Исследование ползучести каменных солей и применение в инженерных расчетах конструкции скважин

Сочетание условий залегания (напряженно-деформированного состояния и температуры) и реологии (ползучесть) горных пород в определенных горизонтах, в особенности для каменных солей, приводит к концентрации напряжений в процессе строительства и/или эксплуатации скважин, что приводит к разрушению конструкции скважин. Поэтому отбор и исследование реологических характеристик каменных солей разреза месторождений Восточной Сибири следует ввести в практику. В работе приводятся результаты лабораторных исследований каменных солей в разрезе одного из месторождений Восточной Сибири и построение упруго-вязко- пластической модели для расчета зависимости давления смыкания на обсадной колонне от времени. Согласно полученным результатам формулируются рекомендации по выбору обсадной колонны при заданном сроке службы конструкции скважины.
Материалы и методы
Ползучесть каменных солей была исследована в лаборатории ООО «НовосибирскНИПИнефть» на полноразмерных образцах керна диаметром 100 мм и длиной 200 мм. Для создания длительного псевдотрёхосного нагружения использовалось силонагружающее устройство, позволяющее развивать обжимное давление в диапазоне 0-50 МПа и осевое усилие в диапазоне 0-90 МПа в пересчете на сечение образца. В течение длительного времени (7 суток) обеспечивалось поддержание заданных давлений с точностью не хуже ±1 атм, и поддержание температуры с точностью не хуже ±0,5 °С. Измерение осевой деформации образца проводилось инкрементным датчиком линейных перемещений с абсолютной погрешностью измерений 10 мкм. На основе полученных данных были откалиброваны общепринятые модели ползучести, на основании которых получены кинетические константы. Данные константы использовались при расчете прочности обсадных колонн, согласно методике Саркисова.
Итоги
В ходе экспериментов были измерены скорости стационарной деформации при диапазоне дифференциальных напряжений 12-33 МПа и температур 15-50 °С. Полученные значения находятся в диапазоне 10-9-10-6 сек-1. Согласно вышеуказанным моделям были проведены расчеты прочностных характеристик обсадных колонн. Который в дальнейшем был сопоставлен с анализом инцидентов со сминанием обсадных колонн на двух площадях месторождения в Восточной Сибири.
Выводы
Авторами статьи получены результаты по исследованию реологических свойств (ползучесть) каменных солей ангарской и усольской свит в диапазоне дифференциальных напряжений 12-33 МПа и температур 15-50 °С, установившиеся скорости относительных деформаций лежат в диапазоне 10-9-10-6 сек-1. Полученные кривые деформаций были обработаны согласно феноменологической модели. Кинетические константы в модели ползучести принимают характерные значения ? = 0,20 ± 0,06 и ? = 0,33 ± 0,06, что согласуется с литературными данными. Причем с увеличением дифференциального напряжения ? убывает, а ? возрастает. Полученные результаты позволили рассчитать долговечность крепи скважины. Так, для обеспечения срока службы 30 лет конструкции скважины необходима обсадная колонна номинальным диаметром 168 мм с толщиной стенки 12,1 мм класса прочности Д или с толщиной стенки 10,6 мм класса Е.