8.3 Поверхностная энергия горных пород.

В зависимости от состава горных пород величина поверхностной энергии может колебаться в широких пределах. По энергетической способности выделяют четыре группы породообразующих минералов, занимающие основную часть всех горных пород.

1.Высокополярные минералы с высоким потенциалом отрицательного заряда на поверхности зёрен (кристаллов) породы в виде анионов О^2-, (например, кварц).

2.Среднеполярные минералы – минералы с пониженным потенциалом отрицательного заряда за счёт частичной нейтрализации полярной поверхности катионами К⁺, Na⁺ и др. (микроклин и многие другие силикаты).

3.Слабополярные минералы – минералы с весьма низким потенциалом отрицательного заряда с поливалентными нейтрализующими катионами (например, кальцит).

4.Неполярные минералы – минералы с нейтральной поверхностью (например, тальк, графит). У талька структура сложная, характеризуется тем, что между слоями – пакетами кремнекислородных тетраэдров, помещается бруситовый слой, который полностью нейтрализует отрицательный заряд этих пакетов.

В зависимости от поверхностного потенциала прочность связей молекул адсорбированной воды с горными породами различна. В зависимости от прочности этих связей могут изменяться и свойства промывочной жидкости, затраты энергии на вращение снаряда, насыщение горной породы водой и т.д. Поэтому при выборе промывочной жидкости необходимо учитывать и свойства перебуриваемой горной породы.

8.4 Устойчивость горных пород стенок скважин.

Исследование устойчивости стенок скважин представляет не только теоретический, но и практический интерес.

В процессе бурения и особенно при спуско – подъёмных операциях наблюдается изменение гидростатического давления во времени.

При плавном повышении гидростатического давления в скважине .давление повышается как внутри пор, так и снаружи равномерно, поэтому перепад давления и размеры пор остаются постоянными, а, следовательно, количество влаги и прочность горной породы остаются постоянными и не зависят от давления в скважине. Если образец "сухой" происходит его насыщение, как и в атмосфере.

При резком повышении давления промывочной жидкости (например, при спуске снаряда) при скорости, превышающей скорость заполнения пор водой, на скелет породы создается повышенное давление, максимальная величина которого равна перепаду давления жидкости в скважине и порах.

При резком снижении давления жидкости (например, при подъеме снаряда) происходит обратное явление - повышенное давление жидкости стороны пор. Но влажность горной породы при этом не изменяется.

В результате знакопеременных нагрузок при спуско-подъемных операциях в неустойчивых породах возможны усталостные разрушения. При значительных величинах они могут привести к обрушению стенок скважин. Горное давление на прочность горных пород влияет двояко. С одной стороны, с увеличением давления растет прочность пород, с другой стороны, растут разрушающие нагрузки, что ведет к их обрушению.

Представим себе, что скважина пересекает пласт глинистой породы, мощностью М (рис. 1.4.). На, пласт действует давление вышележащих горных пород р=gh. Радиальное давление на стенки скважины

p=gh,

где  - коэффициент бокового распора, для твердых пород он равен =0,5, для пластичных - =1.

В скважине находится промывочная жидкость, которая создает на стенки скважины давление

P_ж=_жgh,

В контакте горной породы с промывочной жидкостью создается перепад давления

Рис. 8.1 Схема распределения горного давления и давления промывочной жидкости на стенки скважины

Если перепад давления в скважине окажется больше прочности горной породы на сдвиг ∆p>t , произойдет выдавливание горной породы. В хрупких породах будут наблюдаться обвалы и осыпи, в пластических породах - пластическое течение (механическое "набухание" горных пород).

Прочность горной породы на сдвиг будет равна сумме первоначальной прочности ₀ на сдвиг (на поверхности без давления) и сопротивлению горной породы на трение, которое, как известно; равно

_тр=fp,

где Р - нормальное давление; f - коэффициент внутреннего трения горной породы, т.е.

=₀+fp=₀+fgh

С учетом вышесказанного условие устойчивости горных пород в скважине будет

₀+fgh (-_ж)gh

При больших глубинах скважины для слабоустойчивых горных пород величиной  можно пренебречь, тогда

f-_ж

или

_ж(-f)

Для скальных монолитных пород это условие всегда выполняетcя, поэтому такие породы без крепления скважины находятся длительное время. Для неустойчивых пород это условие выполнимо не всегда. В трещиноватых породах в трещинах, насыщенных промывочной жидкостью, коэффициент трения оказывается очень малым, поэтому величина (-f) будет значительно превышать значение ж, что ведет к обвалам. Внутреннее трение глинистых пород определяется вязкостью пленки воды, связывающей глинистые частицы. Чем толще пленки, тем меньше между ними трение. При создании на пласт глины давления вода выдавливается, толщина пленок воды снижается, прочность породы на сдвиг увеличивается.

При наличии раствора ПАВ поверхностное натяжение воды, вязкость и, следовательно, коэффициент трения снижаются, снижается и прочность породы (эффект Ребиндера).

При больших давлениях (при наличии только молекулярного слоя воды) прочность даже глинистых пород высока (до 3000 кг/см²).

Известно, что плотные глины имеют коэффициент внутреннего трения f от 0,4 до 0,5, и коэффициент распора  близкий к I, следовательно, при f = 0,4 нужно иметь промывочную жидкость плотностью не менее

_ж =(I - 0,4)·2500=1500 кг/м³, при f = 0,5 - _ж =1250 кг/м³

Однако полное равновесие между горной породой и промывочной жидкостью будет только при _ж=, т.к. коэффициент внутреннего трения для неустойчивых горных пород с увеличением влажности снижается.

С течением времени частицы горной породы под действием касательных напряжений (обусловленных разностью сил распора горной породы и давлением жидкости) ориентируются в плоскости скольжения, коэффициент трения, соответственно снижается и горная порода постепенно пластически деформируется (течет). Это явление носит название ползучести, или крипа.

В результате перемещения частиц горной породы при пластических деформациях по радиусу скважины (от участка с большей окружностью к участку с меньшей окружностью) происходит их расклинивание, вследствие чего сила трения между ними возрастает, тангенциальное напряжение увеличивается, процесс крипа прекращается.

Неустойчивые горные породы с неустойчивыми слабыми связями частиц под воздействием горного давления, промывочной жидкости вращающегося бурового снаряда при бурении теряют стабильность (устойчивость): размываются, обваливаются, вызывая ряд серьезных осложнений. К неустойчивым относят мерзлые, соленосные, глинистые, раздельно-зернистые и трещиноватые скальные горные породы.

Поэтому при бурении неустойчивых горных пород предусматривается ряд мероприятий для повышения стабильности стенок скважины: применение физических полей (замораживание, высокотемпературная обработка, электростатическая обработка), тампонирование, химическая обработка и т.д. Но наиболее широкое применение в практике бурения находит применение специальных промывочных жидкостей, в которые вводят различные химические реагенты, способные повышать прочность связей между отдельными частицами, слагающими горную породу.