Причины нарушения целостности обсадных и эксплуатационных колонн глубинных нефтегазовых и геотермальных скважин Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ОБСАДНЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КОЛОНН ГЛУБИННЫХ НЕФТЕГАЗОВЫХ И ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ СКВАЖИН

А.И.Нинаналов, А.И.Акаев Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала

Известно, что в процессе строительства и эксплуатации глубинных нефтегазовых и геотермальных скважин из-за нарушения целостности обсадных и эксплуатируемых колонн имеются случаи проникания в заколонное пространство жидкости и газа, нередко заканчивающееся открытым фонтанированием. Причиной разрушения сцепления цементного камня с обсадной колонной служат дополнительные, нередко предельные для материала труб, напряжения, вызванные изменением температуры и давления при эксплуатации скважин.

Рассмотрим возможные варианты распределения температуры в радиальном направлении. При стационарном тепловом поле распределения температур при осевой симметрии имеем:

Т - Т г

т = т +12 11 1п г

1п г2 г1

(1)

где

Т2 и Т1 - соответственно температуры на наружной поверхностях труб. Температурные напряжения определяются по формулам:

°г (Т) = -

Еат (Т2 - Т1)

2(1 -и)

1п ^ -1

-1

1п ^

г1

г.

Г,

V -1

(2)

^ (Т) = -

ЕаТ (Т2 - Т)

2(1 -и)

1пг^ -1

1 У

2

п

- +

2

г2

+1

1п

^ -1

г1

(3)

В случае произвольного осессиметричного теплового поля Т=Т(г) напряжения определяются по формулам:

стг (Т) =

(1 - и)г

(1 - и)г аг (Т) = атЕТ (г)

г - г

2 2 г - г

г - г 2 2 г2 - г

+

-у | Т (г )гёг -1Т (г )гёг

1 г1 г1 у

.2 г2 г2 ^ \ | Т(г)гйг Т(г)гйг I;

1 г

2аТЕи^ I Т(г)Ыг.

(4)

1СТЕи Гг

1 -и (1 -иДгГ -

В период цементажа и испытания обсадной колонны на герметичность наибольшие деформации и напряжения возникают в части колонны, примыкающей к забою скважины в

2

Г

2

2

Г

г

2

г

2

г

зоне подъема цементного кольца.

С возрастанием перепада давлений и температур отход колонны от цементного кольца увеличивается. В результате образуется радиальный зазор между обсадной колонной и цементным кольцом, который может привести к разрушению цементного камня и нарушению герметичности заколанного пространства.

Практика бурения, освоения и эксплуатация глубоких нефтегазовых и гидротермальных скважин показывает, что большая часть таких скважин вступают в эксплуатацию с наличием заколанного проявления, свидетельствующего о повреждении сцепления цементного камня с обсадной колонной, либо о нарушении целостности обсадной колонны. Признаком такого проявления является рост давления в заколанном пространстве в нефтегазовых скважинах.

В глубоких газовых скважинах наблюдаются случаи роста давления в заколанном пространстве до опасных величин. Исследования [1] напряженного состояния обсадных колонн, для случая стационарного распределения температур показывают, что наиболее опасными являются тангенциональные напряжения, которые достигают экстремальной величины на внутренней и наружной стенках трубы.

При эксплуатации гидротермальных скважин по обсадной колонне без специальных лифтовых труб депрессия на пласт, как правило, незначительна. Наблюдаемая при этом небольшая разность давлений на внешней и внутренней поверхностям колонны на напряженные состояния последней существенного влияния не оказывает. В этом случае основную роль играет температурные напряжения, так как из-за высоких скоростей движения термальной воды по стволу скважины температура обсадной колонны увеличивается, приближаясь к забойной [2].

Для глубоких высокодебитных скважин эти напряжения могут достигнуть предельных величин для материала труб. В практике разработки бассейнов термальных вод встречаются случая, когда продуктивный водоносный пласт имеет низкие гидродинамические параметры. Для обеспечения высоких отборов воды из таких пластов приходится значительно снижать забойные давления, что приводит к росту разности давлений между внутренней и наружной стенками труб. В этом случае при расчете радикальных, тангенциальных и осевых напряжений, необходимо учитывать как перепад давлений, так и температурный эффект. При установившемся движении жидкости распределение температуры по стволу скважины, в том числе и на внутренней поверхности колонны подъемных труб, с достаточной для инженерных расчетов можно определить по формуле:

Т (г) = Т0 + Тг +

QcprR

ж

1 -

ж(г - Ь) cpR

(5)

где

0 1 £11, dг +1 1 , гг

R =--1п —-+-1п—^;

к^ г=1 2Л dг 2Лп+1 г„+1 Г = 2Л ;

Я- суммарное термическое сопротивление скважины; К- коэффициент теплоотдачи от жидкости к стенкам подъемных труб;

К = 0,023 А R°/ рМ; ах

Яе - критерий Рейндольса; Pч - критерий Прандтля ; О - дебит скважины;

т, . л л

1, п, п-1 _ соответственно коэффициенты теплопроводности слоя, заключенного между диаметрами di-di+1; ёп^п+1 к теплопроводности горных пород; С- удельная весовая теплоемкость жидкости; р- плотность жидкости; г!- условный радиус теплового влияния; Х- коэффициент температуропроводности горных пород; 1- время работы скважины на установившемся решение.

Осевую деформацию обсадной колонны от изменения температуры на величину АТсс , если бы она не была закреплена на устое и защемлена на глубине 1 цементным кольцом, можно определить по формуле:

AlT = aT ATcp l.

(6)

Чтобы компенсировать эту деформацию, необходимо приложить осевую нагрузку:

ALEA

Nr =

l

(7)

Исключая из (6) и (7) AIT и деля продольную силу на площадь сечения трубы, получим выражение для нормальных напряжений:

N

а = nT = а AT Е.

m д m ср

(8)

Допустим, что температура эксплуатационной колонны и температура жидкости в скважине до пуска ее в эксплуатацию соответствует геотермической

Тп (г) = Т0 + Г • г.

Тогда изменение температуры эксплуатационной колонны на глубине z через время t после ее пуска в работу равно:

AT(z) = Т(z) - Tn (z) =

Qcprc

ж

ж( z-l )

1 - eQcPR

(9)

Средневзвешенная разность температур эксплуатационной колонны на участке с координатами z=0 и z=1 равна:

AT =

ср l

1 JAT ( z)dz =

Qcp Гс

ж

1 - QcPRe QcpR

ж1

7L f ж1 ^

eQcpR -1 v J

(10)

Выражение для дополнительных осевых температурных напряжений получено из (8) с учетом (10):

=Е

QcpГc

ж

1 -

ж1

а \ с&с* -1

У

(11)

На рис. 1 показаны эпюры осевых нормальных напряжений соответственно перед цементажом колонны (а) и в период эксплуатации скважины (б). Из сравнения этих эпюр видно, что при эксплуатации глубоких термальных скважин по обсадной колонне в условиях высоких забойных температур и больших отборов воды дополнительные осевые нормальные напряжения могут достигнуть предельной величины.

Таким образом, нарушение целостности обсадной колонны, особенно эксплуатационной, может иметь место как при завершении строительства скважины в период цементажа и испытания их на герметичность, так и в процессе ее эксплуатации. Для максимального уменьшения осевых температурных напряжений, связанных с работой высокодебитных гидротермальных скважин по эксплуатационной колонне, следует последнюю закреплять после тампонажных работ таким образом, чтобы она находилась в предварительно напряженном состоянии.

2-, м

Рис. 1. Эпюры осевых нормальных напряжений в эксплуатационной колонне: а - до цементажа; б - в процессе эксплуатации скважины.

В процессе эксплуатации эти напряжения будут компенсированы сжимающими осевыми температурными напряжениями. Величину предварительного напряжения колонны необходимо в каждом конкретном случае подбирать с таким расчетом, чтобы при работе скважины осевые нормальные напряжения в эксплуатационной колонне не достигли опасной величины. Это даст возможность предотвратить нарушение целостности эксплуатационной колонны.

Библиографический список:

1. Матаев Г.А., Ниналалов А.И. Причины нарушения герметичности заколонного пространства. Ж. Газовая промышленность. 1970. №11. с. 16-17.

2. Ниналалов А.И. и др. Оценка теплопотерь в гидротермальной скважине. Ж. Охрана и разведка недр. 1966. №2, с. 49-51.