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

Из табл. 4 видно, что результаты, полученные при предло­ женной методике выбора труб, совпадают с результатами пер­ форации в скважине. Те трубы, в которых появились трещины в процессе испытаний в скважине, разрушились и на стенде.

Это говорит о том, что указанная методика выбора труб для нижней части колонны может с успехом применяться в неф­ тепромысловой практике.

Из табл. 4 также видно, что разрушаемость труб при прост­ реле в большой степени зависит от группы прочности труб. Тру­

стенок (9 и 12 мм), а трубы, менее склонные к хрупкому раз­ рушению (группы прочности Д), лучше сопротивлялись возник­ новению и развитию трещин, т. е. разрушались только имеющие толщину стенки 8 мм.

Ввиду того, что в некоторых случаях при простреле в оди­ наковой степени разрушаются трубы различных групп проч­ ности с одинаковой толщиной стенки, для выявления лучших из них признали целесообразным произвести прострел труб одной и той же группы прочности с различными толщинами стенок. С этой целью решили не простреливать трубы с различ­ ными толщинами стенок, предусмотренными ГОСТ 632—64, а из труб с максимальной толщиной стенок расточить патрубки с меньшими толщинами стенок.

Стендовые испытания патрубков

Для проведения серии экспериментов по указанной выше методике был оборудован стенд-камера. Стенд позволил про­ извести прострел патрубков одиночным зарядом перфоратора­ ми типа АПХ-98, ПКС-80. Прострел производился в воде. Прострелам подвергали патрубки из труб диаметрами 146 и 168 мм группы прочности Д, К, Л, с толщиной стенки 12 мм, которые растачивались до толщины 9 и 6 мм.

Всего было прострелено 636 патрубков, отрезанных от 35

50

построена диаграмма разрушаемости труб в зависимости от толщины их стенок (рис. 14). Из диаграммы видно, что на разрушаемость влияют толщина стенки, диаметр, группа проч­ ности стали труб, а также тип перфоратора.

С увеличением толщины стенки, как правило, разрушае­ мость патрубков для всех сталей уменьшается. Что касается влияния диаметра патрубков, то его увеличением разрушае­ мость уменьшается, но сказывается менее значительно, чем толщина стенки.

51

Сопоставление результатов прострела труб различных групп прочности показывает, что наименьшая разрушаемость наблю­ дается у патрубков группы прочности Л, при всех прочих рав­ ных условиях. В результате прострела перфоратором типа АПХ-98 разрушаемость патрубков меньше, чем перфоратором типа ПКС-80.

Как видно из приведенных выше исследований, на основе статистического анализа данных патрубков с различными тол­ щинами стенок, диаметрами и группами прочности, прострелен­ ных различными типами перфораторов, можно выбрать трубы для фильтровой части колонны, обеспечив отсутствие или ми­ нимальное трещинообразование в процессе залповой перфора­ ции.

Отметим, что указанная методика также позволяет произ­ вести выбор марки стали и разработки технологии получения труб новых групп прочности, отвечающих одному из важных эксплуатационных требований — сопротивляемости хрупкому разрушению.

НАРУШЕНИЕ ОБСАДНЫХ КОЛОНН В ЗОНЕ ФИЛЬТРА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН

Причины нарушения

Эксплуатационная колонна представляет собой подземное

•сооружение, неразрывно связанное с окружающей средой, как в период строительства, так и в процессе эксплуатации. Поэ­ тому вопросы крепления скважины обсадными трубами в зоне фильтра должны решаться в непосредственной связи с окру­ жающей средой и технологией эксплуатации, так как в связи с эксплуатацией скважины характер нагрузок в этой зоне ме­ няется.

Однако до последнего времени при изучении вопросов креп-

.ления скважин этим факторам не придавали должного значе­ ния, так как считали, что нарушения эксплуатационных колонн в зоне фильтра якобы связаны, во-первых, действием дополни­ тельной боковой нагрузки окружающей среды, во-вторых, уменьшением прочности колонны в результате ослабления тру­ бы перфорированными отверстиями. Поэтому для предотвра­ щения таких нарушений предлагали брать завышенный коэффициент запаса прочности при смятии.

Так, например, Г. М. Саркисов считает, что дополнительная боковая нагрузка может возникать от динамической силы при гидравлическом ударе. Последний может иметь место в слу­ чае внезапного закупоривания фильтра. Формула для опреде­

52

ления величины дополнительной боковой нагрузки, выведенная Г. М. Саркисовым, имеет следующий вид [70]:

массы.

Расчеты автора по формуле (74) при следующих условиях:

верстий на сопротивляемость труб смятию гидростатическим давлением.

В работе [21] даны результаты испытаний на смятие гидро­ статическим давлением, 39 натурных патрубков длиной 1,6 м, отрезанных от девяти обсадных труб диаметром 168 мм, групп

в большинстве случаев образовались надрывы или небольшие сквозные трещины длиной 10—15 мм и высокие заусенцы. Не­ смотря на это, понижение сопротивляемости этих патрубков смятию по сравнению с патрубками без отверстий не превыша­ ло в среднем 3,4%.

отверстий в одном сечении (от четырех до восьми) не влияет на снижение сопротивляемости трубы. Незначительность влия­ ния перфорированных отверстий на устойчивость труб при смятии установлена и теоретически.

В работах [76, 32, 33] даны аналитические расчетные фор­ мулы для определения критического давления потери устойчи­

53

вости труб, ослабленных отверстиями. Эти формулы аналогич­ ны известным формулам Ляме, Брайена, Булгакова, Саркисова и других для определения критического давления и отличают­ ся от них двумя поправочными коэффициентами, учитывающи­ ми диаметры отверстий, расстояние между ними и т. п.

В этих работах установлено, что в зависимости от разме­ ров отверстий и частоты их расположения. по образующей трубы меняется критическое давление потери устойчивости.

Так, по данным работы [32] для труб (диаметр 168 мм,, группа прочности Д, толщина стенки 9 мм) с отверстиями, раз­ меры и расположение которых примерно соответствуют отвер­ стиям, полученным перфоратором типа АПХ-98, понижение критического давления в сравнении с такими же трубами без отверстий составляет 1%. Это же снижение по данным работы [33] составляет 3—4%. Авторами этих работ также установле­ но, что наличие одного ряда отверстий, расположенных по окружности трубы, не снижает ее устойчивости и величина кри­ тического давления (потери устойчивости) не зависит от схемы расположения отверстий на поверхности трубы (по прямо­ угольной или шахматной сетке).

Как видно из приведенных выше работ, наличие отверстий незначительно снижает сопротивляемость труб смятию и это снижение не может быть причиной нарушения обсадной колон­ ны в зоне фильтра. Исследования показывают, что в процессе эксплуатации скважины на фильтровую часть обсадной колон­ ны кроме боковой нагрузки окружающей среды еще действует вертикальная нагрузка, и причину нарушения обсадных колонн

взоне фильтра нужно объяснять воздействием последней. Причину возникновения вертикальной нагрузки в зоне

фильтра можно объяснить следующим образом.

Из механики грунтов известно, что до проходки подземной выработки давление в горных породах подчиняется геостатическому закону, т. е. зависит от глубины данной точки и от объемного веса вышележащих пород. После проходки горной выработки геостатическое распределение давления в породах вблизи стенок выработанного пространства нарушается. Сле­ довательно, в них возникают деформации расширения и сдви­ гов. Начинаясь у стенок, эти деформации захватывают некото­ рую зону вокруг выработки. Породы этой зоны кусками могут вываливаться в выработки. В результате этого образуется раз­ гружающий свод, передающий давление вышележащих пород на более отдаленные неразрушенные участки грунта. Подобная картина имеет место и в зоне фильтра в процессе эксплуата­ ции скважины.

В связи с выносом большого количества песка из призабой­ ной зоны, продуктивный горизонт у фильтра постепенно разру­ шается и окружающая масса переходит в текучее состояние. Слабая устойчивость горных пород, а также радиальный ха­

54

рактер притока жидкости к скважине еще более усиливают разрушение продуктивного горизонта. Наличие за колонной незакрепленной выработки и свода на ней приводит к обра­ зованию вертикальной нагрузки, вызванной силами трения грунта о колонну. Следовательно, в зоне фильтра эксплуата­ ционная колонна кроме бокового давления окружающей среды еще испытывает действие осевой силы. Причем величина этой силы такая, что в зависимости от длины фильтра может про­ изойти продольный изгиб фильтровой части или же отвод ко­

лонны выше ее.

Т. Е. Еременко [30] и А. А. Шахназаров [80] также считают, что фильтровая часть эксплуатационных колонн деформирует­ ся в результате воздействия на нее вертикальной нагрузки, вызывающей продольный изгиб труб.

Г. А. Бабалян в работе [11] указывает, что в процессе, эксплуатации скважин в результате выноса песка пористость пород призабойной зоны достигает критического значения, при котором небольшие изменения депрессии вызывают самопро­ извольные осадки грунта. В случае самопроизвольных осадок вышележащие породы теряют под собой опору и от них отка­ лывается масса, имеющая форму полусферы. Отколовшаяся масса породы, имея под собой в момент оседания жидкое осно­ вание, приобретает подвижность как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Одновременно воздействие го­ ризонтальной и вертикальной сил приводит к деформации колонн.

Однако в этих работах [11, 30, 80] не определяется величи­ на вертикальной силы, являющейся в данном случае основным фактором в зоне фильтра, приводящим к нарушению колонны.

Осевая нагрузка, вызванная силами трения грунта о колонну

В результате выноса песка окружающая масса у фультра постоянно разрушается. Разрушение массы происходит по плоскости скольжения, имеющей замкнутую поверхность (по­ добно конусу). Так как песок беспрерывно выносится из при­ забойной зоны, конус обрушения превращается в усеченный конус, при этом радиус малого основания определяет величину выработки (рис. 15).

Радиус большого основания усеченного конуса, который зависит в основном от мощности фильтра, определяет разме­ ры податливой плоскости, над которой образуется свод. Свод представляет собой половину трехосного эллипсоида, размеры которого при ф ^45° определяются из следующего соотноше­ ния [38]:

55

где b — большая полуось эллипса; а — малая полуось эллипса; Ф — угол внутреннего трения грунта.

Таким образом, масса горных пород, заключенная внутри свода, как бы освобождается от действия всей массы породы, представляя собой «свободное тело». Наличие «свободного те­ ла» вокруг колонны, не имеюще­ го под собой опору, вызывает осе­ вую нагрузку. При определении осевой нагрузки от «свободного тела» исходим из способа опре­ деления давления в высоких па­ раллельных стенках с замкнутым

давление, действующее в любом горизонтальном сечении, распре­

и колонны; б) вертикального давления на верхнюю плоскость выделен­

ного элемента

n(x2 — r2)pv\

в) вертикального давления на нижнюю плоскость выделен­ ного элемента

n(x2 — r2)(pv + dpv);

г) горизонтального давления на боковую поверхность

2я (х — г) dzph;

56

д) сопротивления трения по боковой поверхности

2л (х + г) dzFh.

Если принять, что угол трения грунта о стенку равен углу внутреннего трения грунта, для сопротивления трения получим

2л (х + г) dzphtgcp.

Напишем условие равновесия всех -сил, действующих на вы­ деленный элемент в направлении г:

dz

‘ V - T - ( - S ' )

Уравнение (79) сводится к уравнениям с разделяющимися переменными посредством замены функции pv произведением двух новых функций. Решив это уравнение указанным спосо­ бом, получим

57

где

Определим величину осевой нагрузки. Для этого напишем выражение сил трения, падающих на долю внутреннего кон­ тура:

После решения интегралов, для Q получим следующее вы­ ражение

/с = 0,42 (для песка) она примерно в 20 раз меньше первого и в 5 раз меньше третьего. Поэтому ее можно не принимать во внимание. Тогда для осевой нагрузки получим более простую формулу, т. е.

58

Выясним величину бокового давления от «свободного тела». Максимальное боковое давление получим от значения pV(m&x)

6,68/с незначительна, поэтому ею можно пренебречь, и тогда получим

.ливой плоскости а соответствует моменту, когда величина мак­ симального касательного напряжения, развивающегося на по­ верхности скольжения, превышает величину внутренних сил сопротивления среды сдвигу.

Для определения величины а исходим из условия равнове­ сия максимального касательного напряжения и внутренних сил

59