WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Активное действие цеолитосодержащей добавки основывается на том, что наличие заряда на внешней поверхности способствует взаимодействию частиц с составляющими портландцемента, а капиллярные силы–связыванию значительного количества воды затворения. Разложение нестабильных гидратных новообразований осуществляется полнее и быстрее, поскольку оно происходит на свободных граничных поверхностях, обращенных к жидкой среде, а не во внутрь конгломератов частиц, что оказывает положительное влияние на скорость гидратации вяжущего, способствуя раннему разрушению термодинамически неравновесных контактов и построению объемной сетки с более равномерным распределением гидратных фаз. В результате образуется структура цемента с высокими прочностными и изоляционными свойствами.

Таким образом, цеолит является структуроактивным компонентом системы, ускоряющий процессы твердения, снижающий контракцию цементного камня в период схватывания и раннего твердения.

В настоящее время на территории России имеется более месторождений цеолитовых пород. Налажено промышленное производство синтетических цеолитов.

В третьем разделе разработаны технические средства для исследования давления обратного промерзания в лабораторных и промысловых условиях.

Научно обоснованы методы и методики проведения исследований.

В соавторстве разработан лабораторный стенд (А.с. 1739009 СССР), схема которого изображена на рисунке 2. В отличие от аналогов стенд позволяет создавать гидростатическое давление, исследовать механизм передачи избыточного давления замерзающей в каверне жидкости на обсадные трубы через цементную оболочку.

Для имитирования полости каверны использован толстостенный корпус автоклава установки УВЦ - 2, выдерживающий давление до 100 МПа.

1 2 4 6 3 5 7 8 9 м м Рисунок 2 - Схема лабораторного стенда (А.с. 1739009 СССР):

1- прибор Щ-4313; 2- тензометрический усилитель «Топаз-4»; 3-блок питания «Агат»; 4 – потенциометр холодильная камера; 6- манометр; 7- термометр; 8- термопара; 9- штуцер; 10 – линия высокого давления;

11- толстостенный цилиндр; 12 – термоизоляционная оболочка; 13 – датчик давления; 14- регулятор давления;

15- гидравлический пресс С целью исследования давления на крепь, возникающего при обратном промерзании окружающего ее массива горных пород, разработан и изготовлен комплект технических средств, включающий заколонные датчики давления (ДД), температуры (ДТ) и измеритель изменения сопротивлений (ИИС 1-3-1).

Датчик давления конструктивно представляет собой тензометрический преобразователь давления ПДМТ-60, защищенный от механических повреждений и надежно герметизированный (рисунок 3,а).

В качестве основы датчиков температуры использованы полупроводниковые медно-марганцевые термосопротивления типа ММТ-4 с номинальным сопротивлением терморезисторов 5,6 кОм, отградуированные с точностью до 0,01 0С. Конструкция датчика температуры показана на рисунке 3,б.

Измерительной и регистрирующей аппаратурой являлся разработанный нами прибор ИИС-1-3-1, и цифровой комбинированный прибор Щ - 4313, имеющий класс точности I. В качестве канала связи использован трехжильный, бронированный геофизический кабель.

Использование прибора ИИС-1-3-1 позволяет исключить влияние длинной проводной линии связи датчиков давления с измерительной аппаратурой на точность измерения.

Результаты тарирования свидетельствуют, что погрешность измерения датчиков давления не превышает 2,2 %, а датчиков температуры составляет не более ± 0,33 0С.

Теоретически обоснованы методы и методики проведения исследований основных свойств тампонажных материалов, предназначенных для цементирования низкотемпературных скважин.

Стандартные исследования включали определение плотности, сроков схватывания, растекаемости, водоотделения тампонажных растворов и прочностных показателей формирующегося камня.

В группу специальных методов исследований входило измерение а) б) Рисунок 3 - Схемы конструкции заколонных датчиков давления и температуры:

а)- датчик давления (ДД); б)-датчик температуры (ДТ) объемных изменений твердеющего тампонажного камня, определение его упругих характеристик и оценка морозостойкости.

Математическая обработка результатов исследований осуществлялась с помощью компьютерной программы «Statistica».

Показано сопоставление аналитического расчета на прочность с результатами применения программного комплекса ANSYS, основанного на методе конечных элементов (МКЭ), для оценки сложного напряженно– деформированного состояния крепи скважин в криолитозоне.

В четвертом разделе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований по оценке давления на крепь скважин, возникающего при обратном промерзании их заколонного пространства.

При бурении скважин в интервале залегания мерзлых горных пород образуются различные по форме и размерам каверны. Установлено, что геометрический размер и форма каверн влияют только на темп роста давления обратного промерзания.

Теоретически обосновано и экспериментально определено, что релаксация льда, гидростатическое давление и упругие свойства мерзлых пород, характерные для геокриологических условий месторождений Западной Сибири, не оказывают значительного влияния на величину давления обратного промерзания.

Таким образом, показано, что каверна, заполненная водосодержащей средой, при обратном промерзании представляет собой замкнутую систему саморегуляции с отрицательной обратной связью (рисунок 4).

Максимально возможные величины давления (Рс, МПа), возникающего при обратном промерзании водосодержащих сред в заколонном пространстве скважин, рекомендуется оценивать по эмпирической зависимости Бриджмена– Таммана, полученной при замораживании дистиллированной вакуумированной воды в широком интервале температур (tз) от 0 0С до минус 22 0С Рс = 0,1 - 12,7tз - 0,152tз2. (1) Рtз( ) Vл( ) Р( ) Рс( ) QQ Рисунок 4 - Модель развития давления на крепь скважин при обратном промерзании горных пород:

Рtз()- температура промерзания; - начальное давление в каверне; Vл() - объем образующегося льда; P()- давление, возникающее при замерзании воды; Pс() равновесное давление; Q1 и Q2 - операторы качественного преобразования параметров системы Данная зависимость имеет вид параболы и поэтому не обеспечивает одинаковую точность в исследуемом интервале температур. Предложено использовать линейную зависимость, полученную по результатам лабораторных исследований при температурах (tз ) от минус 2 0С до минус 4 0С, для воды (технической), используемой при приготовлении буровых растворов Рс = - 1,01- 11,78 tз. (2) Экспериментально исследовано влияние внешней цементной оболочки на сопротивляемость крепи скважин смятию при обратном промерзании.

Образцы цементного камня изготовлялись из низкотемпературного безусадочного цемента ЦНУБ и тампонажных материалов, широко применяемых в практике цементирования направлений и кондукторов скважин в криолитозоне: портландцемент типа ЦТН с водотвердым отношением В/Т=0,5; тампонажный портландцемент Стерлитамакского завода с 5 % добавкой хлорида кальция при В/Т =0,5; вермикулито-цементная тампонажная смесь (92 % портландцемента, 8 % вермикулита, 4 % хлорида кальция при В/Т=0,8). Установлено, что в процессе обратного промерзания при реально существующей толщине внешней цементной оболочки, давление практически полностью передается на обсадные трубы. Наименьший коэффициент передачи давления Кд=0,833 имеет ЦНУБ.

Для проверки достоверности полученных результатов проведен промысловый эксперимент в скважине № Р-101 Харасавэйского месторождения. Датчики давления и температуры были установлены на внешней части кондуктора и спущены в скважину на глубину 36,7 м - в верхнюю часть каверны, образовавшуюся в слое годовых теплооборотов при бурении мерзлого массива. Кондуктор и промежуточная колонна в интервале залегания мерзлых горных пород были составлены из обсадных труб с толщиной стенки соответственно 9, 5 и 10 мм группы прочности стали «Е».

Для цементирования обеих обсадных колонн использован тампонажный портландцемент с добавкой хлорида 5 % кальция при В/Ц=0,5. По данным АКЦ установлено, что за промежуточной колонной цемент присутствует во всем интервале замера, а за кондуктором его недоподъем ровнялся 71 м.

После завершения геофизических исследований внутренняя обсадная колонна была заполнена глинистым раствором плотностью 1210 кг/м3 и закрыта заглушкой. В связи с суровыми климатическими условиями и отсутствием электроснабжения измерения проводились периодически (таблица 1).

Таблица 1- Результаты измерения давления и температуры в заколонном пространстве скважины № Р-101 Харасавэйского месторождения Дата Температура, Давление, Р, МПа измерения t, 0С Р1 РР 15.04.88 минус 1,38 14,62 - 14,23.07.88 минус 4,02 39,33 39,73 39,24.08.88 минус 4,36 1,07 1,49 1,11.09.88 минус 4,20 1,10 1,74 1, Максимальное значение давления на обсадные трубы равное 39,53 МПа было зарегистрировано 23.07.88. При замере 24.08.88 г. давление оказалось равным всего лишь 1,28 МПа, хотя температура в каверне понизилась до минус 4,36 0С. При следующем замере 11.09.88 г. значения давления и температуры почти не изменились.

Объяснением случившегося является то, что с повышением температуры воздуха в теплый период года повысилась и температура обсадных труб на устье скважины. В результате чего понизилась прочность смерзания ледяной перемычки с кондуктором, при которой, вероятно, и произошел прорыв незамерзшей жидкости.

Расхождения полученных данных с результатами вычислений по формулам (1) и (2) не превышают соответственно 18,8 % и 11,6 %.

Таким образом, результаты проведенного промыслового эксперимента хорошо согласуются с выводами выполненных нами теоретических и экспериментальных исследований.

В пятом разделе уточнена методика расчета крепи скважин на смятие и исследовано напряженно-деформированное состояние различных крепей скважин в криолитозоне при обратном промерзании их заколонного пространства.

Обсадные трубы в зависимости от формы и размера промерзающего объема в скважине могут испытывать равномерно распределенную или локальную осесимметричную нагрузку. С использованием универсального пакета конечно-элементного анализа ANSYS проведены исследования сложного напряженно-деформированного состояния крепи скважины, включающей кондуктор диаметром 0,245 м с толщиной стенки 0,01 м и эксплуатационную колонну диаметром 0,168 м с толщиной стенки 0,089 м скрепленных цементным камнем с модулем упругости Ец 1104 МПа, при воздействии на нее наружной осесимметричной распределенной и локальной нагрузкой равной 40 МПа. При этом рассматривались два расчетных случая: с учетом и без учета осевой растягивающей силы равной 600 кН. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементе крепи скважины представлены на рисунке 5.

В результате показано, что при оценке прочности крепи скважины на смятие необходимо учитывать влияние осевой растягивающей нагрузки, создаваемой весом обсадных колонн, которая может увеличивать эквивалентное напряжение на 15 %. Установлено, что наиболее тяжелые условия работы крепи наблюдаются при воздействии на нее внешней локальной осесимметричной нагрузки. При этом величина эквивалентного напряжения в крепи превышает аналогичную величину для равномерно распределенной нагрузки на 8,4 %. Показано, что в слоях крепи имеются значительные сдвиговые напряжения, наблюдается местный изгиб, что может привести к потере контакта между цементным камнем и обсадными трубами.

Это позволило обосновать аналитические методы оценки прочности и исследования сложного напряженно-деформированного состояния крепи скважин.

Основываясь на полученных результатах, уточнена методика расчета сопротивляемости крепи скважин смятию при воздействии на нее равномерно- а) б) 12,1 112,8 213, МПа 19,6 157,296, МПа в) г) 1,1 116,8 233, МПа 3.1 151,7 300, МПа Рисунок 5 – Поля эквивалентных напряжений в элементе крепи скважины:

а) распределенная нагрузка; б) распределенная нагрузка и осевая сила;

в) локальная нагрузка; г) локальная нагрузка и осевая сила распределенной нагрузки. В отличие от известных методик учтено влияние осевого растяжения крепи скважин и исследовано напряженнодеформированное состояние ее четырехколонной конструкции. При этом напряжения в каждом слое составной крепи (обсадных трубах и цементных кольцах) определялись согласно задаче Ламе, а предельные значения напряжений - из условия пластичности Мизеса.

Установлено, что в случае воздействия на крепь внешней локальной осесимметричной нагрузки, для расчета ее прочности требуются специально полученные аналитические зависимости, учитывающие наличие сдвиговых напряжений.

Для решения такой задачи, совместно с Ю.Е. Якубовским применен метод сведения математической модели изгиба составной конструкции к монослою, математическая форма записи которого позволяет использовать известные решения теории однослойных оболочек для расчета составных конструкций.

На основе разработанных методик составлена компьютерная программа, при помощи которой, применяя методы математической статистики, проведены исследования по определению влияния характеристик обсадных труб и цемента на прочность крепей скважин, широко применяемых на месторождениях Крайнего Севера.

Установлено, что независимо от количества обсадных колонн в конструкции скважины сопротивляемость крепи смятию повышается с увеличением модуля упругости цемента и толщины стенок труб. Причем значительно большее влияние на распределение напряжений в крепи оказывает модуль упругости цемента и, особенно, находящегося между внешней и последующей за ней обсадной колонной. С его увеличением напряжения в наружной колонне уменьшаются, а в других возрастают. Повышение прочности крепи за счет увеличения толщины стенок труб наиболее эффективно у внешней обсадной колонны. Показано, что для предотвращения смятия крепей скважин, расположенных в криолитозоне с температурой мерзлых пород ниже минус 2 С, следует применять прочные цементы с модулем упругости более 1103 МПа.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»