СТО Газпром 15-2005

  Главная      Учебники Газпром     

 поиск по сайту

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  ..

 

 

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГАЗПРОМ"


 


 

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ


 

СИСТЕМА СТАНДАРТИЗАЦИИ ОАО "ГАЗПРОМ"


 

МЕТОДИКА ПРОГНОЗА ПАРАМЕТРОВ ОБЛАСТИ ПРОТАИВАНИЯ И ЗОНЫ ПРОСАДОК ПОРОД В ПРИУСТЬЕВОЙ ЗОНЕ ДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН


 

СТО Газпром 15-2005


 

Издание официальное


 


 

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГАЗПРОМ"


 

Общество с ограниченной ответственностью "ТюменНИИгипрогаз"


 

Общество с ограниченной ответственностью "Информационно-рекламный центр газовой промышленности"


 

Москва 2005

Предисловие


 

  1. РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "ТюменНИИгипрогаз"


     

  2. ВНЕСЕН Департаментом стратегического развития ОАО "Газпром"


     

  3. УТВЕРЖДЕН Распоряжением ОАО "Газпром" от 21 ноября 2005 г. № 353 И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ c 1 января 2006 г.


     

  4. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ


 

 ОАО "Газпром", 2005

 Разработка ООО "ТюменНИИгипрогаз", 2005

 Оформление ООО "ИРЦ Газпром", 2005


 

Распространение настоящего стандарта осуществляется в соответствии с действующим законодательством и с соблюдением правил, установленных ОАО "Газпром"

СОДЕРЖАНИЕ

Введение IV

  1. Область применения 1

  2. Расчет параметров области протаивания вокруг отдельной скважины 1

  3. Расчет параметров области протаивания вокруг скважины в кусте 6

  4. Расчет поровых давлений и осадок оттаявших пород

    вокруг скважины 9

  5. Расчет дополнительных нагрузок на крепь за счет оттаивания пород 11

    Приложение А (обязательное) Инструкция к программе FROST для расчета радиуса протаивания пород

    вокруг отдельной скважины 14

    Приложение Б (обязательное) Инструкция к программе КУСТ для расчета параметров области протаивания пород

    вокруг скважины в кусте 16

    Приложение В (обязательное) Инструкция к программе КОНСОЛИДАЦИЯ для расчета поровых давлений и осадок оттаявших пород

    вокруг скважины 18

    Приложение Г (обязательное) Инструкция к программе НАГРУЗКА для расчета дополнительных нагрузок на крепь

    за счет оттаивания пород 20

    Приложение Д (справочное) Примеры выполнения расчетов 22

    Библиография 28

    ВВЕДЕНИЕ


     

    Строительство и эксплуатация газодобывающих скважин в районах северных месторождений могут приводить к осложнениям, связанным с тепловым воздействием скважин на высокольдистые мерзлые породы, их протаиванием и просадками. Осложнения могут быть вызваны исчезновением боковой опоры для крепи скважины в некотором интервале глубин и вследствие этого – потерей ее продольной устойчивости под действием вертикальных нагрузок. В оттаивающих мерзлых породах эти нагрузки возрастают вследствие зависания части грунтовой массы на внешней колонне скважины.

    Тепловые воздействия на вмещающие мерзлые породы существенно возрастают при кустовом способе разработки месторождений вследствие взаимного теплового влияния скважин. При слиянии таликов от соседних скважин в кусте может возникнуть опасность потери несущей способности мерзлого основания, перекрывающего талую зону в приустьевой зоне, под действием веса ремонтного оборудования. При проектировании конструкций газодобывающих скважин в многолетнемерзлых породах, обеспечения их надежности при эксплуатации необходимо учитывать возможность этих осложнений.

    Излагаемые в настоящем стандарте методы расчета имеют следующие отличительные особенности: тепловое воздействие на мерзлые породы учитывается через влияние отрицательной среднегодовой температуры поверхности массива пород и взаимное тепловое влияние скважин в кусте; механическое взаимодействие учитывается путем определения консолидационной составляющей осадок пород и вычисления дополнительных вертикальных нагрузок на крепь при зависании оттаявшей грунтовой массы на внешней колонне.

    Для выполнения расчетов разработаны специальные программы с графическим выводом результатов, которые позволяют оперативно моделировать изменение состояния пород и оценивать дополнительные нагрузки на крепь в зависимости от физико-механических свойств вмещающих отложений и интенсивности тепловыделений от скважин. Для научных подразделений проектных и газодобывающих предприятий эти программы будут являться инструментом для прогноза состояния действующих скважин и вмещающих пород с учетом данных мониторинговых наблюдений. Для организаций, осуществляющих проектирование разработки месторождений, настоящий стандарт создает возможности для количественного анализа эффективности различных конструктивных решений, обеспечивающих эксплуатационную надежность скважин в криолитозоне, а также позволяет сопоставлять различные варианты размещения кустовых площадок в пределах месторождений с целью минимизации затрат на их разработку.

    Работу выполнили сотрудники:

    от ООО “ТюменНИИгипрогаз”:

    Горелик Я.Б. – д-р геол.-минер. наук, заведующий отделом геотехнического мониторинга в криолитозоне,

    Чупрунов М.В. – старший научный сотрудник, Тюрин А.В. – зав. лабораторией крепления скважин, Сысоев Ю.С. – младший научный сотрудник, Чепикова Е.А. – инженер;

    от ИКЗ СО РАН:

    Колунин В.С. – канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник, Решетников А.К. – канд. геол.-минер. наук, старший научный сотрудник.

    СТАНДАРТ ОТКРЫТОГО АКЦИОНЕРНОГО ОБЩЕСТВА "ГАЗПРОМ"


     

    image


     

    МЕТОДИКА ПРОГНОЗА ПАРАМЕТРОВ ОБЛАСТИ ПРОТАИВАНИЯ И ЗОНЫ ПРОСАДОК ПОРОД В ПРИУСТЬЕВОЙ ЗОНЕ

    ДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН


     

    image

    Дата введения — 2006-01-01


     

    1 Область применения


     

    Настоящий стандарт разработан с целью создания адекватных методов прогноза теплового и механического взаимодействия газодобывающих скважин с мерзлыми породами. Данная цель достигается путем учета в предлагаемых расчетных методах:

    • взаимного теплового влияния скважин на параметры области протаивания при кустовом способе разработки месторождений;

    • величины осадки оттаивающих пород и распределения порового давления при их консолидации во времени;

    • дополнительной вертикальной нагрузки на крепь при зависании оттаявших пород на внешней колонне.

Содержащиеся в стандарте методы расчета могут быть использованы для моделирования теплового и механического состояния пород в зоне влияния скважин с целью оптимального размещения кустовых площадок и оценки инвестиций в разработку месторождений.

Настоящий стандарт предназначен для научных подразделений организаций, осуществляющих исследование, наблюдение и прогнозирование состояния действующих скважин и вмещающих пород в районах распространения многолетнемерзлых пород северных месторождений газа, газоконденсата и нефти.


 

  1. Расчет параметров области протаивания вокруг отдельной скважины


     

    1. Расчет параметров области протаивания вокруг скважин при их длительной эксплуатации производится с целью выполнения общей оценки изменения теплового и механического состояния пород в околоствольном пространстве, определения геометрических характеристик мерзлой и талой частей массива в приустьевой зоне для оценки несущей способности


       

      image

      Издание официальное

      основания под наземное оборудование, а также для оценки объема просадки оттаявших пород. Данный расчет, кроме того, является основой при вычислении времени обратного промерзания при временной остановке скважин.

    2. Вычисление параметров области протаивания может быть выполнено как путем численного интегрирования точных уравнений теплообмена в околоствольном пространстве, так и с помощью приближенных методов решения задачи Стефана в осесимметричной постановке. При численном интегрировании может быть достигнута высокая точность вычислений, однако при этом возникает проблема выбора размеров расчетной области и корректного задания граничного условия на ее нижней границе. Как правило, на этой границе задается нулевое значение теплового потока, что эквивалентно исключению влияния части ствола скважины, лежащей ниже расчетной области, на тепловые процессы внутри нее. Погрешность расчетов, обусловленная игнорированием этого влияния, нарастает с увеличением расчетного времени. Например, при идеальной теплоизоляции верхней части ствола такой расчет дает невозмущенное температурное поле в массиве напротив теплоизолированного участка. В действительности же влияние нижнего участка ствола таково, что в этой части массива будет происходить повышение температуры и его частичное протаивание. Корректное задание граничного условия на нижней границе требует рассмотрения в данной задаче влияния вертикальной составляющей теплового потока. Оно может быть выполнено лишь на основании специального исследования, которое по существу эквивалентно получению точных аналитических решений в задаче о распределении температурного поля вблизи ствола. Такие исследования в части корректного задания граничного условия на нижней границе расчетной области в настоящее время отсутствуют. Кроме того, недостаточная точность в исходных параметрах задачи не позволяет говорить о высокой точности прогноза параметров области протаивания, выполненного на основе численного интегрирования уравнений.

      Приближенные методы отличаются относительной простотой, позволяют корректно учесть всю совокупность граничных условий и влияющих факторов и не связаны с проблемой выбора размеров расчетной области. Их точность проверена сопоставлением с известными точными решениями целого ряда задач и вполне соответствует точности определения исходных параметров. Эти методы детально обоснованы [1] и составляют основу нормативных документов на проектирование инженерных объектов в зоне распространения многолетнемерзлых пород [2]. Эксплуатационные скважины не фигурируют в списке этих объектов. Однако эти методы позволяют вычислить параметры области протаивания в ряде сложных случаев сгруппированных источников тепла с учетом их взаимного теплового влияния, в частности, для скважин в кусте, что весьма затруднительно сделать иными методами.

    3. Основой методики по настоящему разделу являются точные аналитические решения задачи о стационарном температурном поле вокруг отдельной скважины, полученные в работах [3-6], а также методы определения движения фазовой границы, изложенные в [1] и основанные на использовании стационарных решений.

      Постановка задачи о нахождении стационарного температурного поля вокруг отдельной скважины включает уравнение Лапласа в цилиндрических координатах для полупространства, ограниченного горизонтальной плоскостью, с вертикальной цилиндрической полостью заданного радиуса. На горизонтальной плоскости задается постоянная среднегодовая температура, а на цилиндрической поверхности – постоянная температура стенки. Точное решение этой задачи выражается через интеграл от комбинации из функций Бесселя первого и второго рода нулевого порядка. Его вычисление значительно усложняет процедуру расчета. В работе [6] на основе точного решения получено приближенное выражение для стационарного температурного поля, которое является удобным для практических вычислений. Сопоставление результатов расчета динамики движения фазовой границы по точному и приближенному решениям показывает, что их различие не превышает 10 % при расчетном сроке эксплуатации до 30 лет. Различия возрастают с увеличением расчетного срока эксплуатации скважины [6].

    4. Приближенное выражение для стационарного температурного поля определяется следующим соотношением:


       

      image

      image

      image , (2.1)

      где R и z – координаты произвольной точки массива пород в цилиндрической системе координат, начало которой расположено на ограничивающей массив плоскости и привязанной к оси скважины.

      На основании этого выражения методом вспомогательной температуры [1] определяются форма и динамика движения границы оттаивания пород вокруг скважины, а также ее предельное (стационарное) положение, которое соответствует бесконечному сроку эксплуатации скважины. Расчетные выражения позволяют учесть термическое сопротивление межколонного пространства для заданной конструкции скважины, наличие теплоизолированного участка в ее верхней части, различие в коэффициентах теплопроводности талых и мерзлых пород, неоднородность свойств пород по вертикали, понижение температуры замерзания пород за счет естественной засоленности.

    5. Радиус протаивания rм, на заданной глубине zм, в момент времени τ, годы, определяется из решения относительно r следующего уравнения:


       

      image, (2.2)

      image

      где image, (2.3)

      image

      image

      image

      image

      image

      image (2.4)

      l

       

      В формуле (2.2) следует принимать z>a/2. При z ≤ a/2, r = для всех моментов времени τ. Радиус протаивания для каждой глубины z не может превысить предельного (стационарного) значения r , определяемого соотношением

      image

      image, (2.5)

      где – усредненный по разрезу наружный радиус цементного кольца за внешней колонной скважины, м;

      ,

       

      λ λ

      т м

      Вт/(м·град.);

      • коэффициенты теплопроводности пород в талом и мерзлом состоянии,

        3

         

        γcк.м. – плотность скелета мерзлой породы, кг/м ;


         

        w

         

        tot

        w

        – суммарная весовая влажность мерзлой породы, доля единицы (д.е.);

      • весовая влажность мерзлой породы за счет незамерзшей воды, д.е.;

      w

      к = 3,35105 Дж/кг – удельная теплота фазовых превращений воды в лед;

      t , t , t

      – температура соответственно массива мерзлых пород на глубине нулевых амп-

      0 c f

      литуд (в ненарушенном состоянии), внешней границы цементного кольца за внешней колонной, начала оттаивания мерзлой породы, оС;

      С = 0,5772 – постоянная Эйлера.

      image

      image

      Температура на внешней границе цементного кольца определяется соотношениями


       

      image

      image

      , (2.6)


       


       

      0

       

      где а


       

      – внутренний радиус НКТ, м;

      H – протяженность расчетной области по вертикали, отсчитываемая от поверхности массива пород, м;

      t

       

      ф

       

      – пластовая температура добываемого флюида, оС;

      λ

      эф.

      – эффективный коэффициент теплопроводности многослойной среды

      межколонного пространства (от НКТ к внешней колонне), Вт/(м·град.). Этот коэффициент определяется стандартными соотношениями теории стационарной теплопередачи через цилиндрические стенки и зависит от конструкции скважины. Время тепловой задержки в слое теплоизоляции не учитывается, что идет в запас расчета. Для двухколонной

      конструкции с теплоизолированной НКТ расчет λ


       

      эф.

      следует проводить по формуле


       

      image

      , (2.7)


       

      1

       

      2

       

      где а а

      • наружный радиус НКТ (с учетом слоя теплоизоляции) и наружный радиус экс-

        плуатационной колонны, м;

        λиз. – коэффициент теплопроводности слоя теплоизоляции НКТ, Вт/(м·град.);

        λг.п. = 0,52 Вт/(м·град.) – коэффициент теплопроводности газовой прослойки между НКТ

        и эксплуатационной колонной с учетом естественной конвекции газа в межколонном пространстве [7];

        λц – коэффициент теплопроводности цементного камня, Вт/(м·град.).

    6. В результате учета влияния отрицательной среднегодовой температуры поверхности массива пород температурное поле вокруг скважины будет осесимметричным (но зависящим от двух координат), а радиус протаивания является функцией глубины z. Его значение стремится к нулю при приближении к поверхности массива и увеличивается с глубиной. Талая зона вблизи скважины перекрывается осесимметричным сводом из мерзлых пород, который является опорой для наземного оборудования. Видимый с поверхности радиус раскрытия приустьевой воронки равен радиусу протаивания от скважины на глубине сезонного оттаивания поверхности массива.

    7. Для вычисления радиусов протаивания по формулам (2.2)–(2.7) разработана специальная программа "FROST". Описание программы для пользователей приведено в приложении А. Программа "FROST" в электронном виде хранится в ООО "ИРЦ Газпром".

      Примеры расчета к данному разделу приведены в справочном приложении Д.

  2. Расчет параметров области протаивания вокруг скважины в кусте


     

    1. При кустовом способе разработки северных месторождений в некоторых случаях возникает необходимость учета взаимного теплового влияния скважин в кусте при оценке возникающих в процессе эксплуатации нарушений в массиве пород, связанных со смыканием таликов между соседними скважинами. Такое смыкание происходит тем раньше, чем меньше расстояние между устьями скважин в кусте. При минимально допустимом по нормам пожарной безопасности расстоянии в 20 м смыкание таликов может произойти при сроке эксплуатации скважин менее 30 лет.

    2. Излагаемая в настоящем разделе методика расчета параметров области протаивания пород вблизи скважин в кусте базируется на аналитическом решении задачи о нахождении стационарного температурного поля вблизи двух скважин [3, 6] и методах определения движения фазовой границы, описание которых приведено в [1] и основанных на использовании стационарных решений. Методика расчета предполагает:

        • однорядное расположение скважин в кусте и их одинаковую конструкцию;

        • расчет параметров области протаивания в плоскости, проходящей через устья скважин и перпендикулярной поверхности массива пород (плоскость максимальных нарушений);

        • учет взаимного влияния скважин на температурное поле в массиве пород производится только для двух ближайших скважин куста;

        • расчет производится для условно однородного разреза пород, характеристики которых получены усреднением реальных свойств по разрезу и приняты постоянными.

          В более общих случаях для расчета динамики движения фазовой границы с учетом теплового влияния произвольного числа скважин в кусте при произвольном расположении устьев в плане кустовой площадки и для различающейся конструкции их крепи может быть использован приближенный метод нахождения стационарного температурного поля, изложенный в работах [3, 6].

    3. Постановка задачи о нахождении стационарного температурного поля в зоне действия двух скважин включает уравнение Лапласа для полупространства, ограниченного горизонтальной плоскостью с двумя вертикальными цилиндрическими полостями заданного радиуса, разнесенных на заданное расстояние. На горизонтальной плоскости задается постоянная среднегодовая температура, а на цилиндрических поверхностях – постоянная температура стенки. При нахождении решения этой задачи используется допущение: температурное поле, генерируемое отдельной скважиной, меняется незначительно в пределах диаметра второй скважины. Решение этой задачи выражается через интеграл от комбинации из функций Бесселя первого и второго рода нулевого порядка. В работе [6] на основе этого решения получено при-

      ближенное выражение для стационарного температурного поля, которое является удобным для практических вычислений. Сопоставление результатов расчета динамики движения фазовой границы по точному и приближенному решениям показывает, что их различие не превышает 10 % при расчетном сроке эксплуатации до 30 лет. Различия возрастают с увеличением расчетного срока эксплуатации скважины [6].

    4. В цилиндрической системе координат, начало которой расположено в ограничивающей массив плоскости на середине отрезка, соединяющего устья скважин, приближенное выражение для стационарного температурного поля в области между двумя скважинами в плоскости максимальных нарушений определяется следующим соотношением:

      image, (3.1)

      где R и z – координаты точки массива пород в плоскости максимальных нарушений.

      На основании этого выражения методами вспомогательной температуры и интегрального теплового баланса [1] определяются форма и динамика движения границы оттаивания пород вблизи скважин, а также ее предельное (стационарное) положение, которое соответствует бесконечному сроку их эксплуатации. Расчетные выражения позволяют учесть термическое сопротивление межколонного пространства для заданной конструкции скважин, различие в коэффициентах теплопроводности талых и мерзлых пород, понижение температуры замерзания пород за счет естественной засоленности.

    5. Расчет параметров области протаивания вблизи скважины в кусте в момент времени τ ≥ τ0 производится по следующим соотношениям:

      image

      image

      , (3.2)


       

      image

      image

      image

      . (3.3)


       

      Подынтегральные функции определяются формулами


       


       

      image

      , (3.4)


       

      image

      , (3.5)


       

      image

      image

      image

      image

      (3.6)


       


       

      а радиус протаивания, отсчитываемый от оси одной из скважин, вычисляется по формуле

      image, (3.7)

      где – расстояние между устьями скважин в кусте, м;

      z

       

      0

       

      – глубина залегания подошвы рассматриваемого массива пород, м;

      τ0 – время (в годах), за которое радиус протаивания, рассчитанный по формулам для отдельной скважины (по п. 2.5), достигает значения l/2.

      Остальные обозначения и определения те же, что и в п. 2.5.

      l

       

    6. Расчет времени τ0 по формулам п. 2.5 предполагает, что глубина z0 является достаточно большой (не менее 50 м). На такой глубине для отрезков времени до 30 лет искривлением границы фазовых превращений, обусловленным влиянием отрицательной среднегодовой температуры поверхности массива, можно пренебречь (см. рисунок Д.1, приложение). Тогда время, за которое происходит слияние таликов соседних скважин на этих глубинах, будет определяться решением для отдельной скважины. Точка слияния таликов с течением времени поднимается все выше по разрезу, где влияние поверхности массива становится все более заметным. Это определяет предельное положение точки слияния таликов z (максимально близкое к поверхности), которое соответствует неограниченному сроку эксплуатации скважин в кусте и определяется по формуле


       


       

      image

      image

      image

      . (3.8)


       

    7. Процедура расчета сводится к определению для заданного момента времени τ параметра α из уравнения (3.2), подстановке этого значения в уравнение (3.7) и построению графика зависимости радиуса протаивания от глубины при заданных прочих параметрах. Для осу-

      ществления этой процедуры разработана специальная программа "КУСТ". Описание програм-

      мы для пользователей приведено в приложении Б. Программа "КУСТ" в электронном виде хранится в ООО "ИРЦ Газпром".

      Примеры расчета к данному разделу приведены в справочном приложении Д.


       

  3. Расчет поровых давлений и осадок оттаявших пород вокруг скважины


     

    1. При оттаивании мерзлых пород, окружающих эксплуатационную скважину, происходит их осадка. Общая осадка оттаивающих пород включает две составляющие: первая из них обусловлена вытаиванием ледяных включений, происходит достаточно быстро и имеет характер просадок. Для сильнольдистых пород вклад этой составляющей является определяющим. Вторая составляющая обусловлена медленным процессом уплотнения оттаявшей массы под действием веса вышележащих слоев. Длительность такого уплотнения может составлять десятки лет, а вклад этого процесса в величину общей осадки при высоких значениях коэффициента сжимаемости может быть значительным [8]. Методика расчета этой составляющей отсутствует в существующей нормативной и методической литературе [9-11]. Кроме того, оттаивающие породы зависают на стволе скважины и тем создают дополнительные осевые нагрузки, которые должны быть учтены при расчете продольной устойчивости крепи в случаях потери боковой опоры в некотором интервале глубин [12-13]. Методика расчета этих дополнительных нагрузок (раздел 5), основанная на расчете эффективных напряжений в грунтовой массе, предусматривает определение поровых давлений по разрезу в заданные моменты времени. Все вышеизложенное определяет необходимость выполнения расчетов по данному разделу.

    2. При расчете осадок и порового давления предполагается:

        • начало координат расположено в плоскости поверхности массива;

        • одномерность процесса консолидации в направлении оси Оz, перпендикулярной внешней поверхности массива пород и направленной вертикально вниз;

        • оседающий массив подстилается плотным водоупорным слоем, кровля которого залегает на глубине H;

        • поведение оттаивающей породы описывается уравнениями теории фильтрационной консолидации [14]. Консолидация происходит под действием собственного веса породы, твердые частицы оседают вниз, вода вытесняется вверх;

        • рассматриваемый массив неоднороден по своим свойствам в вертикальном направлении.

    3. Для расчета поровых давлений и общей осадки рассматриваемый массив породы общей мощностью H разбивается на произвольное (но заданное) число слоев, в пределах каж-

      дого из которых его характеристики могут быть приняты постоянными. Если в пределах какого-либо выделенного слоя имеются фактические отклонения характеристик от постоянного значения, то они должны быть усреднены по этому слою и заменены соответствующей постоянной величиной. Постановка задачи для массива в целом включает:

        • уравнение фильтрационной консолидации с кусочно-постоянными характеристиками, соответствующими выделенным слоям

          image; (4.1)

        • выражение для потока воды с учетом действия гравитационных сил


           

          image

          image ; (4.2)

        • граничные условия в виде равенства нулю потока воды на нижней границе массива (условие непроницаемости) и равенства давления в жидкости атмосферному на его верхней границе;

        • начальное условие, которое, в соответствии с теорией фильтрационной консолидации, подразумевает, что в начальный момент времени вся нагрузка от веса породы передается на поровую воду

          image

          , (4.3)


           

          где = 9,8 м/с2 – ускорение свободного падения;

          3

           

          ρw = 1000 кг/м

      • плотность воды;

      ρ – плотность талой породы, кг/м3;

      k

       

      ф

       

      – коэффициент фильтрации талой породы, м/с;


       

      image

      image

      – коэффициент консолидации талой породы, м2/с;

      image

      δ0 – коэффициент относительной сжимаемости талой породы, м2/Н. Величины ρ, δ0, ka, cν являются кусочно-постоянными функциями по слоям.

      Часть осадки Sτ, обусловленная консолидацией массива в заданный момент времени τ,

      w

       

      определяется через распределение поровых давлений в этот момент времени P

      (z, τ) по формуле


       

      image

      image

      . (4.4)


       

      0

       

      Осадка S , обусловленная вытаиванием ледяных включений, не зависит от времени и определяется выражением


       

      image

      image

      image

      , (4.5)


       

      0

       

      где A

      – коэффициент оттаивания мерзлой породы, который также является кусочно-

      постоянной функцией слоев.

      Полная осадка массива оттаивающих пород S в заданный момент времени определяется суммой

      0

       

      S = S

      + Sτ(4.6)

    4. Расчет распределения поровых давлений и осадок массива пород в заданные моменты времени производится численным интегрированием уравнения (4.1) методом контрольного объема с использованием алгоритма неявной схемы [15], что автоматически обеспечивает непрерывность потоков и давления на границах слоев. Далее производится вычисление интегралов по формулам (4.4) и (4.5). Для осуществления этой процедуры разработана специальная программа "КОНСОЛИДАЦИЯ". Описание программы для пользователей приведено в приложении В. Программа "КОНСОЛИДАЦИЯ" в электронном виде хранится в ООО "ИРЦ Газпром".

      Примеры расчета к данному разделу приведены в справочном приложении Д.


       

  4. Расчет дополнительных нагрузок на крепь за счет оттаивания пород


     

    1. При оттаивании мерзлых пород вокруг скважины происходит зависание оттаявшей массы на внешней колонне, что создает дополнительные осевые нагрузки на крепь. Эти нагрузки должны быть учтены в расчетах на продольную устойчивость ствола при проектировании крепи скважин в мерзлых породах с повышенной льдистостью. Применительно к сваям фундамента в мерзлом грунте явление возникновения дополнительных осевых нагрузок при его оттаивании было экспериментально исследовано в работе [16]. Эти нагрузки получили название “негативное трение”, а их расчет для свай фундаментов нормирован в [2]. Методика этого расчета не может быть применена для скважин, поскольку не учитывает наличия пластической зоны в околоствольном пространстве и дает сильно завышенные значения возникающих нагрузок.

      Действие дополнительных осевых нагрузок на крепь шахтных стволов при оттаивании прилегающих мерзлых пород проанализировано в работе [17]. Отмечено, что эти нагрузки нарастают во времени до некоторого максимума и в ряде случаев приводят к разрушению крепи. Приведенный в [17] способ их расчета применительно к скважине также дает сильно завышенные значения этих сил.

      Осевые нагрузки на крепь скважины, пройденной в талых породах, также рассмотрены в [17], однако их причина – суффозия пород в призабойной зоне – не может быть непосредственно использована в расчетах по данному разделу.

    2. Зависание оттаявших пород на внешней колонне обусловлено силами трения породы по боковой поверхности крепи, которые передаются колонне в направлении ее оси. Расчет обусловленных этим дополнительных нагрузок на крепь основан на анализе условий равновесия пород в пластической зоне, прилегающей к внешней колонне, который выполнен в работе [18]. С учетом действия сил трения по боковой поверхности внешней колонны этот анализ обобщен в [6]. Предполагается, что оттаявшая порода не обладает сцеплением и характе-

      ризуется только углом внутреннего трения φ. В силу естественных неоднородностей в толщи-

      не цементного кольца за внешней колонной угол трения пород о внешнюю колонну также принимается равным φ. Разрез предполагается условно однородным, а порода в пластической зоне подчиняется условию прочности Кулона.

      Рассматривается цилиндрический объем породы произвольного радиуса r, ограниченной снизу горизонтальной плоскостью на произвольной глубине z, а сверху – дневной поверхностью. По вертикальной оси этого объема имеется скважина с внешним радиусом a. Условие равновесия оттаявших пород в пластической зоне означает, что вес породы в ней уравновешивается суммой реакции опоры на глубине и силами трения породы по цилиндрическим поверхностям. Соответствующее уравнение имеет следующий вид:


       

      image , (5.1)

      где n = r/a; m = σa/ρga;

      ρ – плотность талой породы;

      ϑ – σz/σr;

      σzσrσa – вертикальные напряжения, радиальные напряжения на внешней цилиндрической поверхности и на стенке скважины, на глубине z соответственно;

      ψ – угол между равнодействующей напряжений по внешнему цилиндру и соответствующим нормальным напряжением.

      Уравнение (5.1) дополняется условием максимума угла ψ на границе пластической зоны

      image (5.2)

      и условием минимума напряжений σа, обеспечивающих пластическое состояние пород


       

      image

      image . (5.3)

      image


       

      Система трансцендентных алгебраических уравнений (5.1) – (5.3) позволяет определить для каждой глубины z три неизвестных параметра n, m, ϑ и соответствующие им величины радиуса пластической зоны и все компоненты напряжений. Расчет производится методом по-

      следовательных приближений. После этого выполняется вычисление осевой компоненты напряжений на стенке внешней колонны по стандартным формулам механики грунтов. Как показано в [18], полные радиальные напряжения на границе с колонной крайне медленно возрастают с глубиной. По этой причине их расчет производится для бесконечно заглубленной точки. Это существенно упрощает процедуру расчета и обеспечивает определенный запас в расчетных величинах.

      2

       

    3. Вычисление распределения дополнительных осевых напряжений ζz, Н/м , в раз-

      личные моменты времени τ производится по формулам


       

      image

      image

      , (5.4)


       

      image

      image

      , (5.5)


       

      image

      image

      image

      где параметр m зависит от угла внутреннего трения φ и определяется по графику на рисунке 5.1.

      image

      image

      Вычисление эффективных касательных напряжений на стенке внешней колонны должно производиться с учетом

      image

      w

       

      распределения порового давления Р по

      image image


       

      image


       

      image


       

      image


       

      image


       

      image image image image


       

      image image


       

      Рисунок 5.1 – График для определения параметра в формуле (5.1) в зависимости от угла внутреннего трения

      image

      глубине в оттаявшей части массива для различных моментов времени. Поэтому дополнительные осевые нагрузки на крепь будут переменными по глубине и различными для разных моментов времени. Они достигают своего максимального значения при полной консолидации оттаявшего массива. В этом случае в формуле (5.5) можно сразу принимать image , где

      3

       

      ρw = 1000 кг/м

      • плотность воды.

    4. Для осуществления процедуры расчета разработана специальная программа “НАГРУЗКА”. Описание программы для пользователей приведено в приложении Г. Программа “НАГРУЗКА” в электронном виде хранится в ООО “ИРЦ Газпром”.

Примеры расчета к данному разделу приведены в справочном приложении Д.

Приложение А

(обязательное)


 

Инструкция к программе FROST для расчета радиуса протаивания пород вокруг отдельной скважины


 

А.1 Программа FROST предназначена для расчета радиуса протаивания пород вокруг отдельной добывающей скважины с учетом следующих факторов:

  • неодномерности процесса протаивания вследствие влияния отрицательной среднегодовой температуры поверхности массива пород;

  • термического сопротивления межколонного пространства;

  • различия теплофизических параметров талых и мерзлых пород;

  • влияния засоленности породы на температуру начала замерзания поровой влаги;

  • неоднородности теплофизических и водно-физических свойств грунта по глубине;

-наличия теплоизоляции верхней части скважины. А.2 Требования.

На компьютере должен быть установлен Microsoft Excel 97/2000/XP. А.3 Исходные данные:

0

 

a – внутренний радиус НКТ, м;

a

 

1

 

  • наружный радиус НКТ с учетом теплоизоляции, м;

    a

     

    2

     

  • наружный радиус эксплуатационной колонны, м;

    a – наружный радиус цементного кольца за внешней колонной скважины, м;

    l

     

    из

     

  • протяженность теплоизолированного участка, м;

lambda lambda

из г.п.

  • коэффициент теплопроводности слоя теплоизоляции НКТ, Вт/(мград.);

  • коэффициент теплопроводности газовой прослойки между НКТ и эксплуа-

    тационной колонной, Вт/ (мград.);

    ц

     

    lambda

  • коэффициент теплопроводности цементного камня, Вт/(м град.);

0

 

t – среднегодовая температура поверхности массива мерзлых пород, оС;

t

 

ф

 

– пластовая температура добываемого флюида, оС;

tau – время эксплуатации, годы;

n – число однородных слоев, на которые разбивается массив (до восьми слоев).

Кроме того, для каждого из слоев, на которые разбивается разрез, вводятся следующие характеристики:

h – мощность слоя, м;

gamma


 

ск.м.

  • плотность скелета мерзлой породы, кг/м3;


     

    w

     

    tot

  • суммарная весовая влажность мерзлого грунта, д. ед.;

    w

     

    w

     

    – весовое содержание незамерзшей воды, д. ед.;

    т

     

    м

     

    lambda lambda

  • коэффициент теплопроводности талого грунта, Вт/(м·град.);

  • коэффициент теплопроводности мерзлого грунта, Вт/(м·град.);

f

 

t – температура начала фазовых переходов.

А.4 Запуск программы осуществляется открытием файла frost.exe (который должен находиться в папке FROST вместе с файлом шаблона графика data.xlt в корневом каталоге диска С), после чего будет предложено ввести соответствующие параметры для расчета. Ввод параметров производится последовательно: после заполнения строки, соответствующей первому параметру, осуществляется его ввод нажатием кнопки “Enter”. После этого на экране появляется следующая строка, которая заполняется аналогичным образом и т. д. Разделителем в десятичных дробях должна являться точка.

Выполнение расчета начинается автоматически после ввода всех данных. В процессе расчета на рабочем окне высвечивается значение глубины, для которой в данный момент происходит вычисление радиуса протаивания. После завершения процедуры расчета программа запустит «MS Excel», создаст новую рабочую книгу, выведет на первый лист полученные результаты (радиус протаивания) и построит график радиуса протаивания на заданный момент времени. В первой колонке записываются значения глубины z, а во второй – значение радиуса протаивания r.

А.5 Время выполнения одного варианта расчета на компьютере класса Pentium III не превышает 5 мин.

Приложение Б

(обязательное)


 

Инструкция к программе КУСТ для расчета параметров области протаивания пород вокруг скважины в кусте


 

Б.1 Программа КУСТ предназначена для расчета параметров области протаивания пород вокруг скважины в кусте с учетом следующих факторов:

  • влияния отрицательной среднегодовой температуры поверхности массива пород;

  • взаимного влияния скважин на параметры протаивания;

  • термического сопротивления межколонного пространства;

  • различия теплофизических параметров талых и мерзлых пород;

  • влияния засоленности породы на температуру начала замерзания поровой влаги. Б.2 Требования.

На компьютере должен быть установлен Microsoft Excel 97/2000/XP и MathCAD –7 Professional с приложением MathConnex.

Б.3 Входные данные для расчета включают следующие параметры:

τ– момент слияния таликов на глубине z0, годы;

τ – расчетные моменты времени (τ ≥ τ0), годы;

– усредненный по разрезу наружный радиус внешнего цементного кольца, м;

a

 

0

 

  • наружный радиус НКТ, м;

    a

     

    1

     

  • наружный радиус эксплуатационной колонны, м;

– расстояние между устьями соседних скважин в кусте, м;

z

 

0

 

– глубина залегания подошвы массива пород, м;

t – температура пород на глубине нулевых амплитуд в ненарушенном состоянии, оС;

0

t – температура начала оттаивания мерзлых пород, оС;

f

t

 

ф

 

– пластовая температура добываемого флюида, оС;

λг.п– коэффициент теплопроводности газовой прослойки между НКТ и эксплуатационной колонной с учетом естественной конвекции газа в межколонном пространстве, Вт/(мград.);

λц – коэффициент теплопроводности цементного камня, Вт/(мград.);

3

 

λт – коэффициент теплопроводности пород в талом состоянии, Вт/(мград.); λм – коэффициент теплопроводности пород в талом состоянии, Вт/(мград.); γск.м– плотность скелета мерзлой породы, кг/м ;

w

 

w

 

tot w

  • весовое содержание суммарной влажности, д.е.;

  • весовое содержание незамерзшей воды, д.е.

Б.4 Запуск программы осуществляется открытием файла Z-r(MathConnex).MXP, после чего будет предложено ввести параметры расчета в таблице “Входные данные”. Для набора данных необходимо войти в таблицу путем двойного нажатия левой клавиши мышки, установив курсор в ее поле. Ввод данных производится заменой чисел предыдущего варианта расчета на требуемые по новому варианту. После ввода всех данных запускается процедура расчета

нажатием кнопки image(run) на верхней панели инструментов. Выполнение процедуры расчета обозначается на экране курсором в виде горящей лампочки, которая исчезает при завершении

расчета.

Вывод результатов расчета осуществляется автоматически в графическом виде на втором листе документа.

Б.5 Время выполнения одного варианта расчета на компьютере класса Pentium III не превышает 5 мин.

Приложение В

(обязательное)


 

Инструкция к программе КОНСОЛИДАЦИЯ для расчета поровых давлений и осадок оттаявших пород вокруг скважины


 

В.1 Программа КОНСОЛИДАЦИЯ предназначена для расчета распределения поровых давлений по разрезу оттаивающего массива пород и величины их осадок вокруг скважины в процессе ее эксплуатации. При выполнении расчетов учитывается неоднородность свойств пород по вертикали. Для этого рассматриваемый массив пород может быть разбит на произвольное число условно однородных слоев с заданной толщиной.

В.2 Требования.

На компьютере должен быть установлен Microsoft Excel 97/2000/XP. В корневом каталоге диска С должна находиться папка Consol с исполняемым файлом ConsolGr.exe и с файлом шаблона графика result.xlt.

В.3 Запуск.

Программа КОНСОЛИДАЦИЯ запускается исполняемым файлом «ConsolGr.exe». После запуска программы появляется главное окно (рисунок В.1).


 

image

Рисунок В.1 – Внешний вид главного окна программы КОНСОЛИДАЦИЯ


 

В.4 Ввод данных.

В верхней половине главного окна программы располагаются пять малых окон для ввода исходных данных по каждому слою:

  • мощности слоя (H);

  • плотности талой породы (Rho);

  • коэффициента относительной сжимаемости талой породы (а0);

  • коэффициента фильтрации талой породы (Kf),

  • коэффициента оттаивания мерзлой породы (Aoi).

В каждом малом окошке исходные данные вводятся построчно для каждого слоя сверху вниз. Число слоев задается автоматически заданием одинакового числа строк в первых пяти окнах. Соответствующие единицы вводимых параметров указаны в надписях над малыми окнами.

В нижней половине главного окна в малом окошке «Time» построчно вводятся количество лет, на которые выводятся результаты расчета. В малом окошке «Exact» вводится точность проводимых расчетов в долях единиц.

До начала работы программы все параметры должны быть введены. В.5 Расчет.

image

После ввода всех вышеперечисленных параметров для запуска расчета нажмите кнопку Start. В центральном окошке нижней половины главного окна отображаются промежуточные параметры вычислений. Ход выполнения процесса вычисления отображается на двух линейках в нижней части главно-

го окна. Когда заданная точность достигнута, расчетный процесс останавливается и на экране появляется окошко (рисунок В.2).

В.6 Вывод.

Рисунок В.2 –

Внешний вид окна – завершение задачи

программы КОНСОЛИДАЦИЯ

При нажатии на кнопку «ОК» программа запустит «MS Excel», создаст новую рабочую книгу, выведет на первый лист полученные результаты (профиль давления) и построит графики профилей на заданные моменты времен. На второй лист и график будет выведена динамика полной осадки.

В.7 Оформление и печать.

Используя возможности «MS Excel», можно оформить выходные данные и графики в соответствии с потребностями любого заказчика. Затем все это печатается стандартными средствами печати «MS Excel».

В.8 Время выполнения одного варианта расчета на компьютере класса Pentium III при точности 10-4 не превышает 10 мин.

Приложение Г

(обязательное)


 

Инструкция к программе НАГРУЗКА для расчета дополнительных нагрузок на крепь за счет оттаивания пород


 

Г.1 Программа НАГРУЗКА предназначена для расчета дополнительных нагрузок на крепь за счет оттаивания пород для условно однородного массива заданной мощности.

Г.2 Требования.

На компьютере должен быть установлен Microsoft Excel 97/2000/XP. В корневом каталоге диска С должна находиться папка Press с исполняемым файлом Press.exe и с файлом шаблона графика result.xlt.

Г.3 Запуск.

Программа НАГРУЗКА запускается исполняемым файлом «Press.exe». После запуска программы появляется главное окно (рисунок Г.1).


 

image


 

Рисунок Г.1 – Внешний вид главного окна программы НАГРУЗКА


 

Г.4 Ввод данных.

В левой части главного окна программы располагаются восемь малых окошек для ввода исходных данных:

  • мощности массива пород (H);

  • плотности талой породы (Rho);

  • коэффициента относительной сжимаемости талой породы (а0),

  • коэффициента фильтрации талой породы (Kf);

  • радиуса внешнего цементного кольца (а);

  • угла внутреннего трения талой породы (Phi);

  • параметра напряжений (m).

В восьмом окошке задается требуемая точность расчета. Соответствующие единицы вводимых параметров указаны в надписях слева от окошек.

В правом окошке «Time» вводятся количество лет, на которые выводятся результаты расчета.

image

До начала работы программы все параметры должны быть введены. Г.5 Расчет.

После ввода всех вышеперечисленных параметров для запуска процедуры расчета нажмите кнопку Start. Ход выполнения процесса вычисления показывается на двух линейках в нижней части окна. Когда заданная точность достигнута, расчетный процесс останавливается и на экра-

не появляется окошко (рисунок Г.2).

Г.6 Вывод.

При нажатии на кнопку «ОК» программа запустит

Рисунок Г.2 – Внешний вид окна –

завершение задачи программы НАГРУЗКА

«MS Excel», создаст новую рабочую книгу, выведет полученные результаты (профиль нагрузок) и построит графики профилей на заданные моменты времен.

Г.7 Оформление и печать.

Используя возможности «MS Excel» можно оформить выходные данные и графики в соответствии с потребностями любого заказчика. Затем все это печатается стандартными средствами печати «MS Excel».

Г.8 Время выполнения одного варианта расчета на компьютере класса Pentium III при точности 10-4 не превышает 10 мин.

Приложение Д


 

Примеры выполнения расчетов


 

Пример 1. Определить форму области протаивания для двухколонной конструкции скважины с нетеплоизолированной НКТ для моментов вре-

image

0

 

мени 1; 5 и 30 лет при следующих исходных данных: t = -4 оC;

t

 

ф

 

= 30 оС;

t

 

f

 

= 0 оC;

0

 

λт = 1,4 Вт/(мград.); λм = 1,8 Вт/(мград.); а = 0,057 м;

а

 

1

 

= 0,1095 м;

а = 0,2 м; H = 50 м;


 

w

 

tot

= 0,30;

w

 

w

 

= 0;

γ = 1800 кг/м3.

ск.м.

Определить также радиус раскрытия приустьевой воронки в соответствующие моменты времени, если глу-


 

Рисунок Д.1 – Графики радиусов протаивания вокруг отдельной скважины через 1 (1), 5 (2) и 30 (3) лет после

пуска в эксплуатацию (к примеру 1)

бина сезонного протаивания на поверхности массива h = 2,5 м.

Решение. Расчет выполняется с помощью программы FROST. После ввода исходных данных и окончания работы программы осуществляется построение графиков в Microsoft Excel (рисунок Д.1).

0

 

Радиус раскрытия приустьевой воронки r

в различные моменты времени оценивается

по точкам пересечения этих графиков с прямой h =2,5 м, параллельной оси Оr. В данном при-

0

 

мере величина r

принимает значения 1,0; 1,5; 1,7 м для соответствующих моментов времени.

Пример 2. Определить радиус протаивания для скважины с теплоизолированной НКТ для моментов времени τ = 5; 10 и 30 лет на глубинах до 50 м при следующих исходных данных:

0

 

= -5 оC;

t

 

ф

 

= 20 оC;

f

 

t = 0 оC;

λс = 0,2 Вт/(мград.);

λиз = 0,02 Вт/(мград.);

image

l

 

из

 

= 20 м;

λт = 1,4 Вт/(мград.);

λм = 1,8 Вт/(мград.);

a

 

0

 

= 0,057 м,

1

 

2

 

a

= 0,1095 м,

= 0,2 м;

3

 

γск.м.= 1800 кг/м ;


 

w

 

tot

= 0,3;

w

 

w

 

= 0.


 

Решение. Расчет выполняется с помощью программы FROST. Результаты расчета приведены на рисунке Е.2. Следует обратить внимание, что напротив нижнего теплоизолированного участка протаивание весьма значительно. Это связано с вертикальными перетоками тепла в приустьевой зоне скважины.

Пример 3. Определить радиус протаивания для скважины с нетеплоизолированной НКТ для моментов времени = 5; 10 и 30 лет на глубинах до 50 метров с учетом изменения льдистости по глубине (Таблица Д.1) при следующих исходных данных:


 

Рисунок Д.2 – Графики радиусов протаивания вокруг отдельной скважины с теплоизолированной

НКТ через 5 (1), 10 (2)

и 30 (3) лет

после пуска в эксплуатацию (к примеру 2)

image

t

 

0

 

= -5 °C;

t

 

ф

 

= 20 °C;

f

 

t = 0 °C;

0

 

λс = 0,2 Вт/(мград.); λт = 1,4 Вт/(мград.); λм = 1,8 Вт/(мград.); = 0,057 м,

2

 

a

 

1

 

= 0,1095 м;

а = 0,2 м;

3

 

γск.м.= 1800 кг/м ;

w

 

w

 

= 0.


 

Рисунок Д.3 – Графики радиусов протаивания вокруг отдельной скважины

через 5 (1), 10 (2) и 30 (3) лет после пуска в эксплуатацию с учетом изменения льдистости

по глубине (к примеру 3)

Таблица Д.1 – Распределение суммарной влажности в интервале залегания мерзлой толщи


 

image


 

Решение. Расчет выполняется с помощью программы FROST. Результаты расчета приведены на рисунке Д.3.

Пример 4. Найти момент времени, соответствующий слиянию таликов соседних скважин в кусте на глубине 50 м. Определить форму границы протаивания вблизи скважины куста для этого момента времени, а также для моментов 30 и 40 лет с начала эксплуатации при = 20 м

ф

 

и пластовой температуре газа t

= 56 оС. Остальные параметры принять, как в примере 1.

Решение. С помощью программы FROST определяем момент времени τ0, когда радиус протаивания вокруг отдельной скважины на глубине 50 м достигнет значения 10 м. Получаем τ0 = 26,2 года. Далее выполняется основной расчет с помощью программы КУСТРезультаты расчета показаны на рисунке Д.4.

l

 

Предельная глубина слияния таликов соседних скважин, определяемая по формуле (3.8), в данном примере z = 6,4 м от поверхности массива пород. Для 40 лет эксплуатации эта величина составляет примерно 8 м и близка к предельной.

Пример 5Определить эпюры поровых


 

image


 

Рисунок Д.4 – Форма границы протаивания вблизи скважины в кусте для различных моментов времени (к примеру 4)

давлений спустя 1 год, 5 и 10 лет с момента пуска скважины в эксплуатацию для условно однородного массива просадочных при оттаивании пород при следующих исходных данных:

Н = 50 м;

А

 

0

 

= 0,1;

k = 10-8 м/с;

ф

а

 

0

 

= 10-7 м2/Н;

ρ = 2000 кг/м3.

Построить график изменения полной осадки оттаивающих пород во времени.

Решение. Расчет выполняется с помощью программы КОНСОЛИДАЦИЯ. После ввода исходных данных и окончания работы программы имеем графики искомых параметров, представленные на рисунках Д.5 и Д.6. Через 10 лет массив практически полностью консолидируется, а распределение поровых давлений близко к гидростатическому (линия k, рисунок Д.5). Полная осадка складывается из двух частей. Первая из них – просадка (соответствующая вытаиванию ледяных включений), которая происходит практически мгновенно и в данном примере составляет чуть более 5 м. Вторая – консолидационная часть, которая медленно нарастает с течением времени. Время консолидации оттаивающих пород может сокращаться под влиянием вибрации действующего ствола скважины.

Пример 6. Определить эпюры поровых давлений спустя 1 год, 5 и 10 лет с момента пуска скважины в эксплуатацию для трехслойного массива просадочных при оттаивании пород при следующих исходных данных:

  • первый слой – супесь (интервал залегания 0-15 м): Н = 15 м;

    А

     

    0

     

    = 0,1;

    k = 10-6 м/с;

    ф

    а

     

    0

     

    = 10-7 м2/Н;

    ρ = 2000 кг/м3;

  • второй слой – суглинок (интервал залегания 15-30 м): Н = 15 м;

0

 

А = 0,15;


 


 

image image


 

Рисунок Д.5 – Распределение поровых давлений в оттаивающем массиве для различных моментов времени (к примеру 5)

Рисунок Д.6 – Динамика полной осадки оттаивающего массива пород вокруг скважины (к примеру 5)

k

 

ф

 

= 10-9 м/с;

0

 

а = 510-7 м2/Н;

ρ = 1800 кг/м3;

третий слой – супесь (интервал залегания 30-50 м): Н = 20 м;

0

 

А = 0,05;

k

 

ф

 

= 10-7 м/с;

а

 

0

 

= 10-8 м2/Н;

ρ = 1900 кг/м3.

Построить график изменения полной осадки оттаивающих пород во времени.

Решение. Расчет выполняется с помощью программы КОНСОЛИДАЦИЯ. После ввода исходных данных и окончания работы программы имеем графики искомых параметров, представленные на рисунках Д.7 и Д.8. В силу низкого коэффициента фильтрации среднего слоя консолидация массива далека от завершения.

Пример 7. Построить эпюры дополнительных осевых напряжений в колонне скважины, вызванных оттаиванием окружающих пород, для моментов времени и условий примера 5, а также в момент времени, соответствующий пуску скважины в эксплуатацию. Угол внутрен-


 


 

image image


 

Рисунок Д.7 – Распределение поровых давлений в оттаивающем массиве

для различных моментов времени (к примеру 6)

Рисунок Д.8 – Динамика полной осадки оттаивающего массива пород вокруг скважины (к примеру 6)

image

о

 

него трения оттаивающих пород φ = 35 , радиус внешнего цементного кольца а = 0,2 м. При заданных условиями настоящего примера прочих параметрах вычислить значения максимальных дополнительных осевых напряжений для трех вариантов угла внутреннего трения

o о о

оттаявшей породы: φ = 30 ; 35 ; 40 .

Решение. Расчет выполняется с помощью программы НАГРУЗКА. С помо-

щью рисунка 5.1 раздела 5 настоящей ме-

о

тодики находим для 35

значение

m = 0,6. После ввода исходных данных и окончания работы программы имеем эпюры дополнительных осевых напряжений, которые представлены на рисунке Д.9.


 

Рисунок Д.9 – Эпюры дополнительных осевых напряжений на крепь при оттаивании пород для различных моментов времени (к примеру 7)

В начальный момент времени распределение порового давления вычисляется по фор-

w

 

муле р

ρgz. По формулам (5.4), (5.5): ζz

= 0. Поэтому в начальный момент времени эпюра

напряжений совпадает с осью Oz.

Максимального значения дополнительные напряжения достигают при полной консо-

w

 

лидации оттаивающего массива. В этом случае р

ρwgz, а дополнительные напряжения опре-


 

image

деляются выражением image . Для указанных в условии углов внутреннего тре-


 

ния с помощью рисунка 5.1 раздела 5 находим соответствующие значения параметра m = 1,0; 0,6; 0,3. Соответствующие нагрузки имеют значения: 600; 420; 250 Па. Создаваемое ими усилие на одном погонном метре крепи не превышает 30 % от ее веса.

Библиография


 

[1] Порхаев Г.В. Тепловое взаимодействие зданий и сооружений с вечномерзлыми грунтами. – М.: Наука, 1970. – 208 с.

[2] СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах . – М.: Госстройиздат, 1990. – 54 с.

[3] Горелик Я.Б. Тепловое взаимодействие куста добывающих скважин с вечномерзлыми грунтами/ Я.Б. Горелик, М.И. Дзик // В 36 т. Сер. Энергетика и транспорт. – М.: Известия АН СССР, 1990. – С. 143-152.

[4] Горелик Я.Б. Стационарные температурные поля вокруг скважины / Я.Б. Горелик, М.И. Дзик. Сер. Энергетика и транспорт. – М.: Известия РАН, 1994. – С. 147-154.

[5] Горелик Я.Б. Теплоизоляция скважин в северных районах. Нефтепромысловое строительство / Я.Б. Горелик, Т.В.Каверина. – М.: ВНИИОЭНГ, 1983. – № 7. – С. 2-3.

[6] Анализ влияния теплофизических и физико-механических характеристик пород и создание теоретической модели их протаивания вокруг скважин. Отчет ИКЗ СО РАН по х/д с ООО “ТюменНИИгипрогаз”. – Тюмень, 2004. – 163 с.

[7] Чекалюк Э.Б. Термодинамика нефтяного пласта. – М.: Недра, 1965. – 236 с. [8] Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа, 1975. – 446 с.

[9] Методика учета геокриологических условий при выборе конструкций эксплуатационных скважин. – М.: ООО “ВНИИГАЗ”. – 2002. – 48 с.

[10] Полозков А.В. Расчет просадок многолетнемерзлых пород при оттаивании вокруг скважин при их строительстве и эксплуатации. / НТЖ: Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море / А.В. Полозков, А.Г. Потапов, Ю.П. Коротаев и др. – М.: ОАО “ВНИИОЭНГ”, 1999. – № 6 – с. 5-8.

[11] ВРД 39-1.9-015-2000. Руководство по термометрическим методам контроля качества строительства, крепления скважин в многолетнемерзлых и низкотемпературных породах. – М.: ООО “ВНИИГАЗ”, 2001. – 63 с.

[12] Полозков А.В. Продольная устойчивость конструкций скважин в зоне распространения многолетнемерзлых пород месторождений Крайнего Севера. / НТЖ: Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море / А.В.Полозков, А.Н. Гноевых, А.В. Рудницкий, А.В. Рябоконь. – М.: ОАО “ВНИИОЭНГ”, 1996. – № 10-11.– С. 29-34.

[13] НД 00158758-246-2003. Регламент по креплению приустьевой части скважин в интервале мерзлых пород с высокой льдистостью. – Тюмень: ООО “ТюменНИИгипрогаз”, 2003. – 34 с.

[14] Цытович Н.А. Механика грунтов. – М., Высшая школа, 1979. – 280 с.

[15] Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 152 с.

[16] Пчелинцев А.М. О касательных напряжениях по боковой поверхности фундамента, обусловленных процессом оттаивания грунта. В сб.: Материалы к основам учения о мерзлых зонах земной коры. Вып. 3. – М.: Изд-во АН СССР, 1956. – С. 163-166.

[17] Теория и практика мерзлотоведения в строительстве. Под редакцией Братцева Л.А., Жукова В.Ф. – М.: Наука, 1965. – 188 с.

[18] Терцаги К. Теория механики грунтов. – М.: “Гослитиздат по строительству и архитектуре, 1961. – 508 с.


 

image


 

ОКС 75.020

Ключевые слова: скважины, мерзлые породы, приустьевая зона, протаивание, просадки, прогноз


 

image