Исследование влияния зенитного угла наклонно направленной скважины на напряженно-деформированное состояние околоскважинного пространства

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2020.98.8.022

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗЕНИТНОГО УГЛА НАКЛОННО НАПРАВЛЕННОЙ СКВАЖИНЫ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ОКОЛОСКВАЖИННОГО ПРОСТРАНСТВА

Научная статья

Юдаков В.С.1' *, Деканоидзе Э.М.2, Мухтаров М.Ш.3, Тиличкан А.А.4

1, 3 Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург, Россия;

2 4 ООО «НПО «Центротех», г. Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор

Аннотация

В данном научном исследовании изучены факторы, влияющие на потерю устойчивости ствола скважины в процессе бурения, установлено влияние зенитного угла на геомеханические процессы в массиве горных пород. Авторами исследования разработан метод по выбору оптимальной траектории скважины, с учетом действующих напряжений горных пород с наклонно направленным окончанием ствола. Разработан алгоритм определения оптимальных зенитных углов на основе расчетов теории Кулона-Мора напряженного состояния в неустойчивых или слабосвязанных горных породах, с целью повышения устойчивости, предупреждения обвалов и аварий.

Ключевые слова: устойчивость ствола скважины, бурение, теория Кулона-Мора, касательные напряжения, нормальные напряжения.

RESEARCH OF THE INFLUENCE OF THE ZENITH ANGLE OF AN INCLINED DIRECTIONAL WELL ON THE STRESS-DEFORMED STATE OF THE BIRD SPACE

Research article

Yudakov V.S.1, *, Dekanoidze E.M.2, Mukhtarov M.Sh.3, Tilichkan A.A.4

1 3 St. Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russia;

2, 4 LLC SPA Centrotech, St. Petersburg, Russia

* Corresponding author

Abstract

In this scientific study, the factors affecting the loss of stability of the wellbore during drilling were studied, and the influence of the zenith angle on the geomechanical processes in the rock mass was established. The authors of the study developed a method for choosing the optimal well trajectory, taking into account the acting stresses of rocks with an obliquely directed end of the wellbore. An algorithm has been developed for determining the optimal zenith angles on the basis of calculations of the Coulomb-Mohr theory of the stress state in unstable or weakly connected rocks, in order to increase stability, prevent landslides and accidents.

Keywords: wellbore stability, drilling, Coulomb-Mohr theory, shear stresses, normal stresses.

Введение

На современном этапе в технологии бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин требуется решения целого ряда технологических проблем. Важнейшим элементом, в значительной мере определяющим технико-экономические показатели и качество строительства скважин, является обеспечение устойчивости ствола скважины.

В поисках решения проблем устойчивости ствола скважины, были рассмотрены различные теории прочности. Теория прочности горных пород Кулона-Мора является самой распространенной и обладает неоспоримыми экспериментальными подтверждениями. Для прогнозирования предела прочности тех или иных пород данная теория является наиболее приемлемой. Основными параметрами модели этой теории являются угол внутреннего трения и величина сцепления горной породы. Соответственно, при изменении последних можно влиять на прочность породы и изменение напряженного состояния горных выработок [1], [5].

Однако, в настоящее время нет целостной методики по прогнозированию устойчивости ствола скважины. Установлены лишь влияние плотности бурового раствора, механической скорости бурения, скорости движения промывочной жидкости на устойчивость стенок скважины. В данной работе рассмотрен иной подход профилактики предупреждения осыпей и обвалов стенок скважин. Он заключается в изменении траектории ствола скважины, в зависимости от геологической структуры горной породы, а именно зенитного угла скважины, значение которого впоследствии позволяют перераспределять напряжения на стенке скважины, уменьшив тем самым количество опасных напряжений [2].

Основные задачи исследования зависимости устойчивости ствола скважины от зенитного угла:

1. Аналитическая оценка состояния работ и проблем совершенствования инженерных методов управления проявлениями горного давления.

2. Оценка влияния геолого-технических факторов на процессы проявления горного давления (деформации и разрушения породных массивов), в зависимости от зенитных углов.

Методы и принципы исследования

В качестве условий расчета были применены значения действующей скважины на Федоровском нефтяном месторождении:

• глубина скважины h=2500 м;

• плотность бурового раствора 1,1 г/см3;

• плотность вышележащий горных пород 2,7 г/см3;

• изменение зенитного угла 20, 30, 45, 70 и 90 градусов.

• р = 27,58*10-3 (угол внутреннего трения породы) ;

• к = 27,43° (коэффициент сцепления).

На рисунке 1 показан участок наклонной скважины, пробуренной в породе.

Рис. 1 - Участок наклонной скважины и положение потенциально опасных точек на контуре скважины

для малых зенитных углов

На рисунке 2 показано положение опасных точек на контуре скважины, где напряжения достигают максимума. Для малых углов наклона скважины они находятся в плоскости, образуемой вертикалью и осью скважины (точки М). С ростом угла наклона скважины максимальные касательные напряжения растут и точки максимумов смещаются относительно точки М в обе стороны по окружности на угол, определяемый выражением (3) (точки М). При этом, естественно, повышается вероятность разрушения. Как показывают расчеты, при увеличении угла наклона скважины предельные касательные напряжения будут возникать во всем большем числе точек на контуре [4], [8].

г

Рис. 2 - Положение потенциально опасных точек при больших зенитных углах

Основные результаты

В данной работе был составлен расчет для участка горной породы песчаник светло-серый, залегающий на глубине 2321-2562 метров:

Горное давление ч определяется по формуле (ч <0):

Ч = -Ргп

где Ргп - плотность вышележащих горных пород.

Ч = -рш gh = 2700 • 9,81 • 2500 • 10-6 =-66,21 мПа. Давление в скважине р определяется по формуле (р >0):

Р = Рбр gh,

где рБР - плотность вышележащих горных пород.

р = РБР §1 = 1100 • 9,81 • 2500 •ю-6 = 26,97 МПа

При условии 0 <в<р (зенитный угол меньше угла внутреннего трения породы) опасные точки располагаются на верхней и на нижней стенке скважины (точки М рис. 2). Если р < в < 90 , то положение опасных точек определяется выражением (3).

Предоставим расчет для зенитного угла 45°:

sin 27,58

л 1

ф = — arccos 2

sin р sine

arccos

sin45 / = 24,55o

Нормальное напряжение (n при в = 45° и (р = 24,55° (4):

оп = q -

Предел прочности касательных напряжений породы (5):

[т] = k-ап tgр = 27,43 •Ю-3 + 55,01 • tg27,58 = 30,57мПа

где Г n - нормальное напряжение на площадке, к - величина сцепления горной породы и р - угол внутреннего трения породы.

Абсолютная величина касательных напряжений определяется по формуле (6):

т = - (q + рс ) sin в^/Т-cos2"^siñ2~e = = -(-66,21 + 26,97) sin 45^1 - cos2 (2 • 24,55) • sin2 (2 • 45) = 26,64МПа

Коэффициент запаса прочности n вычисляется по формуле (7):

[т] 30,57 ,, Лп n = = = 1,147

Tmax 26,64

Судя по величине коэффициента запаса прочности можно говорить об устойчивости ствола скважины. При n>1 стенки скважины находятся в стабильном состоянии. При коэффициенте запаса <1 величина нагрузок превышает либо равна пределу прочности, и стенка скважины теряет устойчивость [3], [6].

На основе вычисленных значений строим график разности предела прочности [т] и касательных напряжений Т (рис. 3).

Рис. 3 - Разность предела прочности и касательных напряжений на стенке скважины на участке песчаников 2321 - 2562 метров, где ф - полярный угол; 20, 30, 45, 70, 90 - зенитный угол скважины (горизонтальное сечение скважины, вид сверху).

Рис. 4 - Увеличенный график разности предела прочности и касательных напряжений, фкрит - потенциально опасный угол, максимум касательных напряжений; 20, 30, 45, 70, 90 - зенитный угол скважины (горизонтальное сечение скважины, вид сверху).

Область линий, которая заходит за границы 0 МПа, является зоной разрушения. Как видно из графика, скважина при данных условия потеряет устойчивость при зенитном угле 70° и 90°. Результаты расчетов подтверждают графическое изображение, при данных углах коэффициент запаса <1. Подтверждается верность вычисления положения потенциально опасных точек на контуре скважины [7], [9].

На основании расчетных данных можно сделать следующие выводы:

• с увеличением наклона скважины растет и величина максимума напряжений;

• с ростом угла наклона скважины не только увеличивается величина максимума напряжений, но также увеличивается и размер области, в которой действуют высокие напряжения. Поэтому, процесс разрушения, возникший при некотором угле наклона скважины в узкой области в окрестности точки, по мере увеличения наклона расширяется, захватывая все более широкую область, пока не наступает потеря устойчивости стенок скважины.

Данный метод по расчету напряженного состояния вокруг стенок скважины позволит проектировать наклонно направленные и горизонтальные скважины с высокой устойчивостью ствола. По данным расчетам можно прогнозировать опасные горно-геологические участки, с целью корректировки зенитных углов, не провоцирующих разрушение стенок скважины [10].

Заключение

Объединяя результаты расчетов напряженного состояния в околоскважинном пространстве, в зависимости от зенитного угла, определено положение критических точек на контуре скважины.

В результате данных вычислений можно наблюдать динамику изменения запаса прочности породы в рассматриваемой точке скважине в зависимости от зенитного угла. Данная методика позволяет определить опасные сечения скважины при проектировании профилей. В перспективе, с помощью этой методики определения устойчивости возможна оптимизация профиля скважины, исключающая протяженные интервалы опасных зенитных углов.

Таким образом, благодаря данному методу решения проблемы осыпей и обвалов, можно проектировать профили наклонно направленных и горизонтальных скважин с необходимой устойчивостью ствола.

Конфликт интересов Conflict of Interest

Не указан. None declared.

Список литературы / References

1. Вашкевич А.А. Развитие подходов комплексного геомеханического моделирования в ПАО «Газпром нефть» / А.А. Вашкевич, В.В. Жуков, Ю.В. Овчаренко, А.С. Бочков // Нефтяное хозяйство-№12, 2016, - С. 16-19.

2. M-I SWACO, группа «Шлюмберже», Системы растворов и реагентов для бурения // Решения для бурения -Редакция 6, 2014

3. Шарова О.Ю. Методики подбора комплексных сухих смесей кольматантов для предупреждения и ликвидации зон осложнений / О.Ю. Шарова, А.Ф. Галиев, А.В. Самыскин и др. // Территория Нефтегаз. №5. 2012. - С.34-37.

4. Змеев Ю.В. Выбор ингибирующего бурового раствора в системе «буровые растворы» при строительстве скважин в ОАО «Сургутнефтегаз» // Бурение и нефть - №1, 2011.

5. Карев В.И. Определение деформационных и прочностных свойств горных пород применительно к баженовским отложениям / В.И. Карев, Ю.Ф. Коваленко, К.Б. Устинов// «Технологии ТЭК», № 3 (22), 2005, - С. 17-21.

6. Овчинникова В.П. Справочник бурового мастера / В.П. Овчинникова, С.И. Грачёва, А.А. Фролова. М.:Инфра-Инженерия, 2006. - 608 с.

7. Voitenko V.S. / Applied geomechanics in drilling. - Oxford IBH Publishing Co. PVT Ltd. New delhi, Bombay, Calcutta, 1995.

8. Даныш Д.В. Расчет скорости сужения ствола скважины в пластичныхпородах / Д.В. Даныш, Е.Г. Леонов, Б.С. Филатов // Нефтяное хозяйство-№ 6 . - С. 9-12.

9. Киреев A.M. Разработка и исследование технологий и технических средств управления горным давлением при строительстве скважин: Дис. ... канд. техн. наук: 25.00.15 - Тюмень, 2002. - 195 с.

10. Лехницкий С.Г. Определение напряжений в упругом изотропном массиве вблизи вертикальной цилиндрической выработки круглого сечения //Изв. АН СССР, ОПТ. - 1938. - № 7.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Vashkevich A.A. Razvitie podhodov kompleksnogo geomehanicheskogo modelirovanija v PAO «Gazprom neft'» [Development of integrated geomechanical modeling approaches at PJSC Gazprom Neft] / A.A. Vashkevich, V.V. Zhukov, Ju.V. Ovcharenko, A.S. Bochkov // Oil Industry-№12, 2016, - P. 16-19. [in Russian]

2. M-I SWACO, gruppa «Shljumberzhe», Sistemy rastvorov i reagentov dlja burenija [M-I SWACO, Schlumberger Group, Drilling Fluid and Reagent Systems] // Drilling Solutions - Edition 6, 2014[in Russian]

3. Sharova O.Yu. Metodiki podbora kompleksnyh suhih smesej kol'matantov dlja preduprezhdenija i likvidacii zon oslozhnenij [Methods for the selection of complex dry mixtures of colmatants for the prevention and elimination of zones of complications] / O.Ju. Sharova, A.F. Galiev, A.V. Samyskin i dr.// Territory Neftegaz. No. 5. 2012. - P.34-37. [in Russian]

4. Zmeev Yu.V. Vybor ingibirujushhego burovogo rastvora v sisteme «burovye rastvory» pri stroitel'stve skvazhin v OAO «Surgutneftegaz» [The choice of inhibitory drilling fluid in the system "drilling fluids" in the construction of wells in OJSC "Surgutneftegas"] // Drilling and oil - No. 1, 2011. [in Russian]

5. Kireev A.M. Razrabotka i issledovanie tehnologij i tehnicheskih sredstv upravlenija gornym davleniem pri stroitel'stve skvazhin [Development and research of technologies and technical tools for managing rock pressure during well construction]: Dis. ... cand. tech. Sciences: 25.00.15 - Tyumen, 2002. - 195 p. [in Russian]

6. Ovchinnikova V.P. Spravochnik burovogo mastera [Handbook of the drill master] / V.P. Ovchinnikova, S.I. Grachjova, A.A. Frolova.. M.: Infra-Engineering, 2006. - 608 p. [in Russian]

7. Voitenko V.S. / Applied geomechanics in drilling. - Oxford IBH Publishing Co. PVT Ltd. New delhi, Bombay, Calcutta, 1995.

8. Danish D.V. Calculation of the rate of narrowing of the wellbore in plastic rocks / D.V. Danysh, E.G. Leonov, B.S. Filatov // Oil industry-№ 6. - S. 9-12. [in Russian]

9. Karev V.I. Opredelenie deformacionnyh i prochnostnyh svojstv gornyh porod primenitel'no k bazhenovskim otlozhenijam [Determination of the deformation and strength properties of rocks as applied to Bazhenov deposits] / V.I. Karev, Ju.F. Kovalenko, K.B. Ustinov // "Technologies of the Fuel and Energy Complex", No. 3 (22), 2005, - P. 17-21. [in Russian]

10. Lekhnitsky S.G. Opredelenie naprjazhenij v uprugom izotropnom massive vblizi vertikal'noj cilindricheskoj vyrabotki kruglogo sechenija [Determination of stresses in an elastic isotropic array near a vertical cylindrical working of circular cross section] // Izv. USSR Academy of Sciences, OPT. - 1938. - №. 7. [in Russian]