Численное моделирование смещения стенок горизонтальной скважины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Численное моделирование смещения стенок горизонтальной скважины

В настоящее время более 90% нефтяных и газовых скважин являются наклонно-направленными и горизонтальными. При разработке проектной документации на строительство наклонно-направленных и горизонтальных скважин проектные организации и компании-операторы, как правило, вводят раздел по геомеханическому обеспечению устойчивости стенок скважин, а при строительстве скважин выполняют мониторинг в режиме реального времени, так как нарушение устойчивости стенок скважин (сужение, кавернообразование) может привести к аварийным ситуациям, как в процессе бурения, так и при эксплуатации скважин (прихваты бурильной колонны, смятие обсадных колонн).

В данной работе рассмотрена задача сужения стенки горизонтальной скважины в изотропном упругом массиве горных пород непосредственно после образования ствола скважины долотом. Задача решена методом конечных элементов.

На рисунке 1 показана трехмерная конечно-элементная модель горизонтальной скважины в изотропном упругом массиве горных пород, выполненная в программе Ansys Workbench.

скважина изотропный долото

Рисунок 1. Горизонтальная скважина в изотропном упругом массиве горных пород

При моделировании процесса деформирования массив горных пород с горизонтальной скважиной рассматривается в виде блока массива горных пород размером 5*5*5 м с пробуренным в нем интервалом горизонтальной скважины. Диаметр интервала скважины составляет 216 мм.

Массив горных пород имеет следующие свойства: коэффициент Пуассона м=0,30, модуль упругости С=1600,00 МПа, плотность горных пород с=1600,00 кг/м³. Напряженное состояние горных пород определяется горным давлением равным весу вышележащих пород р_г=57,21 МПа, боковым горным давлением р_б=24,52 МПа, давлением бурового раствора р_с=26,70 МПа.

Сетка конечных элементов горного массива создана методом Mapped face meshing (равномерная упорядоченная сетка). Сетка конечных элементов на стенке скважины создана методом измельчения Refinement.

Рисунок 2. Эквивалентная упругая деформация

На рисунке 2 показано распределение упругой деформации в окрестности скважины. Максимальные значения упругой деформации соответствуют боковым стенкам скважины, а минимальные значения упругой деформации соответствуют верхней и нижней стенке скважины. В результате деформации стенка горизонтальной скважины приобретает форму эллипса.

На рисунке 3 показано распределение эквивалентных напряжений в окрестности скважины. Максимальное значение напряжения (?86,93 МПа) соответствует боковым стенкам скважины, а минимальное значение (?9,81 МПа) соответствует верхней и нижней стенкам. Таким образом, для боковых стенок характерно напряженно-деформированное состояние растяжения, а для верхней и нижней стенок напряженно-деформированное состояние сжатия. С увеличением расстояния от стенки скважины значения напряжений и деформаций снижается.

На рисунке 4 показано распределение упругого смещения стенки горизонтальной скважины. Наибольшее значение смещения соответствует боковым стенкам скважины (?0,063 мм).

Рисунок 3. Эквивалентное напряжение по Мизесу

Рисунок 4. Смещение стенки горизонтальной скважины при горном давлении рг=57,21 МПа, боковом горном давлении рб=24,52 МПа, давлении бурового раствора рс=26,70 Мпа

Рисунок 5. Смещение стенки горизонтальной скважины при горном давлении р_г=100 МПа, боковом горном давлении р_б=42,857МПа, давлении бурового раствора р_с=57,21 МПа

На рисунке 5 показано смещение стенки горизонтальной скважины при горном давлении р_г=100 МПа, боковом горном давлении р_б=42,857МПа, давлении бурового раствора р_с=57,21 МПа. Максимальное значение смещения стенки горизонтальной скважины на боковой стенке составляет 0,098 мм.

Таким образом, решение задачи определения смещения стенки горизонтальной скважины в упругом изотропном массиве горных пород, полученное методом конечных элементов в трехмерной постановке совпадает с аналитическим решением данной задачи для условия плоской деформации [2]. В результате расчета получены распределения эквивалентных напряжений, эквивалентных упругих деформаций, смещений на стенке и в окрестности скважины. Показано что в результате деформирования стенка скважины приобретает форму эллипса. Результаты расчетов полей смещений стенок горизонтальной скважины позволяют оценить вероятность прихвата элементов компоновки низа бурильной колонны в процессе бурения скважин.

Целью дальнейших исследований является аналитическое и численное решение задач упруго-пластического деформирования стенок горизонтальной скважины с учетом ползучести горных пород, непосредственно после образования скважины долотом и после крепления скважины обсадными трубами.

Список литературы

1. Басарыгин, Ю.М., Булатов, А.И., Проселков, Ю.М. Бурение нефтяных и газовых скважин. - М.: Недра-Бизнесцентр, 2001. - 632 с.

2. Попов, А.Н., Могучев, А.И., Попов, М.А. Деформирование стенок наклонной скважины и его влияние на работу и изнашивание буровых долот. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море: научно-технический журнал. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2008. - №3. - С. 6-12.

Размещено на Allbest.ru