Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

В лабораторных условиях эффективность разрушения оценивается следующими показателями:

1) масштабом разрушения, который оценивается объемом возникшей лунки, площадью разрушения поверхности образца, глубиной лунки (объем лунки измеряется с помощью пластилина, парафина, глубина лунки – индикатора часового типа, площадь зоны разрушения (диаметр) – измерительной лупой);

2) энергоемкость разр

ушения, которая оценивается количеством затраченной на разрушение энергии – общая работа разрушения, удельная контактная и удельная объёмная работы разрушения.

Согласно оценкам Л.А. Шрейнера, коэффициент полезного действия при разрушении породы вдавливанием в ее поверхность индентора составляет величину порядка 0,01 %. Величина коэффициента полезного действия определяется отношением Aп/Aс, где Aп = 2гo·ДS – полезная энергия, затраченная на получение свежей поверхности, а Aс – суммарное количество энергии, которое потребовалось для разрушения породы под индентором при его внедрении в горную породу.

Мы полагаем, что величина коэффициента полезного действия, оцененная Л.А.Шрейнером, занижена. В формуле для подсчета полезной энергии, затраченной на получение свежей поверхности, вместо гo должна стоять величина гэфф , которая, как известно, существенно превосходит величину удельной свободной поверхностной энергии минералов.

Малая величина коэффициента полезного действия объясняется большими механическими потерями энергии, значительно превышающими величину Aп. Величина потерь энергии при разрушении горной породы вдавливанием велика по следующей причине: в ядре сжатия вследствие повышения температуры из-за большого трения между частицами минералов развиваются большие пластические деформации.

Энергоемкость разрушения при вдавливании индентора Aс определяется площадью фигуры ОАВС, т.е. определяется работой на участке упругого деформирования и работой на участке нелинейной связи между силой вдавливанияF и деформацией д:

Aс = Aу + Aну,

где работа упругих сил Aу определяется величиной площади треугольника ОАD: Aу = Fa·да / 2, да – максимальная величина упругой деформации (отрезок ОD),Aну – работа на участке необратимогодеформирования (площадь криволинейной трапецииАВСD),DC– величина неупругой, остаточной деформации.

Удельная контактная энергия As разрушения и удельная объёмная энергия Av определяются выражениями, соответственно:

As = Aс / Sш,

Av = Aс / V ,

где V– объём лунки, возникшей в горной породе под пятном контакта.

Величина удельной объёмной энергии разрушения Av горной породы при вдавливании в нее индентора достигает больших значений (1 ч 9)·107 Н·м/м3. Это связано с возникновением в горной породе под пятном контакта трехосного неравно-компонентного состояния сжатия.

6.2.2 Особенности разрушения горных пород при вдавливании инденторов

Механизм разрушения горной породы под индентором определяется напряженным состоянием, возникающим в породе под пятном контакта.

Вдавливание клина. При вдавливании заостренного наконечника осевым усилием Fв металлы в последних углубление клина сопровождается пластической деформацией металла под вдавливаемым клином. Результатом вдавливания является образование на поверхности металлического образца лунки, имеющей форму вдавливаемой части наконечника. Хрупкого разрушения металла не происходит. Деформационная кривая – F имеет вид, приведенный на рис. 32 а.

При вдавливании клиновидного наконечника в горную породу характер связи между глубиной вдавливания  и осевым усилием F совершенно иной: связь  – Fотличает скачкообразный характер вследствие разрушения горной породы (рис. 32б). В первые моменты вдавливания наконечника связь между F и можно считать в первом приближении линейной: = kF, где k – размерный коэффициент пропорциональности, хотя, строго говоря, здесь наблюдается нелинейная зависимость между  и F. Нелинейность связи обеспечивается не развитием пластической деформации, а закрытием пор и трещин в горной породе, уплотнением минералов при разрушении адгезионных границ между ними и последующим сжатием. В точке деформационной кривой, соответствующей силе вдавливания F1 , происходит хрупкое разрушение породы и  изменяется скачком от 1 до 2. После этого вновь наблюдается линейная связь между глубиной вдавливания  и действующей силой F. При достижении усилием вдавливания значения F3 происходит следующий выкол и резкое изменение глубины внедрения  и т.д.

Особенностью разрушения горной породы при вдавливании клина являются следующие две закономерности:

F3 – F2 > F1,

d2 – d1 < d4 – d3.

Ограничением такого способа разрушения горных пород при бурении нефтяных скважин является его нетехнологичность.

Вдавливании цилиндрического индентора с плоским основа-нием (рис.33). Решение этой задачи, проведенное при выполнении условия

Pк = F/(pa2) = const,

показало (Эйгелес Р.М.), что в горной породе под пятном контакта возникает трехосное напряженное состояние сжатия в объеме усеченной сферы (Рис. 33, область I). Усеченная сфера называется «ядром сжатия».

В области II, окружающей ядро сжатия, напряжения 1 становятся положительными, а напряжения 2, 3 остаются отрицательными ( 1 > 0, 2 < 0, 3 < 0). В области III: 1 > 0, 2 > 0, 3> 0. Нижней границей ядра сжатия является поверхность 1 = 0.

Рис.33. Особенности напряженного состояния в горной породе под внедряющимся в неё цилиндрическим индентором

Возникновение трехосного напряженного состояния сжатия горной породы под пятном контакта является основным, сдерживающим проникновение в глубь горной породы забоя скважины породоразрушающих элементов вооружения долот, фактором. Необходимо не только знать механизмы разрушения породы под пятном контакта, но и определить пути стимулирования сдвиговой неустойчивости породы.

Виновником разрушения горной породы, находящейся под индентором, при росте усилия вдавливанияF являются касательные напряжения. Наиболее опасными с точки зрения разрушения являются две области горной породы, в которых касательные напряжения достигают максимальных значений:

а) z= 0, │r│ = a – область горной породы, прилегающая к контурной линии,

 Скачать реферат