Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 [ 106 ] 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139

в результате многие сверхглубокие скважины не могут достичь своей проектной глубины (из-за отколов породы на стенках скважины и потери направления бурения). Можно даже думать, что существует какая-то предельная глубина бурения, которая, однако, зависит от региональных условий. Так, знаменитая Кольская скважина была пробурена до глубины 12.6 км вместо 15 км. Шведская скважина (Гравберг - 1) имела глубину 6.5 км вместо 8 км, а бурение скважины КТВ, которая должна была иметь 14 км глубины, столкнулось с чрезвычайными трудностями на 8-м км.

Первая (Кольская) скважина бурилась на границе Конрада; и должен был быть найден гранито-базальтовый переход на глубине 7-10 км. Однако было обнаружено, что в действительности соответствующий сейсмический отражатель представлял собой листрический разлом существенной мощности, насыщенный водой и газом. Две другие сверхглубокие скважины бурились на интенсивные, но локализованные отражения. Считалось, что эти отражатели соответствуют высокопористому массиву трещиноватых пород, заполненному жидкостью или газом. Эти работы были остановлены, по существу, ростом уровня тектонических напряжений и их анизотропией. Так, в соответствии с наблюдаемой формой листрических разломов по крайней мере одна из горизонтальных компонент тектонического напряжения растет быстрее, чем вертикальное напряжение, поскольку такие разломы имеют тенденцию приближаться к оси главного сжатия (см. рис. 6.8).

Тот же результат был получен при анализе поврежденности ствола глубокой скважины; было обнаружено, что вертикальное напряжение выше, чем обе горизонтальных компоненты, до глубины 2 км [238], но глубже горизонтальное напряжение становится главным сжимающим. Разница двух горизонтальных компонент напряжений также растет с глубиной. Это и создает условия для сдвигового дилатантного разрушения пород в окрестности ствола скважины.

6.5.2, УСТОЙЧИВОСТЬ СТВОЛА СКВАЖИНЫ

Перейдем к математическому описанию соответствующего состояния горного массива. Процесс бурения будем моделировать внезапным появлением цилиндрической пустой полости

(ствола скважины) в неравно сжатых породах. Под давлением материал породы смещается к оси ствола, но останавливается в связи с ростом сопротивления сил сухого трения из-за схождения смещений и закрытия пор в кольцевой зоне, окружающей появившуюся скважину.

Для численных расчетов [50, 51] полей напряжений и деформаций в окрестности скважины был применен метод, согласно которому в балансе количества движения сохранялись динамические члены (хотя задача - квазистатическая):

да дх,

+ pgr

(6.16)

Здесь -5 = а у -Ь аду - тензор-девиатор напряжений, а сг = -CTySy / 3 - литостатическое давление. Они связаны с

деформациями упругопластическими определяющими законами (раздел 1.3), которые могут быть записаны в виде

dSy

1 dX

да dt

да дх,

(6.17) (6.18)

причем скорости деформаций определяются как обычно:

до др dt dXj

(6.19) (6.20)

Дополнительная неизвестная функция (dX / dt) > О, если напряжение сдвига а уравновешивается давлением сг, определяется в соответствии с законом Кулона (1.77):

a,{3SjSj/8f = Y + aa. (6.21)

При этом происходит активное нагружение.

Скорость дилатансии Л, внутреннее трение а и сцепление Y - функции деформационного параметра , который различен при режимах упрочнения и ослабления. Эти функции определяются в ходе трехосных испытаний и используются в специальных расчетных профаммах [56, 49]. В последние ввводится также математическая вязкость, чтобы сгладить разрывы.

На рис. 6.28 представлено распределение напряжений в плоскости поперечного сечения бесконечно длинной скважины при неравных горизонтальных напряжениях ан и ста, причем вертикальное давление ау - pgH было промежуточным: <Jfj > <Jy > <J. В этом случае неупругие деформации (они и составляют дилатансионную поврежденность) появляются ниже глубины Н = 600 м в известняках и ниже Н - 1000 м в песчаниках и диабазах.

Как можно видеть, упругопластическое решение определяет больший масштаб зоны повреждений, чем это дает оценка ее фаницы на основе чисто упругого решения (рис. 6.29).

Более того, немонотонное распределение напряжений в зоне поврежденности (пластической) объясняет и появление подзоны неустойчивости, которая потенциально опасна при процессе бурения для самого выживания скважины.

В соответствии с рис. 6.28, внутри зоны поврежденности существует кольцо повышенных тангенциальных напряжений Од

из-за закрытия пор и роста внутреннего трения. Между отмеченной линией пикового напряжения и стенкой ствола скважины поврежденный геоматериал практически находится под нулевым сжатием.

Фрагменты породы этой подзоны неустойчивости падают в ствол скважины при бурении или висят на стенке, готовые упасть вниз и остановить бурение ("прихватив" инструмент), если их размер сближается с радиусом скважины.

Поперечное сечение результирующих зон поврежденности имеет примерно эллиптическую форму с длинной осью вдоль оси минимального горизонтального сжатия, но подзоны неустойчивости образуют узкие коридоры, сдавленные геоматериалом под действием горного давления.