книги / Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья

На третьем шаге конечные элементы цементного кольца деак­ тивируются. Это делится для возможности замены давления столба бурового раствора на давление цементного раствора. При выполнении этой операции в элементах обнуляются напряжения и деформации. Таким образом, на начало твердения бетона эле­ менты являются недеформированными, что соответствует реаль­ ным условиям при строительстве скважины. При этом также от­ сутствуют нагрузки н^ деактивированные элементы для исклю­ чения их деформаций. На контактах стальная труба - цементное кольцо и породный массив - цементное кольцо задается давле­ ние, равное давлению столба цементного раствора. Расчет этого этапа производится на малый промежуток времени.

На четвертом шаге расчета конечные элементы цементного кольца активируются и обладают свойствами твердеющего цемента. Модуль упругости растет до двух суток по линей­ ному закону, а далее увеличивается по закону, полученному в экспериментах. Коэффициент Пуассона убывает от величины близкой к 0,5 до 0,2 по линейному закону. При этом цементное кольцо нагружено давлением столба цементного раствора. Расчет этого этапа проводится на время, равное 20 сут. Последователь­ ность пошагового нагружения расчетной модели показана на рис. 5.5.2.

Изменение радиальных и тангенциальных напряжений во времени показано на рис. 5.5.3 на примере кондуктора (глубина 250 м) и технической колонны (глубина 600 м). Образование скважины в горном массиве (этап 1) приводит к возникновению на ее контуре тангенциальных и радиальных напряжений, кото­ рые не изменяются в течение этапа 2 (5 сут). Этап 3, а именно замена бурового раствора цементным на участке цементного кольца приводит к мгновенному незначительному снятию тан­ генциальных напряжений с контура скважины, величина которо­ го определяется разностью плотностей бурового и цементного растворов и одновременно к незначительному приросту каса­ тельных напряжений. В конечных элементах цементного кольца этот этап условно выражается быстрым падением напряжений до нуля, что отражает замену растворов, и последующим скачком напряжений до величины, обусловленной плотностью цементного раствора. Замена бурового раствора цементным приводит на глу­ бине 600 м к небольшому скачку обратных смещений (рис. 5.5.4). На начальном участке этапа 4, когда цемент еще подобен жидко­ сти, напряжения в цементном кольце незначительно снижаются, а на забое скважины не изменяются. По мере твердения цемента на забое наблюдается закономерный рост радиальных и падение тангенциальных напряжений (до определенного предела). Ради-

Время, сут Время, сут

Рис. 5.5.3. Изменение напряжений в цементном кольце для изотропного поля исходных напряжений:

а - на участке технической колонны на глубине 600 м; б - на участке кондуктора на глубине 250 м; пунктирная линия - напря­

жения на контакте техническая колонна - цементное кольцо; сплошная линия - напряжения на контакте порода - цементное кольцо; 1 - радиальные напряжения; 2 - тангенциальные напряжения

альные напряжения в цементном камне на этом этапе увеличи­ ваются.

При сравнении графиков изменения напряжений с графиками роста прочности цементного камня видно, что набор прочности цемента опережает рост напряжений, т.е. цементное кольцо не разрушается. Этот эффект является следствием того, что к мо­ менту начала твердения цемента в горном массиве уже реализо­ валась значительная часть смещений, вызванных ползучестью солей. Таким образом расчеты показывают, что при данной тех­ нологии строительства скважины обеспечивается сохранность цементного кольца в период его твердения.

В следующем примере рассматривается нефтяная скважина ОАО «Сургутнефтегаз» на территории Западной Сибири. В гео­ логическом разрезе данного района свойства ползучести прояв­ ляют люлинворские и чеганские глины. Для описания ползуче­ сти этих пород использовалась вязкопластическая модель Бинга­ ма, которая по данным многих исследователей наиболее адекват­ но отражает деформирование увлажненного глинистого массива.

В механическом представлении тело Бингама состоит из уп­ ругого элемента, которое последовательно соединяется с вязким и пластическим телом Сен-Венана, соединенными, в свою оче­ редь, параллельно. При этом уравнение течения Бингамовой сре­

тт ~ предельное значение напряжений, при превышении которых начинается течение; у, - интенсивность сдвиговых деформаций; т, - интенсивность касательных напряжений.

Эти соотношения означают, что при напряжениях, меньших предельного значения тт, тело деформируется упруго, а при дос­ тижении этого предела течет с постоянной скоростью, пропор­ циональной разности напряжений (т, - тх).

В модели Бингама за характер деформирования материала во времени отвечает коэффициент вязкости. К сожалению, физико­ механические свойства люлинворских и чеганских глин исследо­ вать прямыми испытаниями не представилось возможным. В связи с этим использовались приближенные значения физико­ механических свойств, характерные для других глин. Вязкость была принята согласно С.С. Вялову и Н.С. Булычеву [4, 7] (8- -40)10 МПа-c. Величина тх была принята равной нулю. Плот­ ность бурового и цементного раствора составляет 0,0108 МН/м3 и 0,0183 МН/м3 соответственно.

Рис. 5.5.5. Радиальные напряжения в цементном кольце в процессе формиро­ вания скважины на контакте цемент - труба (1) и цемент - порода (2). Предел прочности на объемное сжатие на контакте цемент - труба (3) и цемент - порода (4)

ния цемента его модуль упругости незначителен, происходит за­ метная разгрузка стенок ствола и цементного камня. Далее, по мере твердения цемента, происходит быстрый рост напряжений в цементе до определенного предела.

Следует отметить, что в процессе всего строительства скважины напряжения, возникающие в эксплуатационной колон­ не, значительно меньше предела текучести стали, которая используется при изготовлении обсадных труб. Иная ситуация для цементного кольца. В результате расчетов получено, что

труба - в течение 17 дней (рис. 5.5.5). Таким образом цемент, который используется для крепления скважин в данном интер­ вале, имеет недостаточные прочностные характеристики и в те­ чение первых дней твердения происходит его разрушение под влиянием горного давления. Поэтому цементное кольцо стано­ вится разрушенным уже в начальной стадии его формирования и фактически не является несущим элементом конструкции. В результате скважина в интервале люлинворских глин имеет нарушенное цементное кольцо, которое не выполняет своих функций.

Полученный результат имеет принципиальное значение и по­ казывает необходимость применения цементного камня с такими параметрами прочности, которые исключают его разрушение под

влиянием горного давления. Отметим, что представленная про­ блема может быть особенно актуальной для скважин, вскрываю­ щих глубокие горизонты.

5.6. ДЕФОРМАЦИИ ГОРНОГО МАССИВА ПРИ ОТРАБОТКЕ КАЛИЙНОЙ ЗАЛЕЖИ

ВБЛИЗИ НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ. ДОПУСТИМЕЕ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ НА НЕФТЬ НА ТЕРРИТОРИИ BKMtfC

К основным требованиям в области охраны недр относятся недопущение вредного влияния работ, связанных с пользованием недр, на сохранность полезных ископаемых, д также охрана по­ лезных ископаемых от затопления и загрязнения. При добыче углеводородного сырья в регионе ВКМКС одна из основных проблем в области охраны недр сводится к оценке влияния до­ бычи калия на изменение напряженно-деформированного со­ стояния (НДС) горного массива в районе нефтяной скважины.

В условиях территории ВКМКС конструкция нефтяных скважин должна выполнять важнейшую функцию - надежно защищать продуктивную толщу калийного месторождения от проникновения над- и подсолевых флюидов. Актуальность дан­ ной проблемы неизмеримо вырастает при отработке калийного месторождения вблизи скважины. Возникающие при этом до­ полнительные деформации и напряжения могут привести к ее полному нарушению и, как следствие, к нарушению сохранности водозащитной толщи. Важнейшим условием при этом является сохранность цементного камня при воздействии на него как ис­ ходного, так и дополнительного давлений.

Описание закономерностей деформирования горного массива при отработке калия представляет собой сложную математиче­ скую задачу, до конца не решенную до настоящего времени. Од­ нако без правильного описания данного процесса невозможно правильно определить размеры предохранительных целиков под нефтяные скважины, а также размеры охранных зон вокруг про­ мышленных запасов калия ВКМКС.

Определение безопасного расстояния границ отработки ка­ лийного месторождения от нефтяных скважин прямо связывает­ ся с размерами предохранительных целиков вокруг скважин. Можно построить предохранительные целики под весьма поло­ гими углами сдвижения, полностью исключающими воздействие горных работ на скважину, однако в этом случае в них будут

значительные потери полезного ископаемого, что поставит во­ прос вообще об эффективности отработки нефтяного или калий­ ного месторождения. Предохранительные целики можно значи­ тельно уменьшить, построив их, к примеру, под углами сдвиже­ ния и тем самым допустить определенные деформации конст­ рукции скважины. Очевидно, что вопрос построения предохрани­ тельных целиков, определения границ охранных зон и в целом ведения горных работ вблизи нефтяной скважины напря­ мую связан с определением параметров деформирования горного массива при отработке калия и со сравнением полученных параметров с допустимыми и предельными деформациями конструкции скважины. Конкретные формы и параметры дефор­ мирования горного массива при заданных горно-технических ус­ ловиях разработки калийной залежи вблизи нефтяных скважин должны определяться специальными исследованиями и расче­ тами.

Деформирование скважины под влиянием горных работ - до­ вольно сложный процесс. При подходе очистных работ верхняя часть скважины испытывает деформации растяжения, которые не представляют существенной опасности. Часть скважины в интер­ вале глубин 250-350 м испытывает под влиянием опорного дав­ ления наиболее опасные деформации сжатия в вертикальном и в горизонтальном направлениях. Эти деформации могут привести к нарушению цементного камня, нарушению его сцепления с горным массивом и, как следствие, к нарушению сплошности водозащитной толщи. Опыт показывает, что при ведении очист­ ных работ вблизи вертикальных горных выработок (шахтных стволов, технических скважин и др.) особенно серьезные повре­ ждения крепи имеют место в местах пересечения выработкой сравнительно слабых породных прослоев, а также вдоль геологи­ ческих нарушений. Слои глинистых пород, которые характерны для геологического разреза территории ВКМКС, могут выдавли­ ваться при их подработке в сторону скважины и оказать на крепь радиальное давление, которое может разрушить ее в от­ дельных местах. Наконец, достаточно опасными при подработке могут быть деформации сдвига горного массива по контактам слоев и глинистых прослойков, которые могут привести к смя­ тию и срезу скважин. Поэтому любое решение о возможности ведения горных работ вблизи скважины должно опираться на сравнение полученных в результате расчетов деформаций с до­ пустимыми и предельными деформациями конструкции скважи­ ны. В этой связи рассмотрим определение допустимых и пре­ дельных для конструкции скважины вертикальных, горизон­ тальных и сдвиговых по контактам слоев деформаций горного