авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка композиционных тампонажных составов повышенной сопротивляемости динамическим воздействиям для сохранения герметичности крепи скважин

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

САМСЫКИН АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА КОМПОЗИЦИОННЫХ ТАМПОНАЖНЫХ СОСТАВОВ ПОВЫШЕННОЙ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ДИНАМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КРЕПИ СКВАЖИН

Специальность: 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа-2010

Работа выполнена на кафедре «Бурение нефтяных и газовых скважин» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Санников Рашит Хайбуллович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Лукманов Рауф Рахимович;

кандидат технических наук

Каримов Ильшат Назифович

Ведущее предприятие: Филиал ОАО «ЗапСибБурНИПИ»

НПЦ «Недра»

Защита состоится «14» мая 2010 года в 14-00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.04 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «­13» апреля 2010 года.

Ученый секретарь совета Ямалиев В.У.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Практика крепления скважин показывает, что цементный камень, призванный обеспечивать герметичность крепи, является наиболее слабым звеном и может легко разрушаться под воздействием различных нагрузок. К таким нагрузкам, по мнению многих исследователей, относится углубление скважины, особенно при бурении ротором, перфорация эксплуатационной колонны, гидроразрыв пласта и другие технологические операции, в результате которых на крепь скважины передаются значительные динамические нагрузки или высокие перепады давления. Именно они в наибольшей степени нарушают целостность крепи, вследствие чего могут возникать межколонные и заколонные перетоки, прорыв посторонних вод в интервал перфорации и т.д.

Основным фактором, способствующим разрушению цементного камня при динамическом нагружении, являются его низкие деформационные свойства, которые существенно зависят от его возраста. Многократно повторяющиеся или циклические нагрузки вызывают в цементном камне усталостные явления и приводят к образованию и развитию в нем трещин. Отсюда следует, что технологические операции, вызывающие динамические нагрузки, особенно имеющие ударный характер воздействия, можно проводить лишь тогда, когда цементный камень имеет достаточную эластичность и удароустойчивость, чтобы противостоять образованию трещин.

К сожалению, применяемые в настоящее время тампонажные материалы на основе портландцемента плохо сопротивляются ударным нагрузкам и имеют низкую прочность на разрыв. При этом, проведение технологических операций, как правило, планируется без учета физико-механических свойств цементного камня, что также способствует нарушению его целостности.

Проведенные во ВНИИКРнефть (в настоящее время НПО «Бурение») исследования показали, что использование волокнистых наполнителей может существенно повысить сопротивляемость цементного камня растягивающим нагрузкам. Однако при этом не были определены напряжения, возникающие в цементном камне при проведении работ внутри обсадной колонны и, в соответствии с ними, не были оценены показатели свойств затвердевшего камня, позволяющие безопасное проведение работ.

Несмотря на большой объем исследований, направленных на повышение удароустойчивости цементного камня к динамическим воздействиям, эту проблему пока еще нельзя считать в должной мере решенной. На наш взгляд, одним из вариантов решения указанной проблемы может быть применение паспорта прочности в качестве комплексного исследования образцов цементного камня для оценки напряжений в крепи скважин и определения рационального времени проведения вызывающих эти напряжения технологических операций внутри обсадных колонн.

Цель работы

Повышение герметичности крепи скважин путем оценки рационального времени проведения технологических операций и увеличения сопротивляемости цементного камня динамическим нагрузкам.

Задачи исследования

  1. Анализ основных факторов, приводящих к нарушению крепи скважин.
  2. Разработка методики расчета напряжений, возникающих при динамических и ударных нагрузках в крепи скважины, и сопоставление полученных данных с механическими свойствами цементного камня.
  3. Анализ кинетики разрушения цементного камня на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения твердых тел.
  4. Исследование тампонажных составов с повышенной сопротивляемостью к динамическим и ударным воздействиям, полученных на основе принципа композиции.

Научная новизна

  1. Установлено, что напряжения в цементном камне могут составлять (в зависимости от глубины скважины): при перфорации – от 55 до 450 МПа; при опрессовке – от 180 до 550 МПа; при ГРП – от 220 до 730 МПа; при углублении скважин роторным способом – от 20 до 180 МПа.
  2. Установлено, что у цементного камня, полученного из цементных растворов с добавкой волокнистых наполнителей, существенно снижается модуль Юнга, в частности, при добавке асбеста – на 62%, а при добавке волокон стеклонита – на 35%, что способствует повышению удароустойчивости цементного камня в 2,5-6,2 раза.
  3. Впервые показано, что построение паспорта прочности цементного камня позволяет качественно оценивать напряжения, возникающие в крепи скважины в результате динамических воздействий, и способствует определению рациональных сроков проведения технологических операций, сопровождающихся динамическими нагрузками.

Практическая ценность работы

    1. Определены концентрации волокнистых силикатных добавок (0,1-1% асбеста и 0,1-0,5% стеклонита), повышающие удароустойчивость и герметичность крепи скважин. Результаты исследования данных добавок положены в методическую основу оценки возможности применения добавок других типов. Рецептура тампонажного состава, содержащая асбест в концентрации 1%, использована ОАО «Азимут» при цементировании промежуточной колонны на месторождении Дулисма (Иркутская область) в скважине №1.
    2. Методика расчета напряжений, возникающих при динамических и ударных нагрузках в обсадной колонне и цементном кольце, и оценка рационального времени проведения технологических операций внутри обсадных колонн используется в УГНТУ при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Механика сплошной среды» и «Заканчивание скважин» для студентов специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин».

Основные защищаемые положения

  1. Методика и результаты расчета напряжений, возникающих при динамических и ударных нагрузках в обсадной колонне и цементном кольце.
  2. Методика и результаты построения паспортов прочности для образцов цементного камня на основе портландцемента с волокнистыми добавками.
  3. Результаты анализа кинетики разрушения цементного камня на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения твердых тел.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы обсуждались:

  • на межрегиональной молодежной конференции «Севергеоэкотех-2003» (Ухта, 2003);
  • научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2003, 2004, 2005, 2006);
  • Международных научных симпозиумах им. академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2004, 2005);
  • 1-й научно-практической конференции «Передовые технологии строительства и ремонта скважин» (Пермь, 2004);
  • II межотраслевой научно-практической конференции «Проблемы совершенствования дополнительного профессионального и социогуманитарного образования специалистов ТЭК» (Уфа, 2005);
  • Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Мавлютова М.Р. «Повышение качества строительства скважин» (Уфа, 2005).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 9 статей, из которых 2 – в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Министерства образования и науки РФ, и 8 тезисов докладов.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 144 наименований и 3 приложений. Изложена на 232 страницах машинописного текста, содержит 116 рисунков и 44 таблицы.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доценту Р.Х. Санникову, профессору Ф.А. Агзамову, всему коллективу кафедры БНГС УГНТУ, а также декану ФНГ СахГУ доценту В.П. Васильеву за ценные советы и помощь в написании диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы диссертационной работы и рассмотрены пути ее решения с учетом факторов, влияющих на состояние цементного камня за обсадными колоннами, дана краткая характеристика работы.

В первой главе дан анализ состояния изученности вопроса, факторов, влияющих на состояние цементного камня при различных технологических операциях. Анализ промыслового материала и научно-технической литературы показал, что одними из основных факторов, приводящих к нарушению целостности крепи скважин, являются: воздействие бурильной колонны на обсадную колонну при углублении ствола скважины или разбуривании цементных стаканов и мостов; опрессовки обсадных колонн; перфорационные работы; гидроразрыв пластов (ГРП). По мнению многих исследователей, именно при этих операциях происходит растрескивание цементного камня, нарушение его сцепления с обсадной колонной и окружающими породами, приводящие к потере герметичности крепи скважин.

Указанные операции характеризуются динамическими и ударными нагрузками, и поэтому были объединены нами в общую группу, как создающие кратковременные нагрузки, сопровождающиеся силовым воздействием, в процессе которого возникают значительные напряжения (до 200-400 МПа), приводящие к деформации обсадных колонн и цементного камня и способствующие разрушению последнего в точке приложения напряжений.

Наиболее эффективным современным средством оценки напряжений и деформаций, возникающих в результате воздействия динамических нагрузок на тело, является использование метода конечных элементов (МКЭ), сущность которого состоит в аппроксимации исследуемого тела некоторой моделью, которая представляет собой совокупность элементов с конечным числом степеней свободы.

Для оценки воздействия динамических и ударных нагрузок на цементный камень крепи скважины МКЭ использовался пакет прикладных программ ANSYS. Часть результатов оценки динамических и ударных нагрузок на цементный камень приведена на рисунке 1.

а б

Рисунок 1

Распределение напряжений (а) и деформаций (б) при перфорации обсадной колонны диаметром 114 мм перфоратором ПКС 105 на глубине 1100 м

Анализ полученных результатов, проведенный с помощью МКЭ, показал, что в зоне интенсивных нагрузок у цементного камня проявляется наличие низкой деформационной способности, а возникающие в зоне их приложения напряжения превышают предел прочности цементного камня на растяжение.

Так, в процессе проведения перфорационных работ и создании в интервале перфорации давления в 300 МПа (по данным компании Schlumberger, даже при использовании перфораторов небольшой мощности) значения напряжений в крепи скважины варьируются в пределах от 0,11103 до 1103 МПа, в зависимости от расстояния до зоны локального приложения нагрузки. При этом значения относительной деформации крепи скважины очень незначительны и колеблются от 0,6310-3 до 0,005.

В процессе ГРП при том же давлении в 300 МПа напряжения в крепи скважины также существенны и изменяются в пределах от 0,38102 до 3,5102 МПа, при изменении значений относительной деформации крепи от 110-3 до 0,02. Подобная картина наблюдается и в остальных рассматриваемых случаях (работа инструментов внутри обсадной колонны и опрессовка обсадных колонн) – высокие значения напряжений при практически нулевой деформации.

К сожалению, цементный камень, основой которого является традиционный тампонажный портландцемент, по мере своего твердения характеризуется одновременным увеличением прочности и повышением хрупкости, что, в свою очередь, снижает его удароустойчивость, а также повышает его предрасположенность к трещинообразованию под действием динамических и ударных нагрузок.

Многие отечественные научные и производственные предприятия и зарубежные компании (НПО «Бурение», СевКавНИИгаз, ВНИИгаз, ТюмГНГУ, УГНТУ, Halliburton, Schlumberger и др.) активно работают в данном направлении. Разработанные ими тампонажные материалы показали свою эффективность, прошли промышленную апробацию. В то же время анализируемую проблему нельзя считать в должной мере решенной, поскольку время проведения технологических операций в скважинах в большинстве случаев не согласовывается со свойствами цементного камня, находящегося за обсадными колоннами в момент выполнения этих операций.

Исходя из вышеизложенного, в диссертации сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе обоснованы требования к свойствам модифицирующих добавок к тампонажным материалам, показан механизм повышения удароустойчивости (трещиностойкости) цементного камня, сформулирована рабочая гипотеза, дано обоснование выбора модифицирующих добавок, приведено описание методик проведения исследований.

Цементный камень в ранние сроки твердения обладает достаточно хорошими деформационными свойствами и может сопротивляться динамическим и ударным нагрузкам без потери сплошности и трещинообразования. С увеличением сроков твердения, наряду с увеличением прочности цементного камня, происходит ухудшение его пластических свойств. Поэтому необходимо определить условия, при которых нагрузки, возникающие в процессе технологических операций, не будут приводить к разрушению цементного камня и нарушению герметичности крепи скважин.

Основываясь на ранее выполненных исследованиях, мы полагаем, что одним из возможных путей обеспечения герметичности крепи скважин при динамических и ударных нагрузках является ввод на основе принципа композиции в тампонажные растворы модифицирующих армирующих добавок, повышающих, в целом, сопротивление получаемого камня динамическим и ударным воздействиям.

В композиционных материалах для достижения максимального упрочняющего эффекта более прочный компонент должен играть роль усиливающей структуры. При этом необходимо, чтобы упрочняющие элементы имели достаточную длину, чтобы выступать в качестве арматуры. Естественно, что наиболее выгодной формой модифицирующей армирую­щей фазы является волокнистая форма.

Характер работы дисперсно-армирующей добавки в тампо­нажном материале, а следовательно, и физико-механические свойства камня во многом зависят от свойств самих волокон. Волокна, применяемые для армирования, должны обладать до­статочной стойкостью в продуктах твердения (в щелочной среде), высокой механиче­ской прочностью и хорошей адгезией с цементной матрицей за счет хорошего химического сродства с продуктами твердения, быть термостойкими, доступными и иметь низкую стоимость.

Объектом исследований в качестве модифицирующих волокнистых добавок выбраны асбест и стеклянные волокна под названием «стеклонит». Их выбор был обусловлен следующим. Во-первых, их химический состав позволит обеспечить хорошую адгезию матрицы и добавки. Во-вторых, одна из добавок – асбест, имела опыт применения при креплении скважин, другая – стеклонит, не применялась. Исследования позволят провести сравнительную оценку добавок и разработать методическую основу оценки возможности применения добавок других типов.

Основные характеристики асбеста и стеклонита приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные характеристики стекловолокна и асбеста

Характеристика Стекловолокно Асбест
Основная формула SiO2 3MgO·2SiO2·2H2O
Плотность, кг/м3 2500-2600 3400
Предел прочности нити на растяжение, МПа 3500-4600 6000
Модуль упругости, ГПа 70-85 170
Коэффициент Пуассона 0,25 0,18
Длина нити, мм 4,5-5 3,5-4,5
Диаметр нити, мкм 6-9 1,2-1,9


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.