Опубликован: 30.01.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 4076 / 1114 | Длительность: 15:35:00
Тема: Экология
Специальности: Эколог
Лекция 7:

Осложнения в процессе эксплуатации нефтегазовых систем

< Лекция 6 || Лекция 7: 1234 || Лекция 8 >

Гидравлический разрыв пласта при бурении

При проектировании и осуществлении буровых работ важно понимать механизм образования и роста трещин в горных породах. Это знание позволяет управлять поцессами разрушения горных пород и оптимизировать эти процессы.

Использование в расчетах на прочность классических критериев разрушения, основанных на испытаниях горных пород на сжатие, растяжение и сдвиг, не всегда отражает реальные процессы разрушения, связанными с хрупким распространением трещин в породах.

Хрупкое разрушение скальных пород начинается при сравнительно малых пластических деформациях. это разрушение начинается практически сразу после завершения упругой деформации и характеризуется высокой скоростью протекания процесса.

Процесс разрушения состоит из двух последовательно протекающих стадий: зарождения трещины и роста трещины. Условие полного разрушения горной породы предполагает необходимость распространения трещины, зародившейся в одном ее элементе, на соседний элемент. Микротрещина должна преодолеть границу структурного зерна, поэтому для начала разрушения необходимо большее напряжение, чем для его распространения. Иначе говоря, существует некоторое барьерное напряжение, которое следует преодолеть, чтобы распространение трещины началось.

Начало разрушения обусловлено высокими локальными растягивающими или сдвиговыми напряжениями и деформациями в вершинах трещин, которые являются местами концентрации напряжений. В хрупком материале невозможно измерить точные размеры трещины и радиус кривизны в ее вершине ( рис. 7.2).

Трещина отрыва в массиве горной породы

Рис. 7.2. Трещина отрыва в массиве горной породы

Механизм разрушения тела с трещиной происходит следующим образом: с увеличением нагрузки начальная длина трещины не изменяется, пока нагрузка не достигнет некоторого предельного значения. После этого начинается самопроизвольный процесс развития трещины без увеличения внешней нагрузки. Это означает, что для завершения процесса разрушения материала достаточно той упругой энергии, которая была запасена в окрестности трещины. При этом интенсивность высвобождения энергии растет вместе с увеличением длины трещины.

Быстрому росту трещины в горной породе, как в любом другом хрупком материале, предшествует ее медленное докритическое развитие. На докритической стадии процесса разрушения трещина распространяется с небольшой скоростью - первые миллиметры в час. После достижения критического размера скорость самопроизвольного распространения трещины в хрупком материале увеличивается на несколько порядков и может составить 0,7 от скорости звука в данном материале. В стекле трещина распространяется со скоростью 1,5 км/с, в металле - до 3,0 км/с, в алмазе - почти 8 км/с.

Анализ напряженного состояния материала около вершины трещин показывает, что величины напряжения зависят от геометрии и размеров тела, длины трещины, схемы приложения и величины внешних нагрузок. Все эти факторы могут быть учтены коэффициентом интенсивности напряжений К. Величина напряжений у вершины трещины прямо пропорциональна значению этого коэффициента. Размерность этого коэффициента - Н/м^{3/2}.

Для каждого типа трещин и каждого материала существует критическое значение коэффициента интенсивности напряжений K_C, по достижении которого начинается рост трещины.

Критерий разрушения материала (развития трещины) при деформации отрыва записывается в следующем виде:


K_I=K_{IC}
( 7.1)

За параметром K_{IC} закреплен термин вязкость разрушения. При выполнении условия (7.1) трещина начинает распространяться, так как интенсивность напряжений достигает критического значения материала K_{IC}.

Вязкость разрушения K_{IC} для разных материалов имеет следующие значения (Н/м^{3/2}):

Хрупкие горные породы ......... (0,6-3,5)\cdot 10^6

Стекло ........................ (0,3-0,6)\cdot 10^6

Металлы ....................... (15-180)\cdot 10^6

Для конкретных разновидностей осадочных пород вязкость разрушения K_{IC} имеет значения (Н/м^{3/2}): песчаник - 0,86\cdot 10^6; известняк - 0,35\cdot 10^6.

Для того чтобы неподвижную трещину в нагруженном теле вывести из состояния равновесия необходимо или увеличить нагрузку, или уменьшить энергию разрушения материала. Для устойчивой трещины малому приращению нагрузки соответствует малое приращение длины трещины.

Давление промывочной жидкости в скважине нельзя увеличивать неограниченно и бесконтрольно. При некотором значении давления в скважине p_{c\max} = p_{гр} в горной породе может произойти раскрытие существующих или образование новых трещин. Это явление называется гидравлическим разрывом горных пород. Гидроразрыв пород широко используется как технологический прием для увеличения притока к скважине в процессе извлечение нефти из пласта. Однако гидравлический разрыв горных пород, возникающий в процессе бурения, - явление вредное и его появления допускать нельзя.

Внешне в процессе бурения гидроразрыв пласта проявляется как резкое увеличение поглощения бурового раствора скважиной при превышении в ней определенного давления p_{гр}. При нагнетании в скважину жидкости с постоянным расходом происходит разрыв пласта, сопровождаемый характерным изменением давления в скважине. Вначале давление монотонно растет до некоторого значения p_{гр}, затем в момент наступления гидроразрыва давление скачком снижается. Наблюдения показывают, что в большинстве случаев скачок давления отсутствует, на основании чего можно заключить, что при гидроразрыве в основном раскрываются существующие трещины.

Гидравлический разрыв происходит при возникновении на стенках скважины растягивающих напряжений, превосходящих предел прочности горной породы на растяжение \sigma_р. Горные породы в земной коре находятся в условиях всестороннего неравномерного сжатия. В результате силового гидростатического воздействия на стенки скважины бурового раствора в первую очередь растягивающими могут стать тангенциальные напряжения. В таком случае возникают вертикальные гидравлические разрывы горной породы: 1 - на участке вертикального ствола скважины: 4 - на участке горизонтального ствола скважины ( рис. 7.3).

Схемы образования трещин гидравлиеского разрыва в массиве горных пород на вертикальном участке ствола скважины 1, 2 и на горизонтальном участке ствола скважины 3, 4

Рис. 7.3. Схемы образования трещин гидравлиеского разрыва в массиве горных пород на вертикальном участке ствола скважины 1, 2 и на горизонтальном участке ствола скважины 3, 4

Чаще всего первичные гидравлические разрывы происходят в радиальных плоскостях, проходящих через ось скважины.

Для предупреждения вертикального гидравлического разрыва и возникновения в процессе бурения вертикальных трещин необходимо, чтобы выполнялось условие:


p_{c\max}<p_{гр}=\sigma_р+2\xi ,
( 7.2)

где \xi - коэффициент бокового распора горной породы: p_г - горное (геостатическое) давление на рассматриваемой глубине z.

При регулировании давления в скважине посредством изменения плотности промывочной жидкости (бурового раствора) p_{c\max} условие предупреждения вертикального гидравлического разрыва пород (7.2) принимает следующий вид:


p_{c\max}<(p_{гр}-\Delta p)/gz.
( 7.3)

где \Delta p - величина технологического колебания давления в скважине.

После образования вертикальных трещин и фиксации их раскрытия буровым раствором боковое (горизонтальное) горное давление в прискважинной зоне увеличивается. После того как оно сравняется с полным (геостатическим) горным давлением или превзойдет его (главное вертикальное напряжение станет минимальным), гидравлический разрыв может происходить за счет образования горизонтальных дискообразных трещин.

В естественных условиях в породе имеются системы мелких трещин, закрытых горным давлением, которые после снятия или компенсации горного давления раскрываются. Любая из существующих в горной породе горизонтальных трещин 2 также может служить началом трещины гидравлического разрыва (см. рис. 7.3), если давление бурового раствора в скважине превысит некоторую критическую величину.

Расчет на прочность, предлагаемый механикой хрупкого разрушения, включает в себя три момента:

  • определение размера и положения опасной трещины;
  • определение коэффициента интенсивности напряжений K_I на фронте трещины с учетом напряжений технологического и эксплуатационного происхождения;
  • выбор критерия локального разрушения K_{IC} на фронте трещины и отыскание предельного состояния, которое соответствует началу гидравлического разрыва горной породы.

Для хрупких горных пород критические значения коэффициента интенсивности напряжений K_{IC} имеют значения (0,3-3,5)\cdot 10^6 Н/м^{1,5), для металлов - (15-180)\cdot 10^6 Н/м^{1,5}.

С помощью названных трех положений механики хрупкого разрушения получено выражение для определения давления в скважине p_с, при котором возникает гидравлический разрыв за счет развития горизонтальной дискообразной трещины с известным радиусом a:


p_с=p_{гр}=p_{г}+\frac{\sqrt{\pi}K_{IC}}{2\sqrt{a}}
( 7.4)

где p_г - горное давление на глубине расположения трещины.

Здесь предполагается, что давление бурового раствора симметрично приложено к верхней и нижней стенкам трещины, постоянно по длине трещины и равно давлению раствора в скважине.

Из последней зависимости следует, что давление горизонтального гидравлического разрыва пород превышает местное горное давление на некоторую величину, зависящую от размера трещин и прочностных свойств пород. Для больших глубин залегания и трещин большой протяженности вклад второго слагаемого в общее разрывающее давление невелик.

Решение (7.4) справедливо для случая гидравлического разрыва, когда скважина подсекает отдельную горизонтальную трещину. В результате гидроразрыва трещины увеличивают свою протяженность, разрастаются, увеличивают свое раскрытие и соединяются друг с другом.

Потери нефти и нефтепродуктов из резервуаров

При хранении нефти и нефтепродуктов в резервуарах потери происходят в результате негерметичности сварных швов, утечек через свищи, уноса при дренировании подтоварной воды, а также в результате испарения и последующего вытеснения паровоздушной смеси в атмосферу.

Процесс испарения с поверхностного слоя в резервуарах происходит при любой температуре. В герметичном резервуаре испарение происходит до тех пор, пока его газовое пространство (ГП) не будет насыщено углеводородами до концентрации насыщенных паров. Давление насыщенных паров летом больше, чем зимой, поэтому в теплое время года в атмосферу вытесняется более насыщенная углеводородами паровоздушная смесь.

Потери от испарения неизбежны даже из герметичных резервуаров. В зависимости от механизма попадания паровоздушной смеси из резервуара в атмосферу различают потери от "больших дыханий", потери от "малых дыханий" и потери от вентиляции.

Потери от "больших дыханий" происходят при операциях заполнения-опорожнения. При отборе нефтепродукта из резервуара объем ГП увеличивается, давление в нем падает, и через дыхательный клапан в резервуар подсасывается атмосферный воздух. Это приводит к снижению концентрации углеводородов в ГП и интенсификации процесса испарения. При последующем заполнении резервуара насыщенная углеводородами смесь вытесняется в атмосферу.

Если принять плотность паров нефти 2 кг/м^3, концентрацию насыщенных паров нефти в летнее время 30%, то за одно полное опорожнение и последующее заполнение резервуара РВС 5000 в атмосферу попадает около 3 т легких фракций нефти.

Потери от "малых дыханий" обусловлены суточными колебаниями температуры и атмосферного давления. В ночное время температура наружного воздуха и смеси в ГП резервуара уменьшается, что приводит к снижению давления в нем. Как только вакуум достигает определенной величины, срабатывает клапан, и внутрь резервуара поступает атмосферный воздух. От этого процесс испарения интенсифицируется.

В дневное время давление в ГП резервуара увеличивается. Как только оно достигнет определенной величины, срабатывает клапан давления, и паровоздушная смесь вытесняется в атмосферу. Для рассмотренного выше примера за одно "малое дыхание" в атмосферу попадает около 100 кг легких фракций углеводородов. За год общие потери от "малых дыханий" могут быть очень большими.

Годовые потери от вентиляции ГП при наличии только двух отверстий площадью по 1 см^2 в крыше или корпусе составляют около 1,5 т. С целью предотвращения утечек из резервуаров последние периодически подвергаются гидравлическим испытаниям. При обнаружении свищей и запотевающих участков корпуса резервуар выводят из эксплуатации для ремонта.

Сокращение потерь от испарения достигается применением следующих методов:

  • уменьшение объема ГП резервуара:
  • уменьшение амплитуды колебаний температуры ГП резервуара:
  • улавливание паров углеводородов, вытесняемых из резервуара ( рис. 7.4).
Газоуравнительная система

Рис. 7.4. Газоуравнительная система

Для уменьшения объема ГП применяют понтоны и плавающие крыши. Для уменьшения колебаний температуры резервуары покрывают тепловой изоляцией и окрашивают в светлые тона. Простейшим средством улавливания паров, вытесняемых из резервуаров, является газопровод, соединяющий ГП резервуаров. Газовая обвязка сокращает объем "дыхания" (потери) в тех случаях, когда при заполнении одного резервуара другой опорожняется.

Скорость испарения УВ из резервуаров хранения нефти зависит от упругости паров, фракционного состава и температуры. На 1 т закачиваемой в резервуар РВС-2000 нефти потери в летнее время составляют около 1,1 кг. Для ДНС эти потери составляют до 80 т/год.

Все операции необходимо проводить при максимальной герметизации рабочей зоны с сокращением числа перекачек, при поддержке максимального наполнения резервуаров. К специальным мероприятиям относят уменьшение объема газового пространства, применение газоуравнительных систем и установок по улавливанию УВ, использование отражательно-тепловой защиты от солнечной радиации (снижение на 50%), применение плавающих крыш и понтонов, заглубление резервуаров в грунт.

< Лекция 6 || Лекция 7: 1234 || Лекция 8 >
Райхан Жуманова
Райхан Жуманова
Если я прошла курс где мой сертификат
Ольга Воробьева
Ольга Воробьева