Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

Если обозначить через работу упругого деформирования горной породы под пятном контакта, где k – работа деформирования единицы объема породы, V – объем очага разрушения, то энергоемкость процесса вдавливания индентора можно описать выражением, близким по форме записи к закону измельчения П.А. Ребиндера:

src="images/referats/10700/image083.png">

где – эффективная энергия разрушаемого тела, Ss – величина свежей поверхности, полученной при вдавливании индентора в горную породу, AStV – работа сил трения элементов Сен-Венана в ядре сжатия, Ак – работа компактирования продуктов измельчения.

Появление нелинейного участка на графике F – д вызвано протеканием катакластического течения в образце горной породы под пятном контакта. Это означает, что увеличение контактного давления Рк в неупругой области деформирования от условного предела текучести горной породы Ро до величины её твердости H связано с энергетическими затратами Ар, идущими на развитие объёмного дробления, сопровождаемого процессами агрегации и компактирования частиц порошкообразного материала. Увеличение необратимой объёмной деформации в нижней части ядра и рост дисперсности порошка в его верхней части при возрастании Рк увеличивает коэффициент передачи ядром осевого усилия на целик и снижает сопротивление ядра сжатия сдвигу, приводит к различному росту продольной е1 и радиальной е3 деформаций ядра сжатия при вдавливании индентора.

Изменение н при вдавливании индентора в горную породу определяется отношением законов изменения модуля объемной деформации и модуля сдвига

н = [(ЗК/2G) – 1] / [(ЗК/G) + 1].

Вид функций К = К(Рг), G = G(фi) различен в силу того, что с ростом контактного давления закономерности деформирования горной породы ядра сжатия при сдвиге и всестороннем сжатии различны: если ег → const, то гi → ∞.

Увеличение объёмной деформации ядра при вдавливании индентора вызовет рост коэффициента н. Разрушение горной породы произойдёт при достижении им критического значения нк, соответствующего потери сдвиговой устойчивости горной породы ядра сжатия. Развитию горизонтальных усилий со стороны ядра на окружающую его горную породу препятствует недонасыщение жидкостью полостей трещин нормального отрыва в нижней части ядра сжатия в результате дилатансионного упрочнения ядра и процессы агрегирования и компактирования продуктов измельчения в верхней его части.

Развитие в ядре сжатия катакластического течения означает, что

• повторное вдавливание индентора не вызовет деформационного упрочнения горной породы под пятном контакта;

• на разрушение горных пород вдавливанием должен оказывать влияние коэффициент изотермической сжимаемости жидкости в: чем меньше в, тем раньше должно возникать разрушение горной породы под индентором;

• при действии на горную породу постоянным контактным давлением, превышающем величину условного предела текучести горной породы, должно реализовываться задержанное разрушение;

• разрушение горной породы под индентором можно ускорить искусственным стимулированием сдвиговой деформации ядра сжатия.

6.2.4 Стимулирование разрушения горной породы при вдав-ливании индентора

Можно отметить следующие пути облегчения внедрения индентора в горную породу.В основе предлагаемых путей – снижение работы образования свежей поверхности при множественном развитии трещин нормального отрыва в минералах горной породы, находящихся в ядре сжатия, и стимулирование сдвиговой неустойчивости горной породы ядра сжатия под индентором. Исследованиями Р.М. Эйгесеса установлено, что величина модуля нормальной составляющей главного вектора сил, необходимых для отлома консоли и действующих со стороны деформируемой горной породы ядра сжатия на консоль, значительно меньше действующей осевой нагрузки на индентор (в 20 – 30 раз). Связано это с тем, что ядро сжатия передает только малую часть осевого усилия на консоль.

Для повышения эффективности передачи осевого усилия ядром сжатия и последующего облегчения выкалывания горной породы под индентором необходимо, чтобы порода ядра обладала способностью создавать квазигидростатическое давление на консоль. Это означает, что необходимо добиться существенного возрастания удельной поверхности горной породы, находящейся в ядре сжатия. Использование бурового раствора для изменения эффективности разрушения горной породы под индентором представляется наиболее естественным способом воздействия на дисперсность ядра сжатия. Опережающая фильтрация при положительном дифференциальном давлении в условиях существенного нарушения межгранулярной и трещинной проницаемости горной породы, происходящей при вдавливании в породу зуба долота и его проскальзывании, обеспечивает поступление дисперсионной среды бурового раствора в горную породу забоя на глубину, превышающую глубину формирования ядра сжатия.

Если добавки химических соединений в буровой раствор дополнительно обеспечат снижение зернограничного трения при трансляционно-ротационном движении зерен минералов в ядре сжатия, будут препятствовать компактированию измельчаемой горной породы, то это ускорит процесс разрушения вдавливанием индентора.

Стимулировать развитие сдвиговой неустойчивости в горной породе ядра сжатия должен сам вдавливаемый в горную породу индентор, для этого ему достаточно придать вращение при вдавливании. Наши исследования показали, что в этом случае удается разрушать горную породы ядра сжатия при значительно меньших осевых усилиях (получать выкол уже на стадии упругого деформирования горной породы при вдавливании индентора). Отрицательной стороной такого воздействия на горную породу является возрастание абразивного износа индентора. Для облечения внедрения индентора в горную породу необходимо вводить в буровой раствор химические соединения, стимулирующие снижение эффективых напряжений в ядре сжатия, т.е. приводящие к уменьшению коэффициента сжимаемости дисперсионной среды промывочной жидкости. В этом случае при меньших осевых усилиях произойдет сдвиговое разрушение вследствие роста порового давления в дилатансионно-деформируемом ядре сжатия горной породы под площадкой давления.

6.3 Разрушение горной породы забоя скважины сдвигом

Внедрение индентора (при бурении – зубца шарошечного долота, лопастей лопастного долота и пр.) в высокопластичную, высоко-пористую горную породу сопровождается её смятием под пятном контакта. Форма лунки в этом случае соответствует форме зубцов шарошки. Вдавливание инденторов в хрупкую горную породу завершается образованием лунки выкола и проникновением индентора в породу на величину, превышающую глубину вдавливания индентора. Но для реализации эффективного разрушения горной породы на забое этого явно недостаточно. Повышается эффективность разрушения породы при наличии тангенциальной силы T, стремящейся срезать слой горной породы толщиной .

 Скачать реферат