Файл: Мамедов, А. А. Нарушения обсадных колонн при освоении и эксплуатации скважин и способы их предотвращения.pdf

кольца. При наличии глинистой корки между патрубками и цементным кольцом эта величина составляет в среднем 12%.

Положительная роль цементного кольца еще больше прояв­ ляется в случае смятия овальных патрубков с цементным коль­ цом и окружающей породой. Для таких образцов сминающие давления на 70—80% выше, чем расчетные.

Проведенные в стендовых условиях С. Б. Гусейновым, М. А. Гусейновым и А. А. Аскеровым эксперименты на натур­ ных образцах также показывают значительное увеличение не­ сущей способности трубы смятию при наличии цементной обо­ лочки. В работе указано, что сопротивляемость обсадной трубы смятию за счет несущей способности цементной оболочки при условиях подпора последней к крепкому горному массиву уве­ личивается в пределах 14—35%.

Авторами данной работы также экспериментально исследо­ вана разгрузочная способность цементной оболочки при пере­ даче равномерного наружного давления на обсадную трубу через нее.

В процессе проведения экспериментов объектом испытания были выбраны обсадные трубы диаметром 146 мм с толщиной стенки 7 и 8 мм марки Д. От каждой трубы были отрезаны пять патрубков длиной по 1500 мм согласно длине корпуса испытательного стенда. Для сравнения результатов по три патрубка от каждой трубы подвергали испытанию с цементной оболочкой и по два — без оболочки.

Для получения цементной оболочки вокруг патрубка он в вертикальном положении помещался в кожух, имеющий с обоих концов вставные горловины. Кожух и горловина состоят из двух половин. Части кожуха до заливки раствора скреплялись меж­

утечки раствора устанавливали резиновую прокладку.

Перед заливкой патрубок цементировали и внутренние по­ верхности кожуха и горловины смазывали тавотом. Разъемная конструкция приспособления и смазка изнутри позволили без затруднения освободить их от цементной оболочки после затвердения раствора. Раствор изготовляли из тампонажного цемента Карадагского месторождения с весовым отношением воды к цементу 0,5:1. Время затвердения раствора составля­ ло 24 ч.

После освобождения приспособления полученный образец (патрубок с цементной оболочкой) выдерживали в водяной ванне в течение 48 ч.

Внутренние диаметры кожуха и горловин подбирали с таким расчетом, чтобы после затвердения цемента патрубок с цемент­ ной оболочкой свободно вмещался в корпус стенда и обеспечи­ валось условие передачи равномерного гидростатического дав­ ления через оболочку на патрубок, а также герметизация коль­

130

цевого пространства между внутренней полостью корпуса и наружной поверхностью цементной оболочки.

Образец помещали в корпусе стенда, служащего для испы­ тания обсадных труб на смятие внешним гидростатическим дав­ лением. Герметизирующие устройства, состоящие из распорно­ го кольца, резиновой манжеты, упорного кольца и распорной

гайки устанавливали на цементной корке с обоих концов пат­ рубка. Схема сборки патрубка с цементной оболочкой и без ■оболочки представлена на рис. 32, а результаты опытов приве­ дены в табл. 14.

Из данных табл. 14 видно, что сминающие давления патруб­ ков с цементной оболочкой и без нее имеют почти одинаковые

5* 131

ваться в радиальном направлении, то во втором случае дефор­ мация образца в радиальном направлении ограничивается стенкой горных пород и стенда.

Отметим, что, по мнению автора, именно свободная дефор­ мация образца приводит к отсутствию значительной роли це­

наблюдаемых в наших опытах, показывает, что цементная обо­ лочка до определенного момента деформируется неразрывно с трубой (до этого момента происходит разгрузка). После этого момента с увеличением нагрузки она не может дальше дефор­ мироваться неразрывно с трубой ввиду низких упругих кон­ стант цемента. Когда цементная оболочка перестает деформи­ роваться неразрывно с трубой (разгрузка не происходит), на­ грузка, падающая на ее долю, увеличивается до критического значения, что приводит к ее преждевременному разрушению.

Таким образом, приходим к выводу, что при передаче на­ грузки жидкой средой на патрубки с цементной оболочкой уве­ личение сопротивляемости трубы смятию отсутствует, а при передаче нагрузки на патрубок с цементной оболочкой твердой средой (горной породой) последняя заметно увеличивает со­ противляемость трубы смятию.

Однако здесь следует отметить другую сторону данного вопроса, имеющего важное значение при эксплуатации.

Возможно ли получить на практике за колонной такой це­ ментный камень, каким он берется при проведении экспери­ ментов и принимается при решении теоретической задачи. В частности, сохраняется ли всегда при эксплуатации скважи­ ны неразрывность между цементной оболочкой и трубой, а так­ же между оболочкой и горным массивом при разных давлениях и температуре или можно ли создать за колонной цементное кольцо с достаточной прочностью без трещин, концентрично расположенное по отношению к оси колонны.

Промысловая практика цементирования скважин, а также экспериментальные исследования в этой области пока отрица­ тельно отвечают на эти вопросы. Опыт показывает, что полу­ чить концентричное расположение колонны по отношению к оси скважины практически не представляется возможным.

Исследования и опыты по вытеснению глинистого раствора цементным в вертикальных и наклонных скважинах, проведен­ ные Р. И. Шищенко [81] и М. П. Гули-Заде [24], показывают, что при эксцентричном расположении колонны в вертикальной

получается сквозной канал, причем вблизи от канала имеется значительное число прослоек глины.

133

Расчеты [24] показывают, что при площади поперечного сечения кольцевого пространства, равной 16,1 см2, с учетом

ходимо отметить также ползучесть цементного камня в случае длительной эксплуатации скважин.

Авторами работы [8] установлено, что в условиях глубоких скважин цементное кольцо обладает свойствами ползучести и с течением времени скорость ползучести резко возрастает.

Роль цементной оболочки особенно снижается в газовых скважинах. По данным М. К. Сеид-Рза [72], одной из основных причин, приводящих к образованию грифонов за колонной, яв­ ляется некачественная цементировка скважин. Затрубный газ

врезультате некачественной заливки, пройдя через трещины, образованные на цементном камне, поднимается вверх и, на­ капливаясь на определенном участке, приводит к образованию грифона с последующим нарушением колонны.

Здесь следует сказать еще об одном факте. Он заключается

втом, что до настоящего времени окончательно не уточнены величины упругих констант цементного камня, его прочностные характеристики в условиях скважины. Ввиду этого результаты расчетов отдельных авторов получаются разные. Такие различ­ ные оценки констант безусловно затрудняют получение кон­ кретного представления о роли цементной оболочки при креп­ лении скважин.

АНАЛИЗ ПРИЧИН с м я т и я колонн

ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТНЫХ ФОРМУЛ

Для анализа причин смятия эксплуатационных колонн оце­ ним результаты предложенных расчетных формул на основе промысловых данных. С этой целью возьмем данные четырех скважин из 83 скважин НГДУ Карадагнефть Азербайджанской ССР, где в двух случаях смятие произошло в зацементирован­ ной части колонны, а в двух других — выше уровня цементного столба (табл. 15).

Как видно из табл. 15, у этих скважин глубина забоя, диаметр эксплуатационной колонны, продолжительность рабо­ ты скважины с момента крепления до обнаружения дефекта почти одинаковые. Такой выбор скважин позволяет оценить роль цементной оболочки в процессе смятия колонны.

Отметим, что в процессе работы все четыре скважины были опорожнены полностью. Поэтому расчет будем вести для слу­ чая полного опорожнения скважины.

134

Определим величину расчетного наружного давления по ме­ тодике, принятой на практике в настоящее время, где наруж­ ное давление по всему стволу определяется давлением столба глинистого раствора. В случае полного опорожнения скважины из формулы (186) имеем

Подобный расчет произведем для двух скважин: скв. 974 и

скв. 790. Из табл. 15 для скв. 974: е = 1413 м, ур=С28 г/см3, а

для скв. 790: г = 840м, ур=С36 гс/см3. Таким образом, по фор­ муле (224) (в кгс/см2) находим

Ррас = 0,1 -1,28* 1413 = 181,8;

/W = 0,1 • 1,36 • 840 = 114,2.

Теперь определим величину расчетного наружного давления по методике Г. М. Саркисова и Ю. А. Песляка. Поскольку эти методики, предусматривают определение наружного давления для зацементированной части колонны, то расчет будем вести только для скв. 974, где смятие произошло в зацементирован­ ной зоне.

По методике Г. М. Саркисова в случае полного опорожне­ ния скважины для подсчета z0 по формуле (196) имеем: 1г =

= 400 м, ур=1,28 гс/см3, уц=С85 гс/см3, уо= 0; ув=1 гс/см3. Зна­ чение коэффициента к для труб диаметром 168 мм с толщиной стенки 9 мм берем равным 0,31 [по раочету Г. М. Саркисова, формула (191)]. Таким образом,

135