НОУ ІНТУЇТ | лекція | Ускладнення в процесі експлуатації нафтогазових систем

1. Гідравлічний розрив пласта при бурінні При проектуванні і здійсненні бурових робіт важливо розуміти...

Гідравлічний розрив пласта при бурінні

При проектуванні і здійсненні бурових робіт важливо розуміти механізм утворення і зростання тріщин в гірських породах. Це знання дозволяє управляти поцессе руйнування гірських порід і оптимізувати ці процеси.

Використання в розрахунках на міцність класичних критеріїв руйнування, заснованих на випробуваннях гірських порід на стиск, розтяг і зсув, не завжди відображає реальні процеси руйнування, пов'язаними з крихким поширенням тріщин в породах.

Крихке руйнування скельних порід починається при порівняно малих пластичних деформаціях. це руйнування починається практично відразу після завершення пружної деформації і характеризується високою швидкістю протікання процесу.

Процес руйнування складається з двох послідовно протікають стадій: зародження тріщини і зростання тріщини. Умова повного руйнування гірської породи передбачає необхідність поширення тріщини, яка зародилася в одному її елементі, на сусідній елемент. Мікротріщина повинна подолати кордон структурного зерна, тому для початку руйнування необхідна більша напруга, ніж для його поширення. Інакше кажучи, існує деякий бар'єрне напруга, яке слід подолати, щоб поширення тріщини почалося.

Початок руйнування обумовлено високими локальними розтягують або зсувними напруженнями і деформаціями в вершинах тріщин, які є місцями концентрації напруг. У крихкому матеріалі неможливо виміряти точні розміри тріщини і радіус кривизни в її вершині ( Мал. 7.2 ).

Мал.7.2.

Тріщина відриву в масиві гірської породи

Механізм руйнування тіла з тріщиною відбувається наступним чином: зі збільшенням навантаження початкова довжина тріщини не змінюється, поки навантаження не досягне деякого граничного значення. Після цього починається мимовільний процес розвитку тріщини без збільшення зовнішнього навантаження. Це означає, що для завершення процесу руйнування матеріалу досить тієї пружної енергії, яка була запасена в околиці тріщини. При цьому інтенсивність вивільнення енергії зростає разом зі збільшенням довжини тріщини.

Швидкому зростанню тріщини в гірській породі, як в будь-якому іншому крихкому матеріалі, передує її повільне докритичний розвиток. На докритичній стадії процесу руйнування тріщина поширюється з невеликою швидкістю - перші міліметри на годину. Після досягнення критичного розміру швидкість мимовільного поширення тріщини в тендітному матеріалі збільшується на кілька порядків і може скласти 0,7 від швидкості звуку в даному матеріалі. У склі тріщина поширюється зі швидкістю 1,5 км / с, в металі - до 3,0 км / с, в алмазі - майже 8 км / с.

Аналіз напруженого стану матеріалу біля вершини тріщин показує, що величини напруги залежать від геометрії і розмірів тіла, довжини тріщини, схеми програми та величини зовнішніх навантажень. Всі ці фактори можуть бути враховані коефіцієнтом інтенсивності напружень К. Величина напружень біля вершини тріщини прямо пропорційна значенню цього коефіцієнта. Розмірність цього коефіцієнта - .

Для кожного типу тріщин і кожного матеріалу існує критичне значення коефіцієнта інтенсивності напружень , Після досягнення якого починається зростання тріщини.

Критерій руйнування матеріалу (розвитку тріщини) при деформації відриву записується в наступному вигляді:

за параметром закріплений термін в'язкість руйнування. При виконанні умови (7.1) тріщина починає поширюватися, так як інтенсивність напружень досягає критичного значення матеріалу .

в'язкість руйнування для різних матеріалів має наступні значення ( ):

Тендітні гірські породи .........

Скло ........................

Метали .......................

Для конкретних різновидів осадових порід в'язкість руйнування має значення ( ): Піщаник - ; вапняк - .

Для того щоб нерухому тріщину в навантаженому тілі вивести зі стану рівноваги необхідно або збільшити навантаження, або зменшити енергію руйнування матеріалу. Для стійкої тріщини малому приросту навантаження відповідає мале збільшення довжини тріщини.

Тиск промивної рідини в свердловині не можна збільшувати необмежено і безконтрольно. При деякому значенні тиску в свердловині в гірській породі може статися розкриття існуючих або утворення нових тріщин. Це явище називається гідравлічним розривом гірських порід. Гідророзрив порід широко використовується як технологічний прийом для збільшення припливу до свердловини в процесі вилучення нафти пласта. Однак гідравлічний розрив гірських порід, що виникає в процесі буріння, - явище шкідливе і його появи допускати не можна.

Зовні в процесі буріння гідророзрив пласта проявляється як різке збільшення поглинання бурового розчину свердловиною при перевищенні в ній певного тиску . При нагнітанні в свердловину рідини з постійною витратою відбувається розрив пласта, супроводжуваний характерним зміною тиску в свердловині. Спочатку тиск монотонно зростає до деякого значення , Потім в момент настання гідророзриву тиск стрибком знижується. Спостереження показують, що в більшості випадків стрибок тиску відсутній, на підставі чого можна зробити висновок, що при гідророзриві в основному розкриваються існуючі тріщини.

Гідравлічний розрив відбувається при виникненні на стінках свердловини розтягують напруги, що перевершує межу міцності гірської породи на розтягнення . Гірські породи в земній корі знаходяться в умовах всебічного нерівномірного стиснення. В результаті силового гідростатичного впливу на стінки свердловини бурового розчину в першу чергу розтягують можуть стати тангенціальні напруги. В такому випадку виникають вертикальні гідравлічні розриви гірської породи: 1 - на ділянці вертикального стовбура свердловини: 4 - на ділянці горизонтального стовбура свердловини ( Мал. 7.3 ).

Мал.7.3.

Схеми утворення тріщин гідравліеского розриву в масиві гірських порід на вертикальній ділянці стовбура свердловини 1, 2 і на горизонтальній ділянці стовбура свердловини 3, 4

Найчастіше первинні гідравлічні розриви відбуваються в радіальних площинах, що проходять через вісь свердловини.

Для попередження вертикального гідравлічного розриву і виникнення в процесі буріння вертикальних тріщин необхідно, щоб виконувалася умова:

де - коефіцієнт бокового розпору гірської породи: - гірське (геостатічеських) тиск на розглянутій глибині .

При регулюванні тиску в свердловині за допомогою зміни щільності промивної рідини (бурового розчину) умова попередження вертикального гідравлічного розриву порід (7.2) приймає наступний вигляд:

де - величина технологічного коливання тиску в свердловині.

Після утворення вертикальних тріщин і фіксації їх розкриття буровим розчином бічне (горизонтальне) гірничий тиск в прискважинной зоні збільшується. Після того як воно зрівняється з повним (геостатічеських) гірським тиском або перевершить його (головне вертикальне напруга стане мінімальним), гідравлічний розрив може відбуватися за рахунок утворення горизонтальних дископодібних тріщин.

У природних умовах в породі є системи дрібних тріщин, закритих гірським тиском, які після зняття або компенсації гірського тиску розкриваються. Будь-яка з існуючих в гірській породі горизонтальних тріщин 2 також може служити початком тріщини гідравлічного розриву (див. Мал. 7.3 ), Якщо тиск бурового розчину в свердловині перевищить деяку критичну величину.

Розрахунок на міцність, пропонований механікою крихкого руйнування, включає в себе три моменти:

Для тендітних гірських порід критичні значення коефіцієнта інтенсивності напружень мають значення , Для металів - .

За допомогою названих трьох положень механіки крихкого руйнування отримано вираз для визначення тиску в свердловині , При якому виникає гідравлічний розрив за рахунок розвитку горизонтальної дископодібної тріщини з відомим радіусом :

де - гірничий тиск на глибині розташування тріщини.

Тут передбачається, що тиск бурового розчину симетрично докладено до верхньої і нижньої стінок тріщини, постійно по довжині тріщини і дорівнює тиску розчину в свердловині.

З останньої залежності випливає, що тиск горизонтального гідравлічного розриву порід перевищує місцеве гірське тиск на деяку величину, що залежить від розміру тріщин і міцних властивостей порід. Для великих глибин залягання і тріщин великої протяжності внесок другого доданка в загальне розриває тиск невеликий.

Рішення (7.4) справедливо для випадку гідравлічного розриву, коли свердловина підсікає окрему горизонтальну тріщину. В результаті гідророзриву тріщини збільшують свою протяжність, розростаються, збільшують своє розкриття та з'єднуються один з одним.

Втрати нафти і нафтопродуктів з резервуарів

При зберіганні нафти і нафтопродуктів в резервуарах втрати відбуваються в результаті негерметичності зварних швів, витоків через свищі, винесення при дренуванні підтоварної води, а також в результаті випаровування і подальшого витіснення пароповітряної суміші в атмосферу.

Процес випаровування з поверхневого шару в резервуарах відбувається при будь-якій температурі. У герметичному резервуарі випаровування відбувається до тих пір, поки його газовий простір (ДП) не насичене вуглеводнями до концентрації насичених парів. Тиск насичених парів влітку більше, ніж взимку, тому в теплу пору року в атмосферу витісняється більш насичена вуглеводнями паровоздушная суміш.

Втрати від випаровування неминучі навіть з герметичних резервуарів. Залежно від механізму потрапляння пароповітряної суміші з резервуара в атмосферу розрізняють втрати від "великих подихів", втрати від "малих подихів" і втрати від вентиляції.

Втрати від "великих подихів" відбуваються при операціях заповнення-спорожнення. При відборі нафтопродукту з резервуара обсяг ДП збільшується, тиск у ньому падає, і через дихальний клапан в резервуар підсмоктується атмосферне повітря. Це призводить до зниження концентрації вуглеводнів в ДП і інтенсифікації процесу випаровування. При подальшому заповненні резервуара насичена вуглеводнями суміш витісняється в атмосферу.

Якщо прийняти щільність парів нафти 2 , Концентрацію насичених парів нафти в літню пору 30%, то за одне повне спорожнення і подальше заповнення резервуара РВС 5000 в атмосферу потрапляє близько 3 т легких фракцій нафти.

Втрати від "малих подихів" обумовлені добовими коливаннями температури і атмосферного тиску. У нічний час температура зовнішнього повітря і суміші в ДП резервуара зменшується, що призводить до зниження тиску в ньому. Як тільки вакуум досягає певної величини, спрацьовує клапан, і всередину резервуара надходить атмосферне повітря. Від цього процес випаровування інтенсифікується.

У денний час тиск в ДП резервуара збільшується. Як тільки воно досягне певної величини, спрацьовує клапан тиску, і паровоздушная суміш витісняється в атмосферу. Для розглянутого вище прикладу за одне "мале дихання" в атмосферу потрапляє близько 100 кг легких фракцій вуглеводнів. За рік загальні втрати від "малих подихів" можуть бути дуже великими.

Річні втрати від вентиляції ДП при наявності тільки двох отворів площею по 1 в даху або корпусі складають близько 1,5 т. З метою запобігання витоку з резервуарів останні періодично піддаються гідравлічним випробуванням. При виявленні свищів і пітніти ділянок корпусу резервуар виводять з експлуатації для ремонту.

Скорочення втрат від випаровування досягається застосуванням таких методів:

• зменшення обсягу ДП резервуара:
• зменшення амплітуди коливань температури ДП резервуара:
• уловлювання парів вуглеводнів, усували з резервуара ( Мал. 7.4 ).

Газоуравнітельная система

Для зменшення обсягу ДП застосовують понтони і плаваючі дахи. Для зменшення коливань температури резервуари покривають тепловою ізоляцією і забарвлюють в світлі тони. Найпростішим засобом уловлювання парів, що витісняються з резервуарів, є газопровід, що з'єднує ДП резервуарів. Газова обв'язка скорочує обсяг "дихання" (втрати) в тих випадках, коли при заповненні одного резервуара інший спорожняється.

Швидкість випаровування УВ з резервуарів зберігання нафти залежить від пружності парів, фракційного складу і температури. На 1 т закачуваної в резервуар РВС-2000 нафти втрати в літню пору становлять близько 1,1 кг. Для ДНС ці втрати становлять до 80 т / рік.

Всі операції необхідно проводити при максимальної герметизації робочої зони зі скороченням числа перекачек, за підтримки максимального наповнення резервуарів. До спеціальних заходів відносять зменшення обсягу газового простору, застосування газоуравнітельних систем і установок з уловлювання УВ, використання відбивної-теплового захисту від сонячної радіації (зниження на 50%), застосування плаваючих дахів і понтонів, заглиблення резервуарів в грунт.