Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

На снижение прочности значительное влияние оказывает величина отношения l/ d: чем меньше это отношение, тем большее наблюдается снижение прочности.

В научной литературе отмечается, что прочность горных пород при реализации столбчатой формы разрушения в 2–5 раз меньше, чем в случае испытания образцов с использованием жестких опорных пластин. Например, прочность образца и

звестняка усж при смазанной маслом торцовой поверхности образцов равна 38,1 МПа, при несмазанной – 79,3 МПа. Этот факт не находит осмысленного применения в бурении.

5.1.4 Влияние жесткости системы нагружения на развитие разрушения

На разрушение образцов горных пород при их одноосном сжатии оказывают влияние упругая энергия, запасаемая как в образце горной породы, так и в нагружающем устройстве, прессе.

Степень влияния упругой энергии, запасаемой в элементах системы нагружения, на разрушение образцов горной породы определяется жесткостью нагружающего устройства испытательной машины. Ввиду исключительной важности вопроса влияния жесткости системы нагружения на развитие разрушения мы уделим ему большое внимание.

Поведение горных пород при механическом нагружении, их способность сопротивляться развитию деформаций оценивается по получаемым в эксперименте деформационным кривым «напряжение-деформация». При применении большинства испытательных машин получаемая деформационная кривая резко обрывается при достижении нагрузкой предельного значения. Это предельное значение нагрузки определяет прочность образца горной породы B. При достижении предела прочности B происходит резкое снижение (спад) сжимающей нагрузки. Такое разрушение называется неконтролируемым: резкий обрыв деформационной кривой не позволяет исследовать свойства горных пород, проявляемых при нагрузках, непосредственно прилегающих к значению прочности породы B. Возникновение неконтролируемого разрушения связывается с отсутствием жесткой системы нагружения у большинства используемых испытательных установок.

При испытании образца сжатием в установке, обладающей нежесткой системой нагружения, происходит накопление упругой энергии не только в образце горной породы, но и в элементах самой системы нагружения испытательной машины. Величину запасенной упругой энергии в элементах системы нагружения можно записать в виде

Ау = F2/2D.

Величина накопленной упругой энергии Ау тем больше, чем меньше жесткость системы нагружения D.

Накопленная в различных частях испытательной установки упругая энергия передается образцу на любой стадии деформирования (упругой, пластической), ускоряя процесс разрушения. Но особенно заметным влияние накопленной упругой энергии на развитие разрушения происходит при нагрузках, близких к разрушающим: в этом случае вследствие большой величины запасенной упругой энергии Ау происходит ускорение процесса разрушения и нагружаемый образец разрушается внезапно, демонстрируя динамичность разрушения. Установка при этом испытывает удар и приобретает колебательное движение.

Жесткой называют такую систему нагружения, которая позволяет передавать образцу при достижении максимальной величины его несущей способности ровно столько упругой энергии, сколько необходимо для его деформирования. Это возможно только в том случае, когда величина Ау мала. Процесс разрушения при этом становится контролируемым.

При использовании жесткой системы нагружения на деформационной кривой после достижения предела прочности B наступает область запредельного деформирования: появляется запредельная ниспадающая ветвь (рис. 20). Рост деформации в области запредельного деформирования происходит при снижении напряжения и прекращается в момент достижения напряжением предела остаточной прочности o породы. Это знаменует исчезновение сцепления на плоскости сдвига, образец распадается на части.

Деформационная кривая в области запредельного деформирования образует с осью деформации угол  (угол ВСО). Тангенс этого угла определяет величину модуля спадаM :tg = M (рис. 20). Величина модуля спада существенно превышает значение модуля Юнга: М > E. Для хрупких горных пород это превышение доходит до двух порядков.

Рис.20. Деформационная кривая при одноосном сжатии образца горной породы в установке с жесткой системой нагружения

Линия, проходящая через точку В и наклоненная к оси деформации под углом г, характеризует жесткость Мм испытательного устройства:tg = Мм. Если М ≥ Мм (> ), то получить ниспадающий участок деформационной кривой невозможно, т. к. образец практически мгновенно разрушается на осколки при достижении напряжениями величины предела прочности B. На рис.20 изображен именно этот случай разрушения.

Для получения участка запредельного деформирования должно выполняться условие М  Мм (>). На рис. 21 приведены две реализуемые возможности при испытании образца горной породы в установках с нежесткой (а) и жесткой (б) системами нагружения.

Крутизна спада характеризует хрупкость образца горной породы, а модуль спада М есть количественная характеристика хрупкости.

Жесткость системы нагружения для получения полной деформационной кривой, отличающей данную горную породу, должна быть не менее (1,0 – 1,5)·109 Н/м.

Рис. 21. Условия возникновения неконтролируемого (а) и контролируемого (б) разрушения образца горной породы

На получение запредельной части деформационной кривой кроме жесткости системы нагружения влияние оказывает и длина l испытываемого образца. Это связано с тем, что с увеличением l все большее количество упругой энергии, запасенной в самом образце, оказывает влияние на развитие разрушения (и меньшее количество упругой энергии идет на разрушение из системы нагружения установки). При достижении длиной образца величины lкр на процесс разрушения тратится уже только запасенная в образце упругая энергия. При l > lкр разрушение образца за пределом прочности происходит в динамическом режиме, т.е. с выделением избыточной энергии даже при использовании чрезвычайно жесткой системы нагружения.

5.2 Разрушение образцов горных пород при трехосном сжатии

При трехосных сжатиях прочность образцов горных пород значительно (почти на порядок) превосходит прочность образцов при одноосном испытании.

Напомним, что при деформировании образцов горных пород в различных напряженных состояниях необходимо обращать внимание на изменение формы образца гi, которое вызывается интенсивностью касательных напряжений фi, и изменение объёма образцов v = 3ср, происходящее под действием всестороннего давления ср. Другими словами, при исследовании процесса разрушения образцов горных пород, находящихся в сложных напряженных состояниях, необходимо использовать разложение тензора напряжений на две составляющие: на шаровой тензор, осуществляющий изменение объёма образца (одинаковое сжатие образца горной породы по всем направлениям), и на девиатор напряжений, вызывающий изменение формы образца. С этой точки зрения самым простым из трехосных испытаний является всестороннее равнокомпонентноесжатие образцов: при таком нагружении образцов отсутствует девиаторная нагрузка и особенность происходящего разрушения целиком связана с действием гидростатической нагрузки.

 Скачать реферат