Главная Учебники Газпром СТО Газпром РД 2.1-142-2005

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО “ГАЗПРОМ” СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

МЕТОДИКА

РАСЧЕТА ДОПУСТИМЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИЙ СКВАЖИН, ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ И ЦЕЛОСТНОСТИ УСТЬЯ И ОБСАДНЫХ КОЛОНН

СТО Газпром РД 2.1,142,2005

Издание официальное

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО “ГАЗПРОМ”

Общество с ограниченной ответственностью “ТюменНИИгипрогаз” (OOO “ТюменНИИгипрогаз”)

Общество с ограниченной ответственностью “Информационно,рекламный центр газовой промышленности” (ООО “ИРЦ Газпром”)

Москва 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

РАЗРАБОТАН

СОГЛАСОВАН

ВНЕСЕН

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ

Обществом с ограниченной ответственностью “ТюменНИИгипрогаз”

Управлением по бурению газовых и газоконденсатных скважин ОАО “Газпром”, Управлением промысловой геологии и разработки месторождений, Управлением по добыче газа, газового конденсата, нефти

Управлением по бурению газовых и газоконденсатных скважин ОАО “Газпром”, Департаментом по добыче газа, газового конденсата, нефти

Распоряжением Заместителя Председателя Правления ОАО “Газпром” А.Г. Ананенковым от 16 декабря 2004 г.

№ 391 с 25 марта 2005 г.

Настоящий нормативный документ не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения ОАО “Газпром”

 ОАО “Газпром”, 2005

 Разработка ООО “ТюменНИИгипрогаз”, 2004

СОДЕРЖАНИЕ

Введение IV

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ 1
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ПРОТАИВАНИЯ

И МЕХАНИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ НЕПОДКРЕПЛЕННОГО

СТВОЛА СКВАЖИНЫ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ 1
1. Формирование радиуса протаивания вокруг скважины 1
2. Расчет нагружения и механической устойчивости неподкрепленного
  
  ствола скважины при протаивании многолетнемерзлых пород 2
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ЛЬДООБРАЗОВАНИЯ

В ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ В СИСТЕМЕ СКВАЖИНА–ПОРОДА 4
1. Расчет влияния термодинамических и механических параметров
  
  льдообразования на развиваемые давления 5
2. Расчет максимальных давлений обратного замерзания 8
МЕТОДИКА РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ МЕРЗЛЫХ ПОРОД

ПРИУСТЬЕВОЙ ЗОНЫ СКВАЖИН 10
1. Критерий устойчивости пород приустьевой зоны 11
2. Способ определения формы границы области протаивания

и минимального удельного сцепления мерзлых пород, обеспечивающих

выполнение критерия устойчивости 12

Приложение А Инструкция к программе STAB.EXE для расчета протаивания, обратного промерзания и механической устойчивости

неподкрепленного и подкрепленного ствола скважины 15

Приложение Б Инструкция к программе LZO.EXE для расчета параметров льдообразования в замкнутых объемах, содержащих полости

с замерзающей водосодержащей массой 21

Библиография 26

ВВЕДЕНИЕ

При строительстве и эксплуатации газодобывающих скважин в северных районах имеет место ряд осложнений, обусловленных процессами протаивания и обратного промерзания пород, изначально находящихся в мерзлом состоянии. Число таких осложнений довольно многообразно, а прогнозу их развития и расчету параметров посвящено значительное число работ. В данной Методике выделены три типа осложнений, которые характерны для осадочных мерзлых пород большой мощности (порядка десятков и сотен метров) севера Тюменской области. К ним относятся: повышенное кавернообразование при проводке скважин в интервале залегания многолетнемерзлых пород; смятие колонн давлением обратного промерзания при замерзании водосодержащих масс в межколонном и заколонном пространствах; потеря под действием веса ремонтного оборудования несущей способности мерзлого основания, перекрывающего талую зону в приустьевой зоне скважин. Понимание природы этих осложнений и применение методик расчета их параметров позволят совершенствовать технологию проводки скважин, повысить надежность их конструкций, а также конструкций оснований под наземное газопромысловое оборудование.

Работу выполнили сотрудники

ООО “ТюменНИИгипрогаз” Я.Б. Горелик – зав. отделом;

А.В. Тюрин – зав. лабораторией;

Ю.С. Сысоев – и.о. младшего научного сотрудника; Е.А. Чепикова – инженер;

ИПОС СО РАН М.М. Дубина – доктор техн. наук, отв. исполнитель; Д.К. Тесленко – канд. физ.-мат. наук;

О.В. Ашихмин – аспирант; О.О. Паньков – аспирант.

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО “ГАЗПРОМ” СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

МЕТОДИКА

РАСЧЕТА ДОПУСТИМЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИЙ СКВАЖИН, ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА

ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ И ЦЕЛОСТНОСТИ УСТЬЯ И ОБСАДНЫХ КОЛОНН

Дата введения – 2005-03-25

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящая Методика разработана с целью повышения надежности добывающих скважин при их проектировании, строительстве и эксплуатации в районах распространения многолетнемерзлых пород (ММП) путем учета в проектных расчетах воздействия на колонны давления обратного промерзания, обоснованного выделения опасного с точки зрения кавернообразования интервала глубин в массиве многолетнемерзлых пород, определения несущей способности мерзлых пород в приустьевой зоне скважин и применения способов ее регулирования.

Изложенные в Методике способы расчета предназначены для организаций, осуществляющих проектирование, строительство и эксплуатацию добывающих скважин в районах распространения многолетнемерзлых пород Тюменской области.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ПРОТАИВАНИЯ И МЕХАНИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ НЕПОДКРЕПЛЕННОГО СТВОЛА СКВАЖИНЫ

В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ
1. Формирование радиуса протаивания вокруг скважины
  
  Радиус протаивания вокруг действующей в течение заданного периода времени скважины является исходным параметром для решения задач о кавернообразовании в окружающих скважину породах, определении давления на колонны при обратном промерзании и расчете несущей способности мерзлого свода в приустьевой зоне. В данной Методике его динамика описывается на основании решения задачи Стефана в осесимметричной постановке. В качестве граничного условия на внешней стенке скважины принято условие третьего рода
  
  Издание официальное
  
  с постоянной вдоль ствола температурой газа внутри насосно-компрессорной трубы (НКТ) и заданным коэффициентом теплоотдачи к ее внешней стенке. Наличие внутри ствола слоев различной теплопроводности учитывается введением эффективного коэффициента теплопередачи от газа к породам на контакте с внешней стенкой. Вторым граничным условием является заданная постоянная температура мерзлых пород на бесконечном удалении от скважины. Начальное распределение температуры в породах принято постоянным и совпадающим с температурой на бесконечности. Теплоотвод в мерзлой зоне учитывается введением радиуса теплового влияния. Разрез предполагается однородным по своим характеристикам. Влияние поверхности массива пород не учитывается. Решение данной задачи получено методом интегрального баланса [1, 2, 17]. С целью удобства выполнения расчетов для различных конструкций скважин и характеристик пород на этой основе разработана специальная программа STAB.EXE с оконным интерфейсом (Приложение А). Соответствующая процедура расчета радиуса протаивания вокруг скважины сводится к использованию программы STAB.EXE по прилагаемой инструкции пользователя, изложенной в Приложении А. Электронный вариант программы STAB.EXE находится в ООО “ИРЦ Газпром”.
2. Расчет нагружения и механической устойчивости неподкрепленного ствола скважины при протаивании многолетнемерзлых пород

Пусть вокруг ствола скважины радиуса a (м) в мерзлых породах образовалась область разупрочненных растеплением или оттаиванием пород радиусом S (м), который больше радиуса скважины (S>a). Воздействие горного давления g h и гидростатического столба в стволе

gph (где gf и gp – удельный вес мерзлого грунта и промывочной жидкости соответственно, Н/м3) приводит к росту концентрации напряжений в приствольной области с ростом глубины

h (м). На некоторой глубине ha концентрация напряжений в разупрочненной зоне достигнет величины, при которой стенки скважины перейдут в предельное состояние, после чего де-

формации породы станут необратимыми, а напряжения будут удовлетворять условию пластичности. С увеличением глубины (hha) при постоянной величине зоны разупрочнения

(S=const) радиус области пластического деформирования пород Rp (м) возрастет от величины

R =a при h=h

до значения R =S на некоторой глубине h=h

, а с глубины h=h

область плас-

p a p

sm sf

тического деформирования начинает распространяться в зону мерзлой неразупрочненной породы.

С точки зрения устойчивости стенок скважины переход пород в состояние предельного равновесия опасен, поскольку удовлетворяющие этому условию породы могут потерять свою несущую способность и в наиболее неблагоприятном случае обрушиться в стволе скважины.

Параметр h=h

можно трактовать как глубину начала кавернообразования, а h=h –

как глубину потери несущей способности пород всей разупрочненной оттаиванием зоны. Контур R (h), который определяет радиус пластической зоны на заданной глубине h, при та-

ком подходе совпадает с радиусом каверн Rk на этой глубине.

Расчет величин h , h , h

, R (h) производится путем решения осесимметричной задачи

a sf sm k

деформационной теории пластичности для рассматриваемого массива пород [2, 17]. Для выполнения вычислений по данному пункту служит программа STAB.EXE. Кроме того, первые три величины могут быть вычислены по следующим формулам:

где: Nm и Nf – параметры уравнения огибающей кругов Мора; Сm, Сf – удельное сцепление талых и мерзлых пород, Н/м2; E , E – модули упругости талых и мерзлых пород, Н/м2.

m f

Величины Nm и Nf определяются выражениями:

где m, f – угол внутреннего трения талых и мерзлых пород, радиан.

(2.4)

(2.5)

ПРИМЕР. Рассчитать глубину начала кавернообразования h , глубину полного исчерпания

несущей способности оттаявших пород hsm и зависимость радиуса каверн Rk от глубины для скважины с радиусом внешнего цементного кольца a=0,2 м в моменты времени, соответствующие

значению радиуса протаивания S=3a и S=5a. Для характеристик пород принять следующие исходные данные:

m= f = 0; Em = 510 Ef /Em=3 и Ef /Em=6.

Н/м2

при двух значениях отношения

РЕШЕНИЕ. Расчеты проводим с помощью программы STAB.EXE, которая выводит результаты вычислений по указанным вариантам в графическом виде (рис. 2.1). Результаты представлены в безразмерных коор-

динатах R /a и h

= h(g g )/(2C ).

k K f P m

f

Соответствующим пересчетом можно найти конкретные размерные величины рассчитываемых параметров. Например, в глинистых породах при S >> a (полное оттаивание ММП вокруг скважины), при E = 12,4 ·10 9 Н/м2,

9 2 4 3 4 3

Em = 10,2 ·10

Н/м , gf=2,34·10

Н/м , gP =1,12·10

Н/м

a

C

m

= 3 ·10 5 Н/ м2 из (1) находим h

= 24 м, а для “сухой”

Рис. 2.1. Кривые распределения

скважины (gP =0) получаем ha=12,56 м. Если оттаивание

радиусов каверн по глубине для различных вариантов исходных

частичное, то, например, при S = 0,4 м находим соот-

данных: I – S/а=5, Е /Е

= 3;

ветственно ha = 25,3 м , а для “сухой” скважины (gP =0)

II – S/а=3, Е /Е III – S/а=3, Е /Е

= 3;

= 6

f m

a

получаем h =62,5 м.

Из графиков рис. 1 следует, что ha и hsm растут с

a

ростом модулей упругости пород, а h

убывает с ростом радиуса протаивания S.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ЛЬДООБРАЗОВАНИЯ В ЗАМКНУТЫХ ОБЪЕМАХ В СИСТЕМЕ СКВАЖИНА – ПОРОДА

При плановой или вынужденной остановке эксплуатационных скважин через определенное время начинается процесс обратного промерзания оттаявших пород, который может сопровождаться замерзанием замкнутых объемов водосодержащих масс в межколонном и заколонном пространствах. При льдообразовании в заколонном пространстве замерзает талая масса в кавернах, льдообразование в межколонном пространстве протекает в зазорах между обсадными колоннами. Льдообразование в замкнутых объемах (ЛЗО) имеет своим следствием возникновение повышенных давлений, что может привести к разрушению обсадных колонн.

Процесс ЛЗО описан для различных случаев механического и термодинамического поведения пород, обсадных колонн и замерзающей массы [1-3, 9]. Рассмотрена развертка во времени и влияние фазового равновесия на фронте замерзания для упругой, упругопласти-

ческой и реологической моделей поведения пород. Доказано, что межколонное ЛЗО опаснее заколонного как по величине давлений, так и по месту их проявления. Показано, что давле-

ния ЛЗО имеют максимум Р

М

, слагаемый как термодинамическими причинами, так и меха-

ническим поведением пород и обсадных колонн. В заколонном ЛЗО максимум обусловлен возможностью пород механически воспринимать давления ЛЗО и его величина ограничена,

ГРП

во-первых, давлениями гидроразрыва мерзлых пород Р

и, во-вторых, максимально возмож-

ным давлением РММ пластического сопротивления пород росту давлений в полости. В межколонном ЛЗО давления ограничены термодинамическими причинами и могут достигать рав-

новесных по фазовой диаграмме значений Р

, рассчитываемых согласно уравнению Клапей-

МТ

рона–Клаузиуса или по его аппроксимации квадратичной функцией Бриджмена–Таммана. В общем случае для заколонного льдообразования максимально возможные давле-

ния ЛЗО Р

находятся как минимальное значение среди описанных величин Р , Р и Р .

М

Для расчетов величины РГРП используется формула Губерта–Виллиса:

ГРП МТ ММ

– удельный вес поровой воды, Н/м3; ВР – предел прочности мерзлых пород на растяже-

ние; f – коэффициент Пуассона мерзлых пород.
1. Расчет влияния термодинамических и механических параметров льдообразования на развиваемые давления
  
  В настоящем подразделе приводится способ расчета движения фазовой границы, динамики давлений и температуры фазового перехода при замерзании замкнутых объемов с учетом влияния растворенных в водосодержащей массе примесей и пластического поведения окружающих пород. Обоснование соответствующей математической модели приведено в [2, 3], где показана хорошая сходимость расчетных величин с результатами лабораторных экспериментов. Это дает основание рекомендовать предлагаемую Методику в практических расчетах. Расчетная схема для определения межколонных и заколонных давлений ЛЗО в данном способе расчета приводится для центральной и осевой симметрии расчетной области. Для скважин главным образом применяется осесимметричная постановка задачи. Центрально симметричная постановка применяется для задачи ЛЗО в полостях заколонного пространства с размерами одного порядка по трем направлениям пространственных координат, которые выделены в разрезе по результатам специальных исследований. Полость может быть ограничена упругопластическими мерзлыми породами или упругими оболочками (колоннами). На внеш-
  
  0
  
  ней для замерзающей массы границе с радиусом S
  
  устанавливается отрицательная температу-
  
  ра Tм мерзлых пород, которая ниже температуры начала их замерзания Тф0, что приводит к
  
  движению фронта замерзания S к центру симметрии и росту напряжений в массе и ограничивающих ее материалах за счет скачка плотности при замерзании на фронте фазового перехода. Мерой скачка плотности является безразмерный коэффициент объемной деформации
  
  ф0 = 1 – 2 /1, где 2 и 1 – плотность мерзлого и талого состояний замерзающей водосодержащей массы, кг/м3. Начальная концентрация растворенной в водосодержащей массе приме-
  
  си равна С0. Фронт фазового перехода частично отталкивает эту примесь в талую зону массы с коэффициентом перераспределения kc. В процессе такого вытеснения в талой зоне растут дав-
  
  1
  
  ление P и концентрация примеси С , что приводит к понижению температуры фазового перехода. В некоторый момент времени температура фазового перехода станет равной внешней температуре, и процесс замерзания прекращается при соответствующих равновесных значениях координат фронта замерзания и концентрации примеси. В Методике полагается, что вытесняемая примесь имеет однородное распределение по талой зоне при общем выполнении для нее закона сохранения массы.
  
  Механическое поведение замерзшей массы описывается упругой моделью для межколонного замерзания и упругопластической для заколонного. Соответствующие уравнения механики включают уравнение равновесия, закон Гука, условия совместности деформаций и соотношения Коши, условие пластичности, а также граничные условия непрерывности компонент напряженно-деформированного состояния на границах раздела свойств среды и материалов конструкции скважины [2, 3]. Распределение напряжений в талой зоне предполагается гидростатическим.
  
  Решение совокупности этих уравнений представлено в виде явного выражения P(S) связи давления в талой фазе P от координаты фронта замерзания S. В этом выражении также фигурируют механические характеристики мерзлой и талой масс, толщина и модуль упругости металла обсадных колонн для случая межколонного замерзания. Для задачи межколонного замерзания имеется лишь одно выражение связи P(S). При решении задачи о заколонном замерзании для P(S) имеется три вида связи соответственно трем стадиям развития пластических деформаций. Радиус пластичности впервые возникает на контуре скважины, затем с ростом давления Р проходит через талую и мерзлую фазы замерзающей массы и затем распространяется в область окружающих ММП.
  
  Согласно [2, 3] в случаях осевой и центральной симметрии рост давлений ЛЗО во времени можно рассчитать, решая систему двух обыкновенных дифференциальных уравнений в безразмерном виде. Первое из них имеет вид:
  
  (3.2)
  
  где
  
  t0 – время, отсчитываемое от момента остановки скважины, сек.; Тф0 и Тф – начальная и текущая температура фазового перехода (в градусах по шкале Кельвина); l = 3,34·105 Дж/кг –
  
  скрытая теплота фазового перехода; Tм – температура мерзлых пород (в градусах по шкале Кельвина); S0 – радиус внешней для замерзающей массы границы, м; S – координата фронта замерзания, м; 2 = 2,21 Вт/(м·град) – коэффициент теплопроводности замерзающей массы в мерзлом состоянии. Первая строка в (3.2) относится к случаю осевой симметрии области (со-
  
  ответственно  = 1) , а вторая – для центральной симметрии (соответственно  = 2).
  
  Второе уравнение имеет вид:
  
  0
  
  и P – начальное и текущее давление в замерзающей водосодержащей массе, Н/м2;
  
  R = 8320 Дж/(К·моль) – универсальная газовая постоянная; М = p /Мp (для воды как растворителя в замерзающей массе примеси М = 0,018 кг/моль); C0 и С1 – начальная и текущая мо-
  
  c
  
  лярная концентрация растворенной примеси; k
  - безразмерный коэффициент перераспреде-
    
    c
    
    ления примеси на фронте фазового перехода (в расчетах принимается k
    
    = 0,01); Р=Р(S) –
    
    заданная для каждой конкретной задачи и стадии процесса связь между давлением и положением фронта промерзания;  = 1 относится к случаю осевой симметрии области,  = 2 – соответственно к центральной симметрии.
    
    Методика расчета поведения во времени радиуса замерзания, давления в жидкой фазе замерзающей водосодержащей массы на обсадные колонны, концентрации раствора примеси сводится к использованию прилагаемой программы LZO.EXE по прилагаемой инструкции пользователя (Приложение Б). Электронный вариант программы LZO.EXE находится
    
    в ООО “ИРЦ Газпром”. Значения термомеханических характеристик определяются по справочной и научно-методической литературе (например, [1-9, 15-17]) или по результатам лабораторных исследований.
2. Расчет максимальных давлений обратного замерзания

Заколонные давления, развиваемые в процессе обратного промерзания, ограничены

не только термодинамическим уровнем РМТ давлений фазового равновесия льдообразования, но и максимально возможными величинами РММ, обусловленными проявлением пластических свойств окружающих пород. В соответствии с результатами работ [2,3] формулы для рас-

чета значений РММ имеют следующий вид:

где модуль сдвига  – предел пластичности мерзлых пород, Н/м2;  =g h – горное давление. Остальные обозначения соответствуют введенным ранее.

При определении величины s допустимо использовать известный факт, что его зна-

чение лежит в интервале от МГ /2 до МГ /4 , где МГ – мгновенная прочность мерзлой породы на сжатие.

Формулы (3.4) и (3.5) описывают цилиндрический и сферический случай формирования ЛЗО и получены для условия текучести Мизеса. Расчет по ним наиболее прост и пригоден для предварительных оценок, поскольку дает завышенное значение расчетных величин. Формула (3.6) описывает цилиндрический случай при условии текучести Кулона–Мора и наиболее приемлема для практических целей.

В реальных условиях достижение давлением величины РМТ возможно только для межколонного замерзания водосодержащих масс, что подтверждается анализом промыслового

МТ

материала [2, 4-7, 15-17]. Для расчета величины Р

уравнение Бриджмена–Таммана, приведенное в [9]:

в этом случае необходимо использовать

, (3.7)

где tf – температура мерзлых пород в ненарушенном состоянии.

СТО Газпром РД 2.1-142-2005

Таблица 3.1 – Результаты расчета РММ

Методика расчета максимальных давлений обратного замерзания на обсадные колон-

ны РМТ и РММ сводится к использованию приведенных в данном подразделе формул. Значения

термомеханических характеристик определяются по справочной и научно-методической литературе [1-17] или по результатам лабораторных исследований.

ПРИМЕР. Рассчитать значение РММ для осесимметричного случая заколонного обратного замерзания при =0 и величину РМТ для различной температуры мерзлых пород и спектра значений упругих и прочностных показателей, соответствующих различию в их составе. Принять значе-

ние коэффициента Пуассона f=0,5, дающее максимальную величину РММ .

ММ

РЕШЕНИЕ. Значение Р

МТ

определяем по формуле (3.4), а Р

для тех же условий – по

формуле (3.7). Исходные данные и результаты расчета представлены в табл. 3.1.

Представленные в табл. 3.1 величины РММ значительно ниже рассчитанных по фазовой

МТ

диаграмме Р

. Однако во многих случаях они достаточны для смятия обсадных колонн большого

диаметра в низкотемпературных породах. Например, согласно [18] кондуктор диаметром 324 мм из стали марки С с толщиной стенки 9 мм имеет давление смятия 4,32·106 Н/м2 . Согласно табл. 3.1 он будет смят во всех рассмотренных песках. Но этот же кондуктор из стали марки Е при толщине стенки 12 мм может выдержать внешнее давление 1,13·107 Н/м2 и может быть смят в этих же песках, но при температуре ММП ниже –3,9 oС.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА УСТОЙЧИВОСТИ МЕРЗЛЫХ ПОРОД ПРИУСТЬЕВОЙ ЗОНЫ СКВАЖИН

Надежность эксплуатации газодобывающих скважин в зоне распространения ММП обеспечивается в том числе и устойчивостью мерзлого основания при действии нагрузок от приустьевого и ремонтного оборудования. Это основание имеет форму свода, перекрывающего область протаивания. Геометрические параметры свода определяются конкурирующим влиянием температуры внешней стенки скважины и отрицательной среднегодовой температуры поверхности массива пород. Несущая способность мерзлого свода существенно зависит от его толщины в непосредственной близости от устья скважины и прочностных характеристик мерзлых пород, зависящих от температуры. Наиболее неблагоприятным сочетанием для несущей способности мерзлого свода является высокая температура добываемого флюида и наличие сильнольдистых, просадочных при оттаивании пород по разрезу мерзлой толщи. Возможность такого сочетания становится неизбежной при вводе в разработку все более глубо-

ких продуктивных горизонтов (когда пластовая температура возрастает от 16 до 100 oС от сеноманских залежей к неоком-юрским) и освоении все более северных месторождений, в первую очередь Ямальской группы. Усиление несущей способности мерзлого свода может быть выполнено различными методами. К числу основных могут быть отнесены: применение теплоизолированных НКТ, холодных направлений либо охлаждение пород приустьевой зоны с помощью сезонно действующих охлаждающих устройств. При этом в любом случае должен быть выполнен расчет мерзлого свода по несущей способности при действии заданных нагрузок.

В настоящей Методике рассматривается способ обеспечения устойчивости мерзлого свода с применением сезонно действующих охлаждающих устройств. Он отличается тем, что позволяет усилить прочностные свойства мерзлых пород соответствующим подбором параметров всей охлаждающей системы и понижением их температуры до необходимого уровня в годичном цикле охлаждения.
1. Критерий устойчивости пород приустьевой зоны
  
  Приустьевая зона скважины принята устойчивой при следующих условиях [17]:
  В качестве критерия устойчивости мерзлых пород в приустьевой зоне рассматривается следующая его формулировка:
  
  При заданной несимметричной относительно ствола скважины поверхностной на-
  
  грузке от оборудования РПО мерзлые породы замороженного приповерхностного свода приустьевой зоны скважины будут устойчивы, если сочетание их прочности, толщины свода и
  
  параметров конфигурации талой области вокруг ствола скважины будут таковы, что граница неустойчивого пластического деформирования пород не выйдет за пределы границы оттаявших пород.
2. Способ определения формы границы области протаивания и минимального удельного сцепления мерзлых пород, обеспечивающих выполнение критерия устойчивости
  1. Форма границы области протаивания должна быть назначена с учетом технических и экономических и иных ограничений на применяемые конструкции сезонно действующих охлаждающих устройств. Применяемые в настоящее время вертикальные охлаждающие устройства имеют ограничения по длине подземной части, которая при достаточной холодопроизводительности может достигать 35 м [19]. Выполненные расчеты показывают, что прилегающие к поверхности массива породы могут быть сохранены в мерзлом состоянии на всю глубину погружения охлаждающих устройств в течение всего срока эксплуатации скважины при среднем расстоянии между термоколонками около 3 м [17]. Ниже этого уровня можно с запасом считать, что протаивание пород происходит в точности так, как вокруг не защищенного дополнительными устройствами ствола. Таким образом, в дальнейших расчетах предполагается, что область протаивания в приустьевой зоне ограничена горизонтальной поверхно-
    
    стью на уровне глубины погружения охлаждающих устройств (НСВД) и вертикальной цилинд-
    
    Т
    
    рической поверхностью, отстоящей от оси скважины на расстояние, равное радиусу протаивания вокруг незащищенного ствола (R ). Проектное изменение этой границы может быть осуществлено соответствующим изменением длины подземной части охлаждающих устройств и дополнительной теплоизоляцией ствола.
  2. Выполнение критерия устойчивости мерзлых пород приустьевой зоны (п.4.1) пред-
    
    полагает, что последние должны обладать минимально допустимым значением удельного сцеп-
    
    ления СДОП,MIN. Такое его значение обеспечивает состояние мерзлых пород, когда граница области предельного равновесия не выходит за пределы назначенной границы оттаивания.
    
    Основная задача по данному разделу состоит в том, чтобы при заданных параметрах НСВД и RТ определить значение СДОП,MINисходя из условий механического равновесия мерзлого свода при действии заданных нагрузок.
    
    В силу несимметричного распределения нагрузки на дневной поверхности постановка этой задачи является трехмерной. Уравнения задачи включают уравнения равновесия, условия совместности деформаций, соотношения Коши, определяющие соотношения деформационной теории пластичности, условие пластичности. В эти уравнения входят механические характеристики, определяемые по стандартным методикам при изысканиях, и включают модуль упругости, коэффициент Пуассона, удельное сцепление и угол внутреннего трения мерзлых пород.
    
    Задача теории пластичности в указанной постановке решалась численно с использованием метода конечных элементов. Разбивка области осуществлялась со сгущением вблизи зон концентрации напряжений, которыми являются скважина и место приложения поверхностной нагрузки. Алгоритм построен в форме метода перемещений. Нелинейность деформирования при развитии области пластических деформаций учитывалась методом упругих решений. Методика расчета тестирована на аналитических решениях и показала погрешность вычислений в пределах 2 % при удовлетворительном сочетании разбивки и времени счета.
    
    Для каждого значения радиуса протаивания в диапазоне от RТ = 5,0 4 20 м и глубины
    
    промороженного свода Н
    
    СВД
    
    в диапазоне от 10 до 35 м решением указанной задачи однозначно
    
    определено значение удельного сцепления СДОП,MIN, обеспечивающее необходимую прочность
    
    мерзлого свода. Результаты расчетов сведены в табл. 4.1, которая является главным рабочим инструментом при выполнении расчетов по данному разделу.
    
    Из табл. 4.1 следует, что своего максимального значения 3,25·105 Н/м2 величина С
    
    ДОП,MIN
    
    достигает при RТ = 20 м и НСВД = 10 м. Такое ее значение для дисперсных мерзлых пород достигается уже при температурах порядка минус 1о С, что может быть обеспечено применением
    
    указанных выше мероприятий.
  3. При назначении мероприятий для достижения необходимой температуры мерз-

ДОП,MIN

лых пород, обеспечивающей требуемое значение С

, следует иметь в виду, что в данном

разделе речь идет об усредненной по глубине НСВД максимальной температуре пород в течение

годового цикла (т.е. в конце летнего периода). С этой целью необходимо в каждом конкретном случае применения охлаждающих и иных мероприятий проводить специальные теплотехнические расчеты для обеспечения требуемой температуры основания.

Таблица 4.1 – Результаты вычислительного эксперимента по расчету удельного сцеп-

ления С

ДОП.MIN

(Н/м2) при максимальной величине несимметрично приложенной нагрузки

РПО = 7,85·10

Н от приустьевого оборудования

Приложение А

Инструкция к программе STAB.EXE для расчета протаивания, обратного промерзания и механической устойчивости неподкрепленного и подкрепленного ствола скважины

Для расчета протаивания, обратного промерзания и механической устойчивости неподкрепленного и подкрепленного ствола скважины необходимо запустить программу STAB.EXE. После запуска появляется форма для ввода исходных данных задачи (рис. А1).

Рис. A1. Основная форма для расчета устойчивости ствола скважины

В верхней части формы осуществляется ввод времени расчета и радиуса скважины (рис. A2).

Рис. A2. Ввод времени расчета и радиуса скважины

Остальные данные собраны в три группы.

В первой находятся данные для определения распределения температуры вблизи скважины. Имеется возможность вводить до трех слоев теплоизоляции (рис. A3).

Рис. A3. Ввод данных для расчета температурной задачи

Во второй находятся данные о механических свойствах грунта и удельном весе промывочной жидкости (рис. A4).

Рис. A4. Ввод механических характеристик грунта

В третьей находятся данные о подкреплении. Возможно использование до 4 подкрепляющих колонн. Для отказа от учета подкрепления достаточно переместить отметку с “Есть” на “Нет” в этой группе (рис. A5).

Рис. A5. Ввод характеристик подкрепления скважины

Можно использовать данные любой размерности, например [ккал] или [кДж], но это должно делаться согласованно, для всех полей ввода.

Запуск программы расчета осуществляется нажатием на кнопку “Выполнить расчет” в нижней части основной формы (рис. A6).

Рис. A6. Кнопка для выполнения расчета

Существует возможность просмотра иллюстрации к решаемой задаче. Она будет показана на экране после нажатия кнопки “Показать иллюстрацию” (рис. А7).

Рис. A7. Кнопка для показа иллюстраций

При этом на экране появится форма с расчетной схемой задачи (рис. А8). Распечатка схемы осуществляется нажатием кнопки “Напечатать схему”.

Рис. A8. Расчетная схема данной задачи

После выполнения расчета будет загружена форма “Изображение результатов расчета” (рис. А9). В ней Вы можете, выбрав нужную Вам зависимость, просмотреть ее график. Для этого нажмите кнопку “Предварительный просмотр результатов”. После этого будет загружена программа просмотра графиков, выход из которой осуществляется после нажатия любой клавиши на клавиатуре компьютера.

Для распечатки графиков нажмите кнопку “Просмотр всех графиков и печать”. При этом на экране появится форма с графиками расчетных зависимостей и списком исходных данных (рис. А10). Переключение между графиками осуществляется выбором соответствующего номера в верхнем меню “Графики”. Распечатка производится по команде “File”>”Print..” в верхнем меню. Размер графика на листе регулируется настройками принтера.

Рис. A9. Форма для построения графиков расчета

Рис. A10. Форма для просмотра и печати графиков

При выходе из формы “Изображение результатов расчета” Вы снова попадаете в модуль ввода данных и можете, поменяв данные, повторить расчет.

Выход из программы расчета осуществляется нажатием на кнопку “Выход” либо клавиши “Esc” или “Alt+F4”.

Приложение Б

Инструкция к программе LZO.EXE для расчета параметров льдообразования в замкнутых объемах, содержащих полости с замерзающей водосодержащей массой

Расчет параметров льдообразования в замкнутых объемах, содержащих полости с замерзающей водосодержащей массой, осуществляется при помощи программы LZO.EXE.

После запуска программы Вы попадаете в главное меню задачи обратного промерзания (рис. Б1).

Рис. Б1. Главное меню задачи обратного промерзания

В верхней части формы (рис. Б2) осуществляется выбор типа симметрии, используемого при решении задачи, и количества оболочек, а также ввод времени расчета, давлений на оболочках, начального давления жидкости и охлаждающей температуры в К.

Рис. Б2. Верхняя часть формы для ввода исходных данных

Остальные данные собраны в четыре группы.

В первой находятся данные о свойствах жидкости, заполняющей объем (рис. Б3).

Рис. Б3. Ввод характеристик жидкости, заполняющей объем

Во второй и третьей находятся данные об оболочках (рис. Б4).

Рис. Б4. Данные об оболочках

В четвертой находятся данные о механических свойствах грунта (рис. Б5). Имеется возможность выбора условия начала пластичности: Мизеса и Кулона–Мора.

Рис. Б5. Механические характеристики грунтов

Существует возможность просмотра иллюстрации к решаемой задаче. Она будет показана на экране после нажатия кнопки “Показать иллюстрацию” (рис. Б6).

Рис. Б6. Расчетная схема задачи

Распечатка схемы осуществляется нажатием кнопки “Напечатать схему”.

После выполнения расчета будет загружена форма “Изображение результатов расчета” (рис. Б7). В ней Вы можете, выбрав нужную Вам зависимость, просмотреть ее график. Для этого нажмите кнопку “Нарисовать”. После этого будет загружена программа просмотра графиков, выход из которой осуществляется после нажатия любой клавиши на клавиатуре компьютера. Набор предлагаемых зависимостей меняется от количества оболочек.

Рис. Б7. Форма для графиков результатов расчета

Для распечатки графиков нажмите кнопку “Распечатать итоги расчетов”. При этом на экране появится форма со списком исходных данных и графиками расчетных зависимостей (рис. Б8). Переключение между графиками осуществляется выбором соответствующего номера в верхнем меню “Графики”. Распечатка производится по команде “File”>”Print..” в верхнем меню. Размер графика на листе регулируется настройками принтера.

Рис. Б8. Форма для просмотра и печати графиков

БИБЛИОГРАФИЯ

Дубина М.М., Красовицкий Б.А., Лозовский А.С., Попов Ф.С. Тепловое и механическое взаимодействие инженерных сооружений с мерзлыми грунтами. – Новосибирск: Наука, 1977. – 144 с.
Дубина М.М., Красовицкий Б.А. Теплообмен и механика взаимодействия трубопроводов и скважин с грунтами // Новосбирск: Наука, 1987. – 136 с.
Дубина М.М., Черняков Ю.А. Моделирование и расчет термопластического состояния мерзлых пород.: Новосибирск: Наука, 1991. – 140 с.
Инструкция по креплению эксплуатационных и наблюдательных скважин на месторождениях ВПО Тюменгазпром. РД 9510-46-84. – Тюмень: ТюменНИИгазпром, 1984. – 124 с. 5 Методические рекомендации на технологический процесс строительства скважин в районах распространения многолетнемерзлых пород для эксплуатации месторождений с применением тепловых методов воздействия на продуктивные пласты. РД-39-0148070-6.007-86.

Тюмень: СибНИИНП, 1986. – 200 с.

Методическое руководство по прогнозированию теплового и механического взаимодействия скважин с мерзлыми породами. – М.: ВНИИГАЗ, 1987. – 96 с.
Методические указания по прогнозированию осложнений при эксплуатации скважин в многолетнемерзлых породах. – М.: ВНИИГАЗ, 1982. – 80 с.
Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах. Л.: Стройиздат, 1977. – 400 с. 9 Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. – М.: Высш. шк., 1973. – 448 с.

Разработка схем размещения термометрических и “охлаждающих” скважин; спецификации оборудования; программы мониторинга систем “объект – мерзлые грунты”. Выполнение теплотехнических расчетов и обоснование оптимальных характеристик и конструкций систем охлаждения. – НТО ИПОС СО РАН по х/договору с ООО “ТюменНИИГипрогаз” (науч. рук. Дубина М.М.). – Тюмень, 2004. – 183 с.
Дубина М.М., Коновалов В.В., Цибульский В.Р., Черняков Ю.А.Инженерно-геологический мониторинг промыслов Ямала. Ч. 1. Моделирование термомеханического взаимодействия сооружений с грунтами. – Новосибирск: Наука, 1997. – 153 с.
Смолов Г.К., Попов А.П., Осокин А.Б. и др. / Проблемы устойчивости добывающих скважин месторождений полуострова Ямал // М.: ООО “ИРЦ Газпром”, 1997. – 159 с.
Осокин А.Б., Попов А.П., Смолов Г.К. / Надымгазпром: геотехмониторинг в криолитозоне / М.: ООО “ИРЦ Газпром”, 2001, – 148 с.
Патент РФ № 2209934 кл.7 Е 21 В 36/00 Способ стабилизации системы скважина – породы в криолитозоне / Дубина М.М., Попов А.П., Штоль В.Ф. заявл. 15.07.02., опубл. 10.08.03., бюл. № 22, патентообладатель коллектив авторов.
Методика учета геокриологических условий при выборе конструкций эксплуатационных скважин. М.: ООО “ВНИИГАЗ”, 2002. – 48 с. ( Отв. Исп. Полозков А.В.)
Регламент по креплению приустьевой части скважин в интервале мерзлых пород с высокой льдистостью. – Тюмень: ООО ТюменНИИГипрогаз, 2003. – 48 с.
Разработка методов расчета конструкций скважин с учетом оттаивания вмещающих пород и определение термомеханических критериев безопасной эксплуатации скважин в ММП. – НТО по хоздоговору ИПОС СО РАН с ООО “ТюменНИИГипрогаз” (Науч. рук. Дубина М.М.), Тюмень, 2004. – 130 с.
Сароян А.Е. Трубы нефтяного сортамента. Справочное руководство. – М.: Недра, 1976. – 507 с.
Долгих Г.М., Кинцлер Ю.О., Окунев С.Н. Практический опыт строительства оснований зданий и сооружений в условиях ВМГ. – Тюмень: “Фундаментстройаркос”, 2002. – 155 с.

СТО Газпром РД 2.1-142-2005

Корректор В.М. Осканян

Компьютерная верстка А.И. Шалобановой

ИД № 01886. Подписано в печать 06.06.2005 г. Формат 60x84/8. Гарнитура Ньютон С. Тираж 50 экз. Усл. печ. 3,72 л. Уч.-изд. л. 3,2. Заказ 72.

ООО “ИРЦ Газпром” 117630, Москва, ул. Обручева, д. 27, корп. 2. Тел.: (095)719-64-75, 719-31-17.

Отпечатано в ЗАО “Издательский Дом Полиграфия”