, по мнению автора, именно свободная дефор­ мация образца приводит к отсутствию значительной роли це­

наблюдаемых в наших опытах, показывает, что цементная обо­ лочка до определенного момента деформируется неразрывно с трубой (до этого момента происходит разгрузка). После этого момента с увеличением нагрузки она не может дальше дефор­ мироваться неразрывно с трубой ввиду низких упругих кон­ стант цемента. Когда цементная оболочка перестает деформи­ роваться неразрывно с трубой (разгрузка не происходит), на­ грузка, падающая на ее долю, увеличивается до критического значения, что приводит к ее преждевременному разрушению.

Таким образом, приходим к выводу, что при передаче на­ грузки жидкой средой на патрубки с цементной оболочкой уве­ личение сопротивляемости трубы смятию отсутствует, а при передаче нагрузки на патрубок с цементной оболочкой твердой средой (горной породой) последняя заметно увеличивает со­ противляемость трубы смятию.

Однако здесь следует отметить другую сторону данного вопроса, имеющего важное значение при эксплуатации.

Возможно ли получить на практике за колонной такой це­ ментный камень, каким он берется при проведении экспери­ ментов и принимается при решении теоретической задачи. В частности, сохраняется ли всегда при эксплуатации скважи­ ны неразрывность между цементной оболочкой и трубой, а так­ же между оболочкой и горным массивом при разных давлениях и температуре или можно ли создать за колонной цементное кольцо с достаточной прочностью без трещин, концентрично расположенное по отношению к оси колонны.

Промысловая практика цементирования скважин, а также экспериментальные исследования в этой области пока отрица­ тельно отвечают на эти вопросы. Опыт показывает, что полу­ чить концентричное расположение колонны по отношению к оси скважины практически не представляется возможным.

Исследования и опыты по вытеснению глинистого раствора цементным в вертикальных и наклонных скважинах, проведен­ ные Р. И. Шищенко [81] и М. П. Гули-Заде [24], показывают, что при эксцентричном расположении колонны в вертикальной

получается сквозной канал, причем вблизи от канала имеется значительное число прослоек глины.

133

Расчеты [24] показывают, что при площади поперечного сечения кольцевого пространства, равной 16,1 см2, с учетом

ходимо отметить также ползучесть цементного камня в случае длительной эксплуатации скважин.

Авторами работы [8] установлено, что в условиях глубоких скважин цементное кольцо обладает свойствами ползучести и с течением времени скорость ползучести резко возрастает.

Роль цементной оболочки особенно снижается в газовых скважинах. По данным М. К. Сеид-Рза [72], одной из основных причин, приводящих к образованию грифонов за колонной, яв­ ляется некачественная цементировка скважин. Затрубный газ

врезультате некачественной заливки, пройдя через трещины, образованные на цементном камне, поднимается вверх и, на­ капливаясь на определенном участке, приводит к образованию грифона с последующим нарушением колонны.

Здесь следует сказать еще об одном факте. Он заключается

втом, что до настоящего времени окончательно не уточнены величины упругих констант цементного камня, его прочностные характеристики в условиях скважины. Ввиду этого результаты расчетов отдельных авторов получаются разные. Такие различ­ ные оценки констант безусловно затрудняют получение кон­ кретного представления о роли цементной оболочки при креп­ лении скважин.

АНАЛИЗ ПРИЧИН с м я т и я колонн

ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТНЫХ ФОРМУЛ

Для анализа причин смятия эксплуатационных колонн оце­ ним результаты предложенных расчетных формул на основе промысловых данных. С этой целью возьмем данные четырех скважин из 83 скважин НГДУ Карадагнефть Азербайджанской ССР, где в двух случаях смятие произошло в зацементирован­ ной части колонны, а в двух других — выше уровня цементного столба (табл. 15).

Как видно из табл. 15, у этих скважин глубина забоя, диаметр эксплуатационной колонны, продолжительность рабо­ ты скважины с момента крепления до обнаружения дефекта почти одинаковые. Такой выбор скважин позволяет оценить роль цементной оболочки в процессе смятия колонны.

Отметим, что в процессе работы все четыре скважины были опорожнены полностью. Поэтому расчет будем вести для слу­ чая полного опорожнения скважины.

134

Определим величину расчетного наружного давления по ме­ тодике, принятой на практике в настоящее время, где наруж­ ное давление по всему стволу определяется давлением столба глинистого раствора. В случае полного опорожнения скважины из формулы (186) имеем

Подобный расчет произведем для двух скважин: скв. 974 и

скв. 790. Из табл. 15 для скв. 974: е = 1413 м, ур=С28 г/см3, а

для скв. 790: г = 840м, ур=С36 гс/см3. Таким образом, по фор­ муле (224) (в кгс/см2) находим

Ррас = 0,1 -1,28* 1413 = 181,8;

/W = 0,1 • 1,36 • 840 = 114,2.

Теперь определим величину расчетного наружного давления по методике Г. М. Саркисова и Ю. А. Песляка. Поскольку эти методики, предусматривают определение наружного давления для зацементированной части колонны, то расчет будем вести только для скв. 974, где смятие произошло в зацементирован­ ной зоне.

По методике Г. М. Саркисова в случае полного опорожне­ ния скважины для подсчета z0 по формуле (196) имеем: 1г =

= 400 м, ур=1,28 гс/см3, уц=С85 гс/см3, уо= 0; ув=1 гс/см3. Зна­ чение коэффициента к для труб диаметром 168 мм с толщиной стенки 9 мм берем равным 0,31 [по раочету Г. М. Саркисова, формула (191)]. Таким образом,

135

Так как z0<z, то расчетное давление (в кгс/см2) опреде­ ляется по формуле (195)

ррас= 1,85* 1413 — (1 — 0,31) (1,85 — 1,28 400 —

— 0,31 -1,85-1564 = 155.

По методике Ю. А. Песляка, как видно из формулы (210), прочность колонны проверяется, исходя из тангенциальных и осевого напряжений, возникающих в стенке трубы. Учитывая, что в нашем примере осевое напряжение незначительно (место смятия близко к забою), в расчетах его влиянием можно пре­ небречь. Тогда из формулы (210) для тангенциального напря­ жения будем иметь

— Ар = 0,1 (1564 — 1164) (1,85 — 1,28) -Ь 0,1 -1554-1,28 = 233;

г84

дике и по методике Г. М. Саркисова и Ю. А. Песляка. Все эти данные, а также коэффициенты запаса прочности для этих ко­ лонн сведены в табл. 16.

Как видно из табл. 16, при всех методах расчета коэффи­ циент запаса прочности для обсадной колонны выше единицы.

136

а по методу Ю. А. Песляка — больше двух. Несмотря на это, в указанных скважинах произошло смятие колонны.

Можно полагать, что с течением времени находящееся за колонной глины, обладая большой пластичностью, воздейству­ ют на колонну как жидкая среда. При этом нагрузка, дейст­ вующая через цементную оболочку, полностью передается на трубы, так как наличие свободной деформации трубы и цемент­ ной оболочки (за крепью отсутствует крепкая подпора) спо­ собствует преждевременному разрушению цементной оболочки, как это наблюдается в экспериментах автора.

Если учесть то обстоятельство, что с течением времени сам цементный камень обладает свойством ползучести, то становит­ ся ясным, что в условиях наличия за колонной породы второ­ го типа (глины) цементная оболочка не может увеличить соп­ ротивляемость трубы на смятие. Об этом свидетельствует еще тот факт, что смятие колонны в скважинах, где за колонной находятся глины, в одинаковой степени происходит как в заце­ ментированной части ее, так и выше этого участка. Поэтому расчет обсадных колонн на -смятие для участка скважины, где в разрезах находятся глины, должен быть произведен без уче­ та цементной оболочки. При этом нагрузка, действующая на колонну, должна определяться исходя из ползучести горных пород [52].

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПОРОД ВТОРОГО ТИПА С УЧЕТОМ ФАКТОРА ВРЕМЕНИ, ДЕЙСТВУЮЩЕГО НА КОЛОННУ

При определении давления на стенки обсадной колонны, когда за колонной находятся породы второго типа (глины), бу­ дем полагать, что с момента крепления стенки скважины в те­ чение времени ее эксплуатации колонна и окружающий ее массив горных пород находятся в состоянии плоской деформа-

137

ции. Будем также считать, что объемное сжатие горных пород равно нулю или соответственно этому условию коэффициент Пуассона равен 0,5. Такое допущение оправдано тем, что при изменении коэффициента Пуассона в интервале от 0,3 до 0,5 смещение на контуре выработки изменяется на несколько про­ центов, что значительно упрощает расчетные уравнения и их решение.

Напряженное состояние ненарушенного массива горных по­ род будем считать гидростатическим, т. е. коэффициент боко­ вого распора полагаем равным единице, вследствие релаксации напряжений в горных породах за геологический период их об­ разования. Тогда будем иметь

С момента закрепления скважины в течение времени ее ра­ боты давление на стенки колонны начинает изменяться вслед­ ствие релаксации напряжения в горных породах.

Давление на стенку колонны в момент крепления скважины на глубине г будем считать:

где уп, уР, уц — удельный вес соответственно горной породы, глинистого и цементного растворов в гс/см3; h — расстояние от устья скважины до уровня подъема цементного раствора в м.

Напишем уравнение состояния пород второго типа при осе­ симметричном плоскодеформированном состоянии и коэффи­ циенте Пуассона, равном 0,5:

8f = lcT (a' _ a e )’

Как видно из уравнения состояния (230), тело из такого материала при нагрузке меньше предельной (К\) изменяется,

138

как идеально упругое, т. е. деформация прямо пропорциональна напряжению.

При условии, когда напряжение больше предельного, т. е. при Г>К\, соответствующем формуле (229), кроме упругой деформации в теле возникает необратимая деформация, вызы­ ваемая вязким течением материала. Нужно отметить, что при постоянном напряжении эта деформация неограниченно воз­ растает, а при заданной деформации напряжение в теле релаксирует, т. е. стремится к предельному.

Исследованиями установлено, что в случае незначительных глубин в породах второго типа возникают релаксирующие и пластические области. Поскольку боковая нагрузка, как рас­ четная, определяется для нижней части колонны, то породы второго типа, находящиеся в этой зоне, всегда будут иметь релаксирующую и пластическую области. Поэтому для опреде­

при Т Ж [.

С другой стороны, вследствие несжимаемости среды имеем

139