Особености на обсаждането на високотемпературни геотермални сондажи А. Въведение. Геотермичен градиент ∆Gt. Характеризира изменението на температурата t , [ 0C] в дълбочина z , [m] на земната кора. ∆Gt има дименсия [0C/m] в общия случай, а практически често се представя като [0C/5, 10, 30, 50 или 100m]. Големината и характера на изменение на t и респективно ∆Gt зависят от: вида на топлопредаване в земната кора (кондуктивен или конвективен тип); топлопроводимостта на скалите и начина им на залягане в дълбочина (хоризонтално, вертикално или под някакъв ъгъл); както и от наличието на геотермални аномалии и дълбочината, на която те се намират. В този смисъл t и ∆Gt имат различни стойности и характер на изменение в дълбочина за отделни райони (площи) от земната кора. В повечето случаи при отсъствиетона геотермални аномалии (при “нормални условия”), нарастване на t би могло да се разглежда като линейна функция, както е представено на термограмата на фиг. 1 и изразено с ф-ла (1). В областите на геотермални аномалии от конвективен тип, към които са обвързани високотемпературните геотермални находища на паро-водни смеси (ПВС), дълбочинното изменение на t има най-често изразен нелинеен характер, който е илюстриран на фиг. 1. t = t0 + ∆Gt . z , 0C (1); където: t – вертикално изменение на температурата, 0C; t0 – температура на неутралния слой, която е постоянна в дълбочина 10 – 30 m за даден район, 0 C; ∆Gt, – геотермичен градиент, 0C/m; z – вертикална дълбочина, m. Основен проблем при обсаждане на високотемпературните геотермални сондажи (ВТГС) се явяват високите средни температури ∆tср , [0C] , които пораждат значителни температурни напрежения в обсадните колони (ОК) – експлоатационните ОК (ЕОК) и междинните ОК (МОК). Като съпоставка:
Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org
постоянна температура на неутралния слой
0
0
5
10
200
15
t,
4
Линейни апроксимации
3 50
2
1
забой на сондажа
100
z, m
Фиг. 1 Примерна термограма. 1 – изменение на температурата t в дълбочи-на z при “нормални условия” – отсъствие на изразена геотермална аномалия; 2 – изменение на температурата t в дълбочи-на z в аналогични скални формации в гео-термално находище от конвективен тип на ПВС; 3 – изменение на температурата t в дълбочина z при затворен сондаж; 4 – изменение на температурата t в дълбочина z при отворен сондаж (режим на фонтанна експлоатация);
в сондирането за нефт и газ преобладаващите стойности за ∆tср се движат в границите ∆tср=20 – 80 0C , при високи устиеви налягания; а в геотермалните сондажи ∆tср=80 – 200 0C , при сравнително ниски устиеви налягания pу≈0,2 – 2 MPa (2 – 20 atm). За решаване на проблема с големите температурни напрежения в ОК във ВТГС се прилагат: натягане на ОК при окачване в колонна глава, фиксирана (застопорена) на устието към кондукторната ОК; неокачени на устието ОК, които свободно да поемат температурните линейни деформации при херметизирано затръбие; конструкция на сондажа съставена от къси ОК с пълна затръбна циментация (прилага се ограничено при проучвателни и проучвателно-експлоатационни сондажи на дълбочини до 500 – 800 m) Б. Методики за пресмятане на ОК във ВТГС. Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org
І. Пресмятане на натегнатите (окачени) ОК. ОК след циментиране (след периода на ОЗЦ) се натяга преди да се окачи в колонната глава. Така ОК се явява двустранно запъната (неподвижно фиксирана) – в долния си край от циментовия камък в затръбието, а в горния си – в колонната глава. Осовите сили, възникващи в ОК през различните периоди (условията на нейната работата) трябва да се компенсират, за да може тя да запази устойчивост. В този смисъл, силата на натягане на ОК трябва да бъде достатъчна, за да се съхрани нейната праволинейна форма в незацементирания й участък както в момента на окачването, така и в последващия период на фонтанна експлоатация или при затворен сондаж (виж фиг. 2). Пресмя-тането протича в следната последователност: 1. Проверка на ОК на максимално вътрешно налягане. Предвидената (зададената) конструкция на ОК се проверява на максимално вътрешно налягане pвът по дължина на l0 при външно налягане (налягане в затръбието) pвън = 0 по формулата: [pвът. доп] ≥ pвът . kсиг , MPa (2); където: [pвът. доп] – допустимо вътрешно налягане (взима се от таблици), MPa; pвът – максимално вътрешно налягане, MPa; kсиг – коефициент на сигурност, като: kсиг=1,15 – 1,2 за ОК с Ø ≤ 219 mm; Съответно pвът се определя от формулата: PH
PH
l0
l ОК
циментов камък
lц Фиг. 2. Натягане на ОК. PH – сила на натягане на ОК, KN; l – дължина на ОК, m; l0 – дължина на нециментирания участък на ОК, m; lц – дължина на циментирания участък на ОК, m. Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org
pвът = pу + ρфл g . l0 .10-6, MPa (3) * при линеен характер на изменение на хидростатичното налягане в сондажа на ПВС, което би могло да се приеме с достатъчна достоверност. където: pу – очаквано максимално устиево налягане при затворен сондаж, което се завишава 10 – 15 % , отчитайки опресоването на ОК, MPa; ρфл – плътност на флуида в ОК (плътност на ПВС), kg/m3; g – земно ускорение, m/s2; g=9,81 m/s2;
l0 – дължина на нециментирания участък от ОК (виж фиг. 2), m. Неизпълнение на условието по ф-ла (1) налага ОК да има по-голяма дебелина на стената или да се използва по-висока марка стомана, така че (1) да бъде изпълнено. 2. Определяне на силата на натягане на ОК. Необходимата сила на натягане PH на ОК се определя от условието на ф-ла (2) за най-голямата стойност, изчислена при окачване, експлоатация или затворен сондаж: PH ≥ G0 + P1 + P2 + P3 , KN (4); където: G0 – осова сила на тежестта на нецементирания участък на ОК във въздушна среда, KN; P1 – осова сила пораждана от температурните линейни деформации в ОК, KN; P2 – осова сила пораждана от вътрешното налягане в ОК, KN; P3 – осова сила резултат на действието на вътрешното и външното хидростатични налягания върху ОК, KN. Съответно: 1). G0 = q . g . l0 .10-3 , KN (5); където: q – маса на един линеен метър от ОК, kg/m; g – земно ускорение, m/s2; g = 9,81 m/s2; l0 – дължина (виж фиг.2), m. 2). P1 = t . E . F . ∆tср . 10-3 , KN (6); където: t – коефициент на линейно температурно разширение, K-1; t ≈ 12,5.10-6 K-1 за стоманата на ОК; E – модул на линейна деформация, Pa; E ≈ 2,16.1011 Pa за стоманата на ОК; F – средноуравновесена площ на напречното сдечение на ОК, m2; F = Σ(Fi/li) / l0 , m2; ∆tср – изменение на средната температура в участъка l0 на ОК за различните условия след окачването, 0C. 3). P2 = 0,667 . pвът .π/4 . d2ср . 10-3 , KN (7); Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org
където: pвът – вътрешно налягане при работещ или затворен сондаж определено по ф-ла (3), Pa; d2ср – средноуравновесен вътрешен диаметър на ОК, m; d2ср = (D2 – 4F/π)0,5 , m; D – външен диаметър на ОК, m; 4). P3 = 0,33 . π/4 . g . l0 . (ρпт . D2 – ρфл . d2ср) x x 10-3 , KN (8); където: ρпт – плътност на промивната течност в затръбието на ОК, kg/m3; ρфл – плътност на флуида (ПВС) в ОК, kg/m3; 5). Методики за пресмятане на ∆tср , 0C: Методика 1: Широко се използва в сондирането за нефт и газ. Пресмятането се извършва се по формулата: ∆tср = 0,5 . [(t3 – t1) + (t4 – t2)] , 0C (9); къде-то означенията и направените приемания са представени на фиг. 3. t1
t3’
t3
t,
l0 t4’
термограма
lЦ
t4
t2 t
z, m
фиг. 3. Схема за пресмятане на ∆tср. l0 и lЦ – означенията са като на фиг.2; t – температура на забоя, 0C; t1 – температура на устието, 0C; t2 – температура на върха на циментовия камък в затръбието, 0C; t3 – температура на флуида на устието при фонтаниращ сондаж, 0C; t4 – температура на флуида в ОК на нивото на върха на циментовия камък в затръбието при фонтаниращ сондаж, 0C; t3’ – температура на флуида на устието при затворен сондаж, 0C; t4’– температура на флуида в ОК на нивото на върха на циментовия камък в затръбието при затворен сондаж, 0C. Представената методика е подходяща при изменение на температурата на скалите в дълбочина близко до линейното такова и по-малки температурни разлики. При изразени отклонения от Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org
линейната зависимост, харак-терни за ВТГС и по-големи температурни разлики, тя може да даде грешки в порядъка на 10 – 15 % и повече. Методика 2: Базира се на определянето на средноуравновесената стойност на ∆tср , което е илюстрирано на фиг. 4. t1
t3’
t1-1
t3
t1-2
t3-1
t,
l1 l2
t3-2
l3
∆ti t3-3
t1-3
l0 термограма
lЦ
t4’
t1-i
t2
t3-i
li
t3-n
ln
t4
t1-n
t z, m
фиг.4. Схема за пресмятане. използваните означенията са като на фиг.3; t1-i и t3-i са температури (точки от термограмата) получени при линейна апроксимация на термограмата, 0C. Изчислението се извършва по формулата: ∆tср = Σ(∆ti/li) / l0 , 0C (10) където: ∆ti – средна температура за апроксимираното геотермално стъпало, 0C (виж фиг. 4); ∆ti = 0,5 . [(t3-i – t1-i) + (t3-3 – t1-3)] , 0C; (фиг. 4); li – вертикална дължина на апроксимираното геотермално стъпало, m (виж фиг. 4); 3. Проверка на допустимата сила на изкубване в ОК. След определяне на необходимата сила на натягане PH трябва да се извърши проверка на условието за якост при опън по дължина на нецементирания участък на ОК. За всяко сечение на ОК (за всяка секция на ОК) трябва да е изпълнено условието: [Pдоп] ≥ Pi-i , KN (11); където: [Pдоп] – допустима опънна сила, KN; Pi-i – големина на опънна сила в разглежданото сечение, KN (виж фиг. 5); [Pдоп] = (Pизк / kсиг ) . KT , KN; Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org
където: Pизк – допустимо изкубващо натоварване за тялото на ОК, зависимост от марката стомана, дебелината на стената и типа на резбовите съидинения при граница на провлачане ≤ 0,5, взима се по данни на производителя, KN; kсиг – коефициент на сигурност, зависещ от дълбочината на спускане на ОК, като за дълбочини до 2000 m, kсиг = 1,15 – 1,2; KT – коефициент, отчитащ намаляването на якостта на опън (изкубване) по отношение на границата на провлачане с нарастване на температурата (в таблицаата по-долу); Температура, 0 C
Марка стомана на ОК: С, Д, К 0,94 0,93 0,90 0,83 0,76
100 150 200 250 300
Е, Л, М 0,99 0,98 0,96 0,93 0,90
Pi-i – се определя от разликата: Pi-i = PH – G0 (i-i) , KN (виж фиг.5); където: PH – сила на натягане (максимална опънна сила на устието), KN; G0 (i-i) – сила на тежестта на ОК във въздушна среда над разглежданото сечение, KN; PH 1 1
P, KN
сечe ние
Pi-i = , KN
1-1
PH
2
2-2
PH – G0 (2-2)
3
3
3-3
PH – G0 (3-3)
i
i
i-i
PH – G0 (i-i)
n
n
n-n
PH – G 0
l0
2
l lЦ
z, m
фиг.5. В случай, че якостната проверка по формула (11) за приетата конструкция на ОК не е изпълнена са възможни следните решения: използване на ОК с по-голяма дебелина на стената; използване на ОК от по-висока марка стомана; намаляване на дължината на нецементирания участък от ОК. Критериите при оразмеряване на ОК трябва да отчитат следните фактори: да се използва една и съща марка стомана за цялата ОК, имайки се предвид високата корозионна агресивност на флуида и предпоставките за електро-химическа корозия; използване на резбови съидинения с повишена херметичност и поемащи по-големи изкубващи натоварвания; реализирането по възможност на конструкция на ОК с еднакъв вътрешен диаметър, както от хидродинамична гледна точка, така и по отношение на корозията. Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org
3. Проверка на циментирания участък на ОК. За циментирането на ОК е необходимо да се използват високотемпературни цименти с повишена корозионна устойчивост (например клас J по API). При това циментовия камък (в циментирания участък от ОК) трябва да обезпечи: необходимата сила на сцепление (циментов камък - ОК и циментов камък - стена на сондажа), която да гарантира силата на натягане на ОК; необходимата херметичност на затръбието на ОК при различните състояния на сондажа (отворен или затворен). Силата на сцепление на циментовия камък с ОК PЦК’ и силата на сцепление на цименто-вия камък със стената на сондажа PЦК” се определят от формулите: PЦК’ = π . D . lЦ τ’ , KN (12); PЦК” = π . DC . lЦ τ” , KN (13); където: D – външен диаметър на ОК, m; DС – диаметър на сондажа, m; lЦ – дължина на цимент. участък на ОК, m; τ’ – напрежение на сцепление в контактната зона циментов камък-ОК, KPa; τ” – напрежение на сцепление в контактната зона циментов камък-стена на сондажа, KPa (* виж в таблицата); * Технологични мероприятия при циментацията с използване на: четки и миещи буферни течности (МБТ) МБТ без четки и МБТ четки и МБТ абразивни буферни течности неабразивни буферни течности без буферни течности
τ’х103, KPa
τ”х103 , KPa
∆p’, MPa/m
1
5
0,5 0,05
2 1
∆p”, MPa/m
0,5 0,2
2 1
0,05
1
0,01
0,5
Съответно трябва да са изпълнени условията: PЦК’ ≥ PH , KN (14); PЦК” ≥ PH , KN (15). Условието за херметичност на затръбието се определя от условията: lЦ ≥ pmax / ∆p’ , m (16); lЦ ≥ pmax / ∆p” , m (17); където: pmax – максимално налягане налягане при затворен сондаж, MPa; ∆p’ – допустим градиент на проникване на флуида в контактната зона циментов камък-ОК, MPa/m (* виж в таблицата); Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org
∆p” – допустим градиент на проникване на флуида в контактната зона циментов камък-стена на сондажа, MPa/m (* виж в таблицата); pmax =pуст + ρфл . g . l. 10-6 , MPa; (18) където: pуст – устиево налягане при затворен сондаж, MPa; ρфл – плътност на ПВС, kg/m3; l – дълбочина (дължина) на ОК, m.
В. Методика за пресмятане на неокачени ОК във ВТГС. Значителните температурни напрежения в ОК определят високите изкубващи натоварвания при натягането им в колонната глава. Това налага: използване на по-високи марки стомана за ОК; увеличаване на дебелината на стената на ОК; или увеличаване дължината на циментирания участък от ОК. Един от начините да се избегне горе посоче-ното е нециментирания участък от ОК да не се натяга и окачва в колонна глава фиксирана към кондуктора, а да се остави свободен за линейни деформации (удължения) при херметизирано затръбие. Този начин дава възможност за икономия на метал и използване на по-ниски марки стомана във ВТГС, но изисква висока херметичност на резбовите съидинения. Изменението на осовите сили по дължина на нецементирания участък на l0 на една такава ОК е представен на фиг. 6. натискови сили
-P
опънни сили
Gу
+ P, KN
l 0
G0 PІ
PІІ z, m
P1 + P2 + P3
фиг.6. Изменение на осовите сили. PІ – сумарна натискова сила KN; PІІ – сумарна опънна сила KN; Gу – сила на тежестта на устиевата арматура, KN; останалите означения са както горе използваните. Резултантната осова сила PR в ОК се определя от формулата: Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org
PR = - (PI – PII) , KN (19); където: означенията са на фиг. 6; и съответно при: PR > 0 – ОК работи на опън (удължава се); PR < 0 – ОК работи на натиск (скъсява се). В повечето случаи, във ВТГС ОК работи на оън поради големите температурни напрежения внея (виж фиг. 7). натискови сили
опънни сили
-P
PR + P, KN
l 0
PІІ
PІ z, m
фиг. 7. Изменение на PR по дължина l0 при PR > 0. 1. Проверка на ОК на максимално вътрешно налягане. Извършва се по начина описан в Б.І.1. 2. Определяне на критичната дължина lкр на ОК и броя на центраторите. Устойчивостта на нецементирания участък от ОК (т.е. да не се изкълчи и огъне надлъжно) се обезпечава от центратори. Местата им на поставяне в ОК се определят от критичната дължина lкр на ОК , при която тя губи устойчивост при условието: hЦ ≤ lкр , m (20); където: hЦ – разстояние между центраторите, m; lкр – критична дължина, m. lкр = 1,795 . (E . J / q . g)1/3 , m (21); където: E – модул на линейна деформация, Pa; J – инерционен момент на напречното сечение на ОК, m4; Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org
J = π/64 . (D4 – d4ср) , m4; q – маса на един линеен метър от ОК, kg/m; g = 9,81 m/s2; Разстоянието между центраторите hЦ , определено по ф-ла (21) се закръглява към по-малкото цяло число. Броят на центраторите nЦ за ОК се определя от отношението: nЦ = l0 / hЦ , бр (22); 3. Определяне на удължението ∆l на ОК. Удължението ∆l на ОК при затворен или работещ сондаж (фонтанна експлоатация) се определя от формулата: ∆l = PR . l0 / E . F , m (23); където: PR – резултантна опънна сила в ОК, определяща се за различните условия по ф-ла (19) и фиг. 6, N; останалите означения са както използваните. ** Необходимо е да се вземе под внимание, че високите температури понижават и стойността на модул на линейна деформация E. Коефициента KE за корекция на E е представен в таблицата по-долу. Температура, 0 C 100 150 200 250 300
Марка стомана на ОК: С, Д, К 0,94 0,93 0,92 0,91 0,9
Е, Л, М 0,99 0,98 0,97 0,96 0,94
Г. Проверка на ОК на комбинирано двумерно напрегнато състояние. Независимо кой от двата метода е приложен за изпълнение на ОК – окачена или неокачена ОК, е необходимо да се проверят нейните най-натоварени сечения на двумерно напрегнато състояние. Съответно това са: сечението в началото на нецементирания участък на ОК (над циментовия камък в затръбието); и сечението на ОК в зоната на устието. За тези сечения трябва да бъде изпълнено условието: σекв ≤ [σдоп] , MPa (23); където: σекв – еквивалентно напрежение по ІV якостна хипотеза, MPa; [σдоп] – допустимо напрежение, MPa. σекв = (σ2z + 3 . σ2τ)0,5 ,
(24);
където: σz – опънно напрежение, MPa; Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org
στ – тангенциално напрежение пораждано от вътрешното налягане, MPa; σz = Pi-i / Fi-i , MPa; Pi-i – опънна сила в разглежданото сечение (виж фиг. 5), MN; Fi-i – площ на разглежданото сечение, m2; στ = pвът .D / 2 . δ , MPa; pвът – вътрешно налягане в разглежданото сечение, определено по ф-ла (3), MPa; D – външен диаметър на ОК, mm; δ – дебелина на стената на ОК, mm; [σдоп] = σпровл / kсиг , MPa; σпровл – граница на провлачане (взима се от таблици), MPa; kсиг – коефициент на сигурност; kсиг = 1,8 – 2
Този учебен материал е публикуван от потребител в www.referati.org