Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

Растворение– процесс перехода всех компонент твердой фазы в жидкую фазу (конгруэнтное растворение). В качестве жидкой фазы в горных породах чаще всего находится вода и её растворы. Растворимость минералов в воде увеличивается с уменьшением энергии связи кристаллической решетки.

Скорость растворения определяется величиной относительной диэлектрической проницаемости е растворителя (очевидно,

что растворение минералов в воде и нефти различно) и зависит от скорости отвода возникающего раствора от растворяющейся поверхности: чем меньше скорость отвода, тем меньше и скорость растворения.

Большой растворимостью в воде обладает незначительное число пород и минералов (галогениды, ангидрит, гипс). Доломиты и известняки относятся к слаборастворимым породам. Основная масса горных пород считается практически нерастворимыми в воде. Это означает, что за период эксплуатации скважины растворение стенки скважины в буровом растворе на водной основе не вызовет значительного увеличения ее диаметра.

Растворимость значительно возрастает при циркуляции в породах водных растворов различных кислот. С увеличением содержания в воде углекислоты, например, растворимость карбонатных пород возрастает.

Гидролиз (инконгруэнтное растворение) – обменная реакция минералов с водой. Важной особенностью процессов гидролиза является то, что их протекание даже на первых этапах сопровождается образованием новой твердой фазы, отличной по составу от исходной (растворяющейся).

Гидролиз в горных породах является многостадийным процессом, приводит к распаду минералов и выносу из породы некоторых элементов в растворенном виде.

Особенностью гидролиза

2CaAl2Si2O8 + 6H2O = Al4Si4O10(OH)8 + 2Ca2+ + 4OH-

является то, что при его реализации в растворе образуется группаOH-, уравновешивающая заряд подвижных катионов. Чем больше катионов переходит в раствор при гидролизе, тем больше концентрация группы OH- и тем выше значениеpH этого раствора: гидролиз сопровождается образованием щелочи в растворе.

Развитие гидролиза в горной породе идет с участием газов и органического вещества, которые выступают в качестве кислотного нейтрализатора щелочности. Скорость реакции гидролиза зависит от величины pH, состава раствора, температуры, отношения поверхности взаимодействия к объёму раствора, проницаемости горной породы и скорости течения воды.

В основе окисления лежит взаимодействие твердой компоненты породы с кислородом, находящимся в жидкой фазе. В результате окислительной реакции возникают новые вещества, содержащие кислород. С ростом глубины кислорода в жидкой фазе становится все меньше и окисление затухает. При бурении скважины поступление кислорода на глубину обеспечивается буровым раствором. Это стимулирует возникновение окислительных реакций в горной породе, расположенной в околоствольном пространстве и на большой глубине.

Ионный обмен как физический тип взаимодействия компонент горной породы в наибольшей степени характерен глинистой горной породе. Связано это с образованием двойного электрического слоя около частиц глинистых минералов. Ионы адсорбционного и диффузного слоёв частиц глинистых минералов находятся в постоянном физико-химическом равновесии с ионами порового раствора. При изменении по той или иной причине состава порового раствора сразу же начинается ионный обмен между ионами двойного электрического слоя частиц и раствора: определенное количество ионов из раствора входит в состав двойного электрического слоя, а эквивалентное количество других ионов уходит с поверхности частиц в раствор. Общее количество ионов в горной породе, способных участвовать в обмене в данных условиях, характеризует емкость обмена породы. Она выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 грамм сухой породы.

2. ГОРНАЯ ПОРОДА – СПЛОШНАЯ СРЕДА

Под понятием «сплошная среда» понимается модель такого тела, которое, хотя и состоит из отдельных атомов, молекул, частиц, но занимает пространство непрерывным, сплошным образом, без разрыва сплошности. Горная порода, строго говоря, является дискретной системой. Поэтому лучшей моделью горной породы являлась бы модель, статистически описывающая взаимодействие различных частиц, входящих в её состав, с учетом физического типа взаимодействия между этими частицами. Такая модель горной породы в настоящее время не построена.

Поскольку размеры структурных элементов, входящих в горную породу (минералы, поры), много меньше любого рассматриваемого массива горной породы, то для описания закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния используются методы механики сплошной среды: рассматриваются напряжения и деформации в бесконечно малой области и, используя аппарат дифференциального и интегрального исчислений, переходят к рассмотрению напряжений и деформаций в теле большого объема.

2.1 Напряженно-деформированное состояние горных пород

2.1.1 Напряженное состояние в «точке»

Прежде всего поясним, что под «точкой» мы понимаем физически бесконечно малый объём горной породы. В дальнейшем этот объём мы часто будем представлять в виде куба, параллелепипеда.

При действии на горную породу механических усилий, в ней возникает напряженное состояние, которое характеризуется вектором напряжений . Численное значение напряжения определяется отношением

F / S,

где S– площадка внутри тела, на которую действует сила F. Под площадкой Sпонимается величина макроскопическая, но физически бесконечно малая.

Напряженное состояние в «точке» считается определенным, т.е. известным, если известна величина модуля вектора напряжений и направление его действия.

Для более детального описания напряженного состояния в «точке» в механике сплошной среды вводится понятие нормального у икасательного ф напряжений. Из рис. 1 легко уяснить себе, что они представляют собой в двумерном случае, т.е. на плоскости.

Рис.1. Физический смысл нормального и касательного напряжений

Определяя нормальное напряжение у , следует помнить, что в этом случае направление действия силы F совпадает с направлением единичного нормального вектора ns к площадке S; при определении касательного напряжения ф сила F действует в плоскости площадки S, т.е. действует по направлению единичного вектора nt, лежащего в плоскости площадки S(перпендикулярно нормали).

Суммарное действие нормального и касательного напряжений определяет направление действия вектора напряжений и его модуль :

S = ns.s + ntt,

S = (s2 + t2)0,5.

Напряженное состояние в «точке» 0 на площадке Sопределено, если известен вектор напряженияУ или известны составляющие напряжения, т.е. напряжения у и ф.

В трехмерном пространстве связь между составляющими напряжениями и компонентами вектора напряжений (проекции вектора напряжений Sx, Sy, Sz на оси координат X, Y, Z) имеет следующий вид:

 Скачать реферат