Некоторые особые случаи расчета обсадных колонн

17.11.2020

Нередки случаи, когда свободный участок колонны оказывается между двумя зацементированными участками (рис. 45). Такие ситуации могут возникнуть, например, при ступенчатом цементировании, при цементировании интервала с крупными кавернами, из которых не удается вытеснить значительную часть промывочной жидкости, а также в интервалах залегания неустойчивых продуктивных пластов, если коллектор разрушается при эксплуатации скважины и вокруг фильтровой части колонны образуется более или менее крупная каверна.
Некоторые особые случаи расчета обсадных колонн

Очевидно, на свободный участок колонны будут действовать не только те осевые силы G*, которые были приложены к нему в момент образования цементного камня, но также осевые силы P1 и Р5, обусловленные соответственно изменением температуры, внутреннего и наружного давлений после образования камня. Сумма всех осевых сил может быть как растягивающей, если участок расположен далеко от башмака колонны, так и сжимающей. Прочность колонны под влиянием суммы осевых сил не будет нарушена только при соблюдении условия

Если на свободный участок колонны действует также большое избыточное наружное давление, несущая способность обсадных труб во избежание смятия должна удовлетворять условию (6.59) при

Если сумма осевых сил является сжимающей, свободный участок колонны может потерять продольную устойчивость в случае нарушения условия

где Pкр — критическая сжимающая сила, при которой стержень с двумя неподвижно закрепленными концами начинает продольно изгибаться.

В первом приближении

где h — длина свободного участка.

При небольшой длине свободного участка стенки обсадных труб под воздействием сжимающей осевой силы могут выпучиваться, если будет нарушено условие

где окр — критическое значение напряжений сжатия, которое можно в первом приближении найти по формуле С.П. Тимошенко

где n — целое число; при расчете можно принять n=2.

Осевую силу P5 можно определить по формуле (6.48), если вместо Apн и Арв подставить значения изменений наружного и внутреннего давлений после закрепления концов свободного участка колонны цементным камнем. Определим, например, эту силу для случая образования значительной каверны вокруг фильтра колонны в результате разрушения продуктивного пласта и выноса песка при эксплуатации скважины. В период твердения цементного раствора наружное давление на этот участок равно пластовому

где Lф — глубина середины фильтра от устья. В рассматриваемый период эксплуатации скважины наружное давление

где р'пл — пластовое давление в данный период; Арпл — депрессия, обусловливающая приток пластовой жидкости к скважине; Apф — гидравлическое сопротивление фильтра. Подставив эти значения в формулу (6.48), получим

Отсюда видно, что при прочих равных условиях сжимающая сила Р5 достигает максимума при полной закупорке фильтра. Одной из мер предотвращения повреждения фильтра поэтому является уменьшение депрессии настолько, чтобы не происходило разрушения пласта.

Весьма часто целостность обсадных колонн нарушается в скважинах, в которых вскрыты породы, склонные к «пластическому» течению. Рассмотрим две возможные ситуации.

Предположим, что небольшой по мощности пласт породы, склонной к течению, перекрыт обсадной колонной; в пласте имеется каверна, заполненная нейтральной по отношению к породе жидкостью (например, безводным раствором на нефтяной основе). Колонна на участках выше и ниже этого пласта хорошо зацементирована.

В период схватывания и твердения цементного раствора поровое давление в нем быстро уменьшается. При уменьшении давления касательные напряжения в окружающей породе возрастают, что способствует разрушению ее и выдавливанию в каверну. Если сама порода, цементный камень и контакты последнего с обсадной колонной и стенками скважины непроницаемы для жидкости, по мере выдавливания породы давление в каверне должно возрастать. Выдавливание будет продолжаться не более, чем до тех пор, пока давление в каверне сравняется с горным рг и касательные напряжения исчезнут. В большинстве случаев «пластическое» течение прекратится ранее, поскольку порода обладает некоторой прочностью. Под влиянием возрастающего наружного и изменяющегося внутреннего давлений в рассматриваемом участке колонны возникнет осевая сила, величину которой можно найти по формуле (6.48). Чтобы целостность рассматриваемого участка не была нарушена, должны соблюдаться условия (6.73), (6.74) и (6.76).

Если каверна заполнена промывочной жидкостью на водной основе, активной по отношению к породе, прочность последней в результате увлажнения может существенно уменьшиться. В этом случав «пластическое» течение породы прекратится при более высоком давлении в каверне, нежели в случае использования безводной жидкости.

Причиной повышения давления в каверне могут быть не только «пластическое» течение породы, но и фазовые переходы, которые могут иметь место при контакте водной промывочной жидкости с некоторыми хемогенными породами (бишофитом, карналлитом). При растворении безводных солей, например галита, гидратные оболочки их ионов сжимаются и суммарный объем системы «соль+вода» уменьшается. Если же порода включает кристаллогидраты (например, бишофит или карналлит), при растворении последних объем системы «кристаллогидрат+вода» увеличивается. Так, при растворении бишофита в пресной воде при температуре 50°С объем системы увеличивается на 3,3%, а в насыщенном растворе хлористого натрия — даже на 4,2%. С ростом температуры увеличение объема становится еще более значительным. Некоторые исследователи полагают поэтому, что в тех случаях, когда возможны подобные фазовые переходы, давление в каверне может оказаться даже существенно больше горного.

Давление в каверне может приблизиться к горному или, тем более, превзойти его лишь в том случае, если стенки каверны полностью герметичны. Более вероятно, однако, что целостность контакта между цементным камнем и обсадной колонной либо камнем и стенками скважины будет нарушена прежде, чем давление в каверне приблизится к горному. При появлении не-герметичности жидкость из каверны начнет утекать, рост давления прекратится, а «пластическое» течение породы будет продолжаться. Маловероятно, чтобы поперечное сечение каверны было круглым, а колонна была расположена соосно с каверной.

Поэтому выдавливаемая внутрь каверны порода в какой-то момент войдет в непосредственный контакт с обсадной колонной и тогда нагружение последней наружными радиальными силами станет неравномерным (рис. 46); на нее будут действовать не только гидравлическое давление, но также горизонтальная перерезывающая сила и изгибающий момент. При неравномерном нагружении устойчивость труб против смятия намного меньше, чем при равномерном гидравлическом нагружении. Надежный расчет участка колонны на сопротивляемость смятию невозможен в такой ситуации потому, что неизвестен действительный характер нагружения.

Существует несколько способов предотвращения нарушения целостности участка колонны против пород, склонных к «пластическому» течению. Один из них заключается в том, чтобы не допустить образования каверны в период бурения, а после спуска обсадной колонны обеспечить полное замещение промывочной жидкости в заколонном пространстве раствором тампонажного цемента и равномерное нагружение колонны наружным давлением.

Если равномерное наружное давление на трубу создается упругим твердым телом, сопротивляемость ее смятию выше, чем при гидравлическом нагружении. На этом основан другой способ. Скважину цементируют ниже каверны, а в колонне против пласта, склонного к «пластическому» течению, создают временный мост из высокопрочного цемента. До спуска колонны в скважину определяют скорость течения породы путем записи профилеграмм участка через сравнительно небольшие промежутки времени (1—3 сут). После цементирования скважину оставляют в покое на время, достаточное для того, чтобы порода охватила колонну по всему ее периметру. Необходимое для этого время можно рассчитать, зная скорость течения породы и размеры поперечного сечения каверны. Затем цементный мост разбуривают.

Участки колонны против пород, склонных к «пластическому» течению, в обоих случаях рассчитывают на сопротивляемость смятию по формуле (6.1), полагая рн=рг.

Участок скважины в много лет не мерзлых породах. При бурении в многолетнемерзлых породах часто в результате растепления образуются более или менее крупные каверны. Как правило, из крупных, каверн при цементировании промывочную жидкость полностью вытеснить не удается, поэтому участок колонны в каверне и выше нее остается свободным. Если скважину оставить на длительное время в покое, промывочная жидкость может замерзнуть. Поскольку площадь сечения заколонного пространства по глубине участка переменна, к тому времени, когда в суженных местах этого пространства все сечение будет занято льдом, в каверне останется еще значительный объем жидкости. Коэффициент объемного расширения льда больше, чем воды. Поэтому после того как каверна окажется замкнутой, дальнейшее образование льда в ней сопровождается повышением давления. Иногда при повышении давления ледовые перемычки в суженных местах разрываются и давление вновь падает. Если же перемычки сохраняются, при повышении давления может быть нарушена целостность колонны. Уменьшить опасность нарушения целостности колонны можно, если принять меры к предотвращению образования каверн в период бурения и к полному замещению промывочной жидкости в заколонном пространстве раствором вяжущего.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна