Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

В том случае, когда отсутствует приток жидкости в разрушаемый образец горной породы, развитие дилатансионных трещин приводит к недонасыщению образца жидкостью. Это вызывает снижение порового давления и, в соответствии с критерием разрушения Кулона–Навье (13), обеспечивает увеличение сопротивления горной породы сдвигу. Происходит упрочнение горной породы, которое называется дилатансионным упрочн

ением.

При всестороннем неравнокомпонентном сжатии (1  2  3 > 0) разрушение принципиально не отличается от рассмотренного. В этом случае на образец действует одновременно гидростатическая и девиаторная нагрузки, т.е. возникает дилатансионное разрушение. Отличие наблюдается в геометрической трактовке вида предельной поверхности: поверхность разрушения (1, 2, 3) = 0 не вырождается в точку, линию, а является истинной поверхностью в трехмерном пространстве главных нормальных напряжений 1, 2, 3. Разрушение горной породы при всестороннем неравнокомпонентном сжатии стремится реализоваться по плоскости, перпендикулярной направлению действия наименьшего главного нормального напряжения 3 .

При бурении горные породы разрушаются, находясь в трехосном напряженном состоянии сжатия. Трехосность напряженного состояния создаётся не только совместным действием горной породы, находящейся на забое скважины, и бурового раствора, обеспечивающего промывку забоя, но и действием породоразрушающих элементов вооружения долот при вдавливании их в горную породу забоя. Именно в силу последней причины определение механических свойств горных пород в методике Шрейнера Л.А. производится методом вдавливания в поверхность образцов горных пород индентора и такие характеристики горной породы, как условный предел текучести, твердость по штампу являются основой для определения величины осевого усилия, необходимого для эффективного разрушения породы на забое скважины.

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

Увеличение глубины скважины происходит в результате действия породоразрушающих элементов вооружения долота на горную породу забоя скважины, т.е. углубление скважины обеспечивается разрушением поверхностного слоя горной породы.

Разрушение горной породы забоя скважины будет наиболее эффективно в том случае, когда породоразрушающий инструмент будет способен содействовать развитию в горной породе забоя скважины трещин нормального отрыва и обеспечит такое напряженное состояние, при котором развитие сдвиговых трещин происходит при отсутствии нормальных напряжений, увеличивающих трение между сторонами сдвиговой трещины. Такая ситуация на забое, конечно же, не реализуема. Создание растягивающих напряжений на забое скважины затруднено, в частности, тем, что горная породы забоя скважины находится в состоянии трехосного напряженного состояния сжатия.

Непременным условием эффективного разрушения горной породы забоя является наличие осевого усилия, обеспечивающего проникновение инструмента в глубь забоя, и сдвигового усилия, под действием которого происходит рост эффективности разрушения поверхностного слоя породы.

В общем случае разрушение горных пород при бурении скважин происходит при следующих механических воздействиях на них породоразрушающего инструмента: удар, вдавливание, резание (сдвиг).

Под действием ударной нагрузки в горной породе, расположенной под забоем скважины, распространяются волны напряжений, которые приводят к росту повреждаемости горной породы, её разупрочнению и разрушению.

При вдавливании породоразрушающих элементов вооружения долота в горную породу осевым усилием разрушение последней происходит в условиях реализации под площадкой давления трехосного неравнокомпонентного напряженного состояния сжатия. Именно это вызывает затруднения во внедрении инструмента в забой и вызывает необходимость дополнительных потерь энергии на разрушение вдавливанием.

Резание (сдвиг) горной породы поверхности забоя происходит под воздействием тангенциального усилия со стороны предварительно внедрившегося в горную породу забоя инструмента. Тангенциальное усилие обеспечивает возникновение состояния сжатия горной породы перед передней гранью породоразрушающего элемента вооружения и в зависимости от механических свойств горной породы при данном давлении и температуре вызывает либо резание, либо скалывание горной породы. Резание – непрерывный процесс отделения слоя горной породы с поверхности забоя. Породоразрушающий инструмент производит резание только высокопластичных и сильнопористых горных пород. С возрастанием упругих свойств горной породы ее разрушение под действием усилия резания происходит в результате скалывания. Скалывание – дискретный процесс отделения частиц горной породы от забоя под воздействием сдвигового усилия со стороны инструмента.

По принципу взаимодействия с горной породой забоя скважины породоразрушающие инструменты делят на три подгруппы:

1) режуще-скалывающие (РС) – лопастные долота, разрушающие горную породу лопастями – для разбуривания пластичных и малоабразивных горных пород, обладающих небольшой твердостью,

2) дробящие, разрушающие горную породу с помощью ударного воздействия,

3) дробяще-скалывающие (ДС) –шарошечные долота, разру-шающие горную породу зубьями, расположенными на шарошках. Применяются для бурения абразивных и неабразивных горных пород от средней твердости и выше.

Заметим, в породоразрушающих инструментах первой подгруппы иной раз выделяют подгруппу инструментов истирающе-режущего (ИР) действия (алмазные и твердосплавные долота), разрушающие горную породу алмазными зернами или твердосплавными штырями, расположенными в торцевой части долота.

Разрушение горных пород инструментом РС - действия обеспечивается вдавливанием и резанием, инструментом дробящего действия – динамическим приложением нагрузки (ударом), инструментом ДС-действия – ударом, вдавливанием, резанием. Породоразрушающий инструмент дробящего действия при бурении нефтяных и газовых скважин не используется.

Породоразрушающий инструмент подгрупп РС-действия и ИР-действия характеризуется выполнением вооружения в виде лопастей или секторов. (Породоразрушающий элемент долота называется лопастью, если его высота значительно превосходит толщину, и сектором, если его высота меньше или равна толщине).

Породоразрушающий инструмент РС и ИР-действия вращается вокруг своей оси с угловой скоростью  (dim  = рад/с = с-1), при этом инструмент непрерывно вдавливается в горную породу осевым усилием F, производя разрушение породы под пятном контакта, а сила резания T обеспечивает разрушение горной породы перед передней гранью породоразрушающего элемента долота, срезает слой горной породы толщиной  . Действие касательного усилия T приводит к появлению растягивающих напряжений в горной породе забоя.

 Скачать реферат