Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ГОРНАЯ ПОРОДА – ОБЪЕКТ РАЗРУШЕНИЯ

1.1 Характеристика сил связи в структуре горной породы

1.2 Классификация горных пород академика Сергеева Е.М

1.3 Твердая компонента горной породы

1.4 Жидкая компонента горной породы

1.4.1 Состояние воды в горной породе

1.5 Пористость и проницаемость горных пород

1.6. Горная порода как многокомп

онентная система

2. ГОРНАЯ ПОРОДА – СПЛОШНАЯ СРЕДА

2.1 Напряженно-деформированное состояние горных пород

2.1.1 Напряженное состояние в «точке»

2.1.2. Вектор перемещения и деформированное состояние в «точке»

2.2 Инвариантные соотношения для напряжений и деформаций при различных напряженных состояниях

2.3. Энергия изменения формы и объёма при деформировании

2.4 Геометрическая интерпретация напряженного состояния

3. РЕОЛОГИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

3.1 Аксиомы реологии. Виды идеальных деформаций

3.2 Сложные реологические тела

3.2.1 Упругопластическое тело Прандтля

3.2.2 Вязкоупругое тело Максвелла, ползучесть и релаксация напряжений

3.2.3 Тело Пойнтинга–Томсона

3.3 Особенности ползучести горных пород

3.4 Реологические параметры, модули деформации и их определение

3.4.1 Модуль Юнга – модуль продольной упругости

3.4.2 Коэффициент поперечной деформации

3.4.3 Коэффициент объемного деформирования

4. ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ

4.1 Механическая теория прочности Кулона

4.2 Механическая теория Кулона-Навье

4.3 Энергетическая теория прочности Гриффита А.А.

4.3.1 Эффект Иоффе А.Ф.

4.3.2 Эффект Ребиндера А.П. 1

4.4 Кинетическая теория прочности

5. ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗЛИЧНЫХ НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЯХ

5.1 Развитие разрушения и определение прочности при одноосном растяжении и сжатии образцов горных пород

5.1.1 Определение прочности при одноосном растяжении

5.1.2 Определение прочности при одноосном сжатии

5.1.3 Влияние трения на торцовых поверхностях на разрушение образцов и их прочность

5.1.4 Влияние жесткости системы нагружения на развитие разрушения

5.2 Разрушение образцов горных пород при трехосном сжатии

5.2.1 Разрушение образцов горных при всестороннем равнокомпонентном сжатии

5.2.2 Разрушение образцов при осесимметричном трехосном сжатии. Дилатансия

6. ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГОРНУЮ ПОРОДУ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ

6.1 Особенности разрушения образцов горной породы при динамическом приложении нагрузки

6.1.1 Локальное импульсное механическое воздействие наповерхность твердого тела

6.1.2 Показатели динамических свойств горных пород

6.1.3 Формы разрушения

6.1.4 Природа динамического действия шарошечного долота

6.1.5 Природа динамического действия лопастного долота

6.2 Разрушение образцов горной породы при статическом вдавливании инденторов

6.2.1 Определение твердости горных пород

6.2.2 Особенности разрушения горных пород при вдавливании инденторов

6.2.3 Дилатансионный механизм разрушения

6.2.4 Стимулирование разрушения горной породы при вдавливании индентора

6.3 Разрушение горной породы забоя скважины сдвигом

7. ЭНЕРГЕТИКА ДРОБЛЕНИЯ ШЛАМА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ И ОЧИСТКА ЗАБОЯ

8. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА БУРЕНИЯ И ЗАБОЙНЫХ УСЛОВИЙ НА РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

8.1 Параметры режима бурения и показатели работы долот

8.2 Влияние параметров режима бурения на механическую скорость

8.2.1 Влияние осевого усилия 3

8.2.2 Влияние частоты вращения долота

8.2.3 Влияние интенсивности промывки забоя скважины

8.3 Взаимосвязь параметров режима бурения и технико-экономических показателей

8.4 Влияние забойных условий на разрушение горных пород при бурении

8.4.1 Влияние гидростатического давления

8.4.2 Влияние гидродинамического давления

8.4.3. Влияние дифференциального давления

8.4.4 Влияние угнетающего давления

8.4.5 Влияние параметров бурового раствора на изменение механической скорости бурения

ВВЕДЕНИЕ

Разрушение горных пород забоя при бурении скважины происходит в условиях действия многочисленных факторов. К этим факторам следует отнести рост с увеличением глубины скважины геостатического давления, присутствие бурового раствора в зоне разрушения горных пород, наличие высокого гидродинамического давления в скважине и наличие пластового (порового) давления в разрушаемой горной породе, увеличение температуры горной породы с глубиной скважины. Сюда же следует отнести и то, что горная порода забоя скважины испытывает различные нагрузки: cтатические, динамические, циклические со стороны бурового раствора и породоразрушающего инструмента. В последнем случае породоразрушающие элементы вооружения (зубцы шарошечного долота, например) не только наносят удар по забою, в результате которого в глубь породы забоя и по его поверхности распространяются различные по природе волны, отражающиеся от многочисленных адгезионных границ, внедряются в него, создавая под пятном контакта сложное напряженное состояние сжатия, срезают слой горной породы забоя тангенциальной нагрузкой. Эффективным разрушение горной породы на забое скважины будет только тогда, когда естественное развитие разрушения горной породы на забое при действии породоразрушающего инструмента будет искусственно усиливаться деятельностью буровика, сознательно управляющего процессом разрушения. Последнее возможно только в том случае, когда у буровика имеется понимание того, как происходит разрушение горной породы на забое скважины при действии породоразрушающего инструмента.

Для приближения к этой цели необходимо знать основы математического описания напряженно-деформированного состояния горных пород, находящихся под нагрузкой, деформационное поведение горной породы при механическом нагружении, основы реологии. Необходимо отчетливо понимать различие в развитии трещин в горных породах, подверженных сжимающими и растягивающими усилиями, понимать механизмы влияния бурового раствора на развитие разрушения и пр. Между тем, в учебниках, рекомендуемых для изучения дисциплин «Физика разрушения горных пород», «Разрушение горных пород при бурении скважин», этим вопросам уделено недостаточно внимания. Данное пособие призвано восполнить этот пробел.

При написании учебного пособия принималось во внимание, что студенты освоили дисциплины «Высшая математика», «Физика», «Инженерная геология», «Механика сплошной среды» учебного плана подготовки бакалавра техники и технологии направления 130500 «Нефтегазовое дело».

1. ГОРНАЯ ПОРОДА – ОБЪЕКТ РАЗРУШЕНИЯ

Модель горной породы необходимо создавать в соответствии с изучаемой проблемой, т.е. сохранять в модели только те свойства горной породы, которые имеют непосредственное отношение к исследуемому вопросу. Так как нас интересует механическое разрушение горных пород, то и обращать внимание, определяя понятие «горная порода», мы будем на то, что оказывает определяющее влияние на развитие разрушения.

Горная порода – это гетерогенная система, состоящая из частиц твердой фазы, представленной минералами-диэлектриками, полупроводниками, проводниками, жидкой фазы, создающей токопроводящие каналы между частицами твердой, жидкой и газовой фаз, находящихся в порах и полостях трещин.

 Скачать реферат