Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

Для определения твердости горных пород методом Л.А.Шрейнера используется установка УМГП-3, позволяющая осуществить вдавливание индентора в поверхность образца горной породы с одновременной записью деформационной кривой F – д (F– сила вдавливания, д – глубина внедрения индентора в поверхность образца горной породы) (рис. 31).

Отклонение от линейной связи между силой вда

вливания и абсолютной деформацией д горной породы в методе Л.А.Шрейнера связывается с развитием пластической деформации в горной породе под пятном контакта. Это означает, что объёмной деформации горной породы ядра сжатия не должно происходить, т.е. справедливо равенство еv = 0.

В этом случае на участке АВ деформационной кривой происходит деформационное упрочнение горной породы под пятном контакта в результате развития пластических сдвигов. Как следствие возникновения пластической деформации в горной породе под пятном контакта, процесс вдавливания индентора в поверхность образца горной породы должен характеризоваться следующей особенностью. При снятии нагрузки, например в точке N (рис. 31), должно наблюдаться упругое последействие: уменьшение величины деформации по линии NM.

Рис. 31. Деформационная кривая упруго-пластической горной породы при вдавливании индентора

При дальнейшем вдавливании индентора в эту же «точку» поверх-ности образца горной породы, развитие пластической деформации дол-жно начаться при напряжениях, превышающих величину напряжений, соответствующих точкеN. Это означает, что горная порода под пятном контакта становится прочнее. (Отсюда и произошло рождение понятия «деформационное упрочнение»). По этой причине для разрушения горной породы под индентором и получения выкола необходимым условием является непрерывное увеличение силы вдавливания F до значения Fb, при котором происходит выкол и достигается максимальное внедрение индентора в горную породу.

Твердость Hгорной породы определяется выражением

H = Fb / Sш,

где Sш – площадь торца цилиндрического индентора.

Для пластично-хрупких горных пород аналогичным соотношением вводится понятие условного предела текучести (предел упругости)

Po = Fа / Sш,

где Fа – величина силы вдавливания в точке возникновения нелинейного участка на деформационной кривой (рис. 31).

Наличие зависимости H, Poот величины площади торца вдавливаемого индентора позволяет получаемые значения твердости, условного предела текучести считать первым приближением. При бурении скважин контактная площадь долота с разбуриваемой горной породой существенно превышает площадь торца индентора, используемого в лабораторных исследованиях.

Все горные породы по величине твердости Н и предела текучести Ро разделены на три группы: мягкие (М), средние (С), твердые (Т). Каждая группа содержит четыре категории. В табл. 1 приведена класссификация горных пород по величине твердости и условного предела текучести.

Таблица 6

Классификация горных пород по величине твердости и условного предела текучести

К группе М относятся породы сильнопористые и высокопластичные. Из горных пород, встречаемых при бурении нефтяных и газовых скважин, к первой группе относятся глины, аргиллиты, пористые алевролиты, песчаники, известняки.

К группе С относятся породы пластично-хрупкие: алевролиты, песчаники, известняки, доломиты.

К третьей группе Т относятся изверженные и метаморфические горные породы, склонные к развитию большой упругой деформации и хрупкому разрушению. Из горных пород, встречаемых при бурении нефтяных и газовых скважин, к группе Т относятся кремни, кварциты, окремнелые разновидности известняков и доломитов.

Разбуриваемые инструментом горные породы могут чередоваться по величине твердости. Для разбуривания таких массивов горных пород предназначены промежуточные типы инструментов: МС, СТ.

Подавляющее большинство горных пород, слагающих нефтяные и газовые месторождения, относятся к первым восьми категориям.

Приближенно значение твердости горной породы можно определить с помощью аналитически полученной формулы, связывающей величину твердости горной породы при вдавливании в ее поверхность цилиндрического индентора с плоским основанием со значением прочности горной породы при одноосном сжатии образцов

усж : Н = усж(1 + 2р).

Величина усж большинства горных пород табулирована. Переоценивать эту формулу не стоит: Л.А. Шрейнер установил, что отношение Н / усж для горных пород меняется в диапазоне 5 – 20.

Твердость является основным показателем, с помощью которого определяется необходимая для эффективного разрушения горной породы осевая нагрузка на долото. Нагрузка на долото – один из основных параметров, определяющих режим работы породоразрушающего инструмента на забое скважины.

Оценка эффективности разрушения. Вдавливание в горную породу инденторов различной геометрии показывает, что для их внедрения на одинаковую глубину требуется различное осевое усилие. При этом и объёмы лунок выкола в месте вдавливания также получаются разными. Суммируя все это, говорят о различной эффективности разрушения горной породы инденторами различной геометрии.

 Скачать реферат