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:     | 1 || 3 |

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

-- [ Страница 2 ] --

При обосновании методических аспектов работы рассмотрена фрактально-синергетическая концепция механического поведения твердого тела, существенно упрощающая без потери информативности существующие методы испытаний образцов цементного камня. Кроме того, использованы стандартные методики исследований физико-механических свойств цементов, раствора, камня, определяемых на стандартных приборах согласно ГОСТ 1581-96 и ГОСТ 310.1.96.

Для расчета напряжений, возникающих в крепи скважин в результате различных воздействий, обоснованы схемы и методика теоретических расчетов.

При этом приняты следующие допущения: скважина вертикальная, нормальные напряжения являются главными и определяют напряженное состояние обсадной колонны и цементного камня; касательные напряжения на площадях действия указанных нормальных напряжений отсутствуют; до начала воздействия в обсадной колонне и цементном кольце за ней напряжения отсутствуют (= 0); давление горных пород пренебрежимо мало и не учитывается; цементный камень в заколонном пространстве скважины формируется из цементного раствора, твердея при полном гидростатическом давлении; зазоры в системе «обсадная труба – цементное кольцо – горный массив» отсутствуют; цементируемая обсадная колонна свободна от внешних сил; цементный раствор заполняет заколонное пространство на всю глубину, затвердевший цементный камень и обсадная колонна не имеют какого-либо рода дефектов.

Глубина скважины, Н=1000-2100 м (с интервалом 100 м); диаметр скважины Dскв=0,124 м и Dскв=0,216 м; диаметр обсадной колонны dобс.кол=0,102-0,114 м и dобс.кол=0,102-0,168 м; диаметр бурильных труб dбур.т=0,073-0,114 м; тип бурильных труб: стальные и алюминиевые; плотность промывочной жидкости, пр.ж=1050-2300 кг/м3; плотность цементного раствора, ц.р=1100-2300 кг/м3.

Для построения паспорта прочности исследуемых образцов цементного камня и оценки разрушающих напряжений в крепи скважины совместно с теорией Мора использовался метод среза со сжатием.

Метод среза со сжатием основан на испытаниях, проводимых на специальных срезных приборах, позволяющих фиксировать плоскость среза и изменять ее положение по отношению к направлению действия внешней силы. По определяемым в ходе испытаний значениям нормальных и касательных напряжений в координатах – строится зависимость =f(), являющаяся огибающей к предельным кругам напряжений Мора. Построение последних, в свою очередь, основано на значениях пределов прочности на растяжение и сжатие образцов цементного камня. В зависимости от вида зависимости =f(), лежащей либо внутри контура окружности Мора, либо за ее пределами, определяется состояние цементного камня. В первом случае цементный камень остается в связном состоянии, во втором – нарушенном.

Определение качественной оценки герметизирующей способности наполнителей в составе цементного камня при реальной динамической нагрузке в условиях, приближенных к условиям работы крепи скважины, проводилось на экспериментальной установке, схема которой приведена на рисунке 2.

1 – баллон с азотом; 2 – модель крепи; 3 – манометр №1, фиксирующий подаваемое давление; 4 – манометр №2, фиксирующий давление на выходе; 5 – снаряд, создающий динамическую нагрузку

Рисунок 2

Схема экспериментальной установки: а) I и III этапы исследований; б) II этап исследований

На предварительном этапе были подготовлены и залиты во фрагменты обсадных труб, имитирующих затрубное пространство скважины, цементные растворы с добавками асбеста и стеклонита, по три образца для каждой концентрации. После затвердения цементных растворов полученные модели испытывались путем воздействия газа высокого давления заданной величины до и после ударного воздействия. Величина давления выбиралась исходя из фактических давлений на цементный камень в скважинных условиях, а количество ударных воздействий – до потери герметичности камня.

Главным признаком негерметичности камня являлось падение давления на манометре вблизи и рост давления на манометре за испытуемым образцом.

Установка позволяет собрать модель любой длины с подачей пластового флюида (газ, жидкость) под давлением в любую точку модели «затрубного пространства» и производить контроль давлений на любом участке «скважины», подверженном различным внешним (механическим) воздействиям.

В качестве основных характеристик удароустойчивости цементного камня были приняты его удельная ударная вязкость, проницаемость и ширина раскрытия трещины, возникающей в результате динамического воздействия.

В третьей главе изложены результаты расчета напряжений, возникающих в цементном камне при проведении перфорации, ГРП, опрессовки обсадной колонны и в процессе механического бурения.

Для расчетов напряжений при перфорации использовались характеристики следующих типов перфораторов: ПК 85ДУ, ПК 95Н, ПКС 80, ПК 105ДУ, ПКС 105, ПКО 89.

Нормальное напряжение , возникающее в обсадной колонне в результате динамического или ударного воздействия и передающееся цементному камню, определяется по четвертой теории прочности и с учетом теории Мора. Отличия расчетов для рассматриваемых случаев заключаются в природе происхождения компонентов формулы.

В качестве примера приведем результаты расчета напряжений (см. таблицу 2), возникающих в крепи скважины при проведении рассматриваемых технологических операций для скважины диаметром 0,2159 м на глубине 1000 и 1500 м.

Таблица 2 – Результаты расчетов напряжений в крепи скважины при проведении ряда технологических операций

Диаметр скважины D=0,2159 м
Плотность промывочной жидкости, кг/м Плотность цементного раствора, кг/м Глубина скважины Н= 1000 м Глубина скважины Н= 1500 м
Диаметр обсадной колонны, м Диаметр обсадной колонны, м
0,102 0,114 0,127 0,140 0,146 0,168 0,102 0,114 0,127 0,140 0,146 0,168
Напряжения, , МПа
опрессовка
1050 1800 143,3 160,2 178,5 196,7 205,1 236,1 215,5 240,9 268,3 295,8 308,5 354,9
1550 2300 181,4 202,7 225,8 249,0 259,6 298,7 272,7 304,8 339,5 374,3 390,3 449,1
ГРП
1050 1800 204,4 228,4 254,5 280,5 292,5 336,6 307,1 343,2 382,3 421,5 432,5 505,8
1550 2300 242,4 270,9 301,8 332,7 347,0 399,3 364,3 407,1 453,5 500,0 521,4 600,0
перфорация
1050 1800 205,1 229,3 255,5 281,1 293,7 337,9 150,6 168,4 187,6 206,8 215,8 248,1
1550 2300 163,5 182,5 203,3 224,2 233,7 268,9 89,6 100,2 111,6 123,0 128,3 147,7
роторное бурение
стальные 86,6 50,7 42,7 26,8 129,9 76,1 64,1 40,2
алюминиевые 28,7 16,8 14,1 8,9 43,1 25,2 21,2 13,3

Сравнительный анализ уровня напряжений, возникающих в цементном камне при различных динамических воздействиях, показал, что:

- при увеличении глубины скважины и возраста цементного камня наблюдается некоторое увеличение напряжений при ГРП, опрессовке и бурении скважины роторным способом, а при перфорации – их уменьшение;

- увеличение диаметра обсадных труб при перфорации, ГРП и опрессовке приводит к повышению уровня напряжений.

Применительно к процессу бурения расчеты проводились как для стальных (СБТ), так и легкосплавных бурильных труб (ЛБТ) из сплава алюминия D16Т. Расчеты показали, что при использовании СБТ крепь скважины испытывает более интенсивные (до 3 раз больше) напряжения, являющиеся результатом удара стальных труб об обсадную колонну, чем напряжения от удара о ту же обсадную колонну ЛБТ.

Для оценки удароустойчивости цементного камня из традиционного портландцемента проведено сравнение его прочностных характеристик с напряжениями, полученными расчетным методом. Результаты сравнения приведены на рисунке 3.

  Сравнение предела прочности цементного камня из портландцемента с-5

Рисунок 3

Сравнение предела прочности цементного камня из портландцемента с напряжениями, возникающими при различных технологических операциях

Как видно из рисунка 3, цементный камень, образованный из традиционно применяемого портландцемента, в большинстве случаев не способен в достаточной степени сопротивляться динамическим воздействиям и поддерживать надежность герметичности крепи скважины.

Для проверки полученных выводов были построены паспорта прочности цементного камня из портландцемента, анализ которых подтвердил полученные ранее выводы о несостоятельности цементного камня на основе портландцемента в качестве материала, способного должным образом поддерживать герметичность и обеспечивать долговечность крепи скважины при проведении технологических операций внутри обсадных колонн.

Кроме построения паспорта прочности, проведена оценка разрушения цементного камня на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения.

В качестве основных критериев фрактально-синергетической оценки разрушения цементного камня рассмотрены следующие параметры: теоретическая прочность цементного камня на изгиб на основе соотношений Жильмо и Орована; энергия пластической деформации, влияющая на зарождение трещины в процессе динамического воздействия; предел трещиностойкости цементного камня на основе критерия Морозова-Лартона; коэффициенты интенсивности напряжений (КИН) цементного камня и предельная повреждаемость (деградация) цементного камня.

Анализ результатов фрактально-синергетической оценки разрушения подтвердил недостаточную удароустойчивость цементного камня из традиционного портландцемента и его неспособность противостоять динамическим и ударным воздействиям при различных технологических операциях.

В четвертой главе приведены результаты исследований тампонажных материалов с волокнистыми наполнителями.

Анализ фрактально-синергетической оценки разрушения показал, что волокнистые наполнители повышают удароустойчивость цементного камня, в среднем на 2-44%, в зависимости от вида и концентрации наполнителя.

Оценка стойкости модифицирующих добавок (стеклонита и асбеста) к воздействию агрессивных сред показала, что волокна стеклонита реагируют со щелочью и нейтральны к действию кислой среды, а волокна асбеста стойки к действию как кислот, так и щелочей.

Концентрации наполнителей и свойства цементных растворов, использованных для оценки физико-механических свойств полученного камня, приведены в таблице 3.

Эксперименты показали, что добавка обоих типов волокон приводит к повышению у цементного камня пределов прочности, в частности предела прочности на изгиб, по сравнению с пределами прочности у образцов цементного камня без добавок, подтверждая тем самым выводы, полученные на основе фрактально-синергетической концепции механического поведения цементного камня. При прочих равных условиях образцы с добавкой асбеста являются более прочными, чем образцы с добавкой стеклонита.

Таблица 3 – Влияние волокнистых наполнителей на свойства цементных растворов

Добавка, % Свойства раствора
асбест стеклонит Плотность раствора, кг/м3, содержащего В/Ц Растекаемость раствора см, содержащего
асбест стеклонит асбест стеклонит
0,01 1820 0,5 25,5
0,10 0,10 1850 1830 0,5 20,0 24,5
0,50 0,50 1850 1840 0,5 19,0 18,0
1,00 1,00 1860 1830 0,5 18,0 11,5
1,00 1760 0,6 20,0
3,00 3,00 1870 1830 0,5 0 0
3,00 3,00 1640 1610 0,8 21,0 19,5
5,00 1830 0,5 0
5,00 1510 1,0 18,5
портландцемент без добавок
0 1840 0,5 20,5

При этом из образцов, содержащих стеклонит, лучшим является образец цементного камня с концентрацией 0,5%, а из образцов, содержащих асбест – с концентрацией 1%. Остальные образцы цементного камня с асбестом, имея приблизительно одинаковые показатели, незначительно уступили выбранному образцу.

Часть результатов данных экспериментов приведена на рисунке 4.

Рисунок 4

Влияние добавок на предел прочности на изгиб у образцов цементного камня из портландцемента

Рисунок 5

Влияние добавок на модуль Юнга цементного камня в возрасте 28 суток


Pages:     | 1 || 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.