Безаварийное бурение

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Прочность горных пород обусловлена, главным образом, трением между зернами. На трение влияют несколько факторов, в том числе:

•Размер и форма зерен

•Ориентация зерен

•Сжимающие нагрузки, действующие на зерна

•Количество смазывающей жидкости в поровом пространстве

Цемент образуется из минералов, осаждающихся из воды, протекающей через пласт. Можно заметить похожий на породу материал, образующийся на дне электрического чайника. Он сходен с осадками, которые выпадают из раствора в пласте. Эти осадки цементируют зерна, в результате чего увеличивается прочность породы.

Роль трения и цемента можно проиллюстрировать на примере песка на пляже (рис. 8-7). Когда песок сухой, то при высыпании он образует конус, похожий на вулкан или пирамиду. Песок не растекается тонким слоем, поскольку этому препятствует трение между отдельными зернами. Трение между зернами обеспечивает прочность песка, достаточную для образования конуса и сохранения параметра, называемого углом естественного откоса.

Если песок влажный, он достаточно прочен, чтобы из него можно было строить замки. Вертикальные стенки из влажного песка будут стоять, не разрушаясь. Вода, обладающая когезивными и адгезивными свойствами, действует как цемент, удерживающий зерна вместе. Кроме того, вода способствует более плотной упаковке песчаных зерен, в результате чего возрастает трение между зернами. Влажный песок является более прочным строительным материалом, чем сухой.

Однако если песок полностью насыщен водой, он становится непрочным и растекается тонким слоем. Это объясняется тем, что вода действует как смазочный материал. Без заметного трения песок не обладает прочностью.

Относительную прочность песочного конуса можно определить по углу откоса. Трение между зернами обеспечивает прочность песка, достаточную для образования конуса. Зерна влажного песка расположены ближе друг к другу, благодаря чему возрастает внутреннее трение и песок приобретает прочность, достаточную для строительства неразрушающихся вертикальных стенок. Чрезмерно количество воды в насыщенном песке приводит к разъединению зерен, причем вода смазывает их. Поскольку трение между зернами очень мало, песок растекается тонким слоем.

Рис. 8-7 Аналогии прочности горных пород

120

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Представим себе рытье колодца на пляже. В сухом песке стенки колодца будут располагаться под тем же углом, что и откосы холма сухого песка. Во влажном песке стенки колодца будут вертикальными. Когда же колодец дойдет до зеркала воды, дальше рыть будет невозможно - песок стекает на дно колодца.

Вернемся к нашему образцу в лаборатории. Когда к нему приложено боковое давление, внутреннее трение между зернами возрастает. Поэтому прочность породы увеличивается при действии бокового давления.

Терминология механики горных пород

Когда разрывают бумагу, она испытывает касательное напряжение. Важно отметить, что в большинстве случает обрушение породы в скважину происходит из-за чрезмерного касательного напряжения. Касательное напряжение возрастает с увеличением разности напряжений, действующих на взаимно перпендикулярных площадках. Разность напряжений, действующих на взаимно перпендикулярных площадках, вызывает деформацию тела. Для того чтобы тело начало деформироваться, должно произойти смещение элементов тела в поперечном направлении. Такое смещение вызывает касательное напряжение, обозначаемое греческой буквой τ (тау).

121

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Эффективное напряжение

Не все напряжения в породе воспринимаются минеральным скелетом породы. Часть напряжений воспринимается жидкостью, запертой в порах породы (рис. 8-9).

Как было сказано раньше, при первоначальном отложении осадков каждая частица полностью окружена водой. По мере уплотнения осадков вода выжимается. Однако толща глин может стать такой мощной, или проницаемость уменьшается так сильно, что при дальнейшем уплотнении вода уже не может вытекать из пор. В таких условиях жидкость, запертая в порах, начинает воспринимать часть нагрузки. Примерно так же воздух в шинах воспринимает вес автомобиля. Полное напряжение, воспринимаемое породой, распределяется между скелетом породы и поровой жидкостью.

Рис. 8-9 Эффективное напряжение и поровое давление

Деформация и прочность образца породы зависят только от эффективного напряжения. Именно напряжение на контакте между зернами определяет относительное перемещение этих зерен. Деформация и проскальзывание зерен относительно друг друга не зависят от порового давления. Поэтому при исследовании прочности горной породы нас интересует именно эффективное напряжение.

Как мы увидим позже, увеличение порового давления приводит к уменьшению

эффективного напряжения и, таким образом, к ослаблению породы.

122

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Деформация

Деформация определяется как изменение длины или ширины образца, испытывающего напряжение. Обозначается деформация греческой буковой ε (эпсилон). Чем больше напряжение, которое испытывает порода, тем сильнее деформация.

Когда образец породы подвергается сжатию в лаборатории, он испытывает сжимающее напряжение. Путем измерений можно определить продольную и поперечную деформацию образца, испытывающего это напряжение.

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Хрупкость против пластичности

Хрупкие породы испытывают до разрушения очень небольшую пластическую деформацию. Пластичные породы испытывают до разрушения значительную пластическую деформацию

(рис. 8-11).

Хрупкие породы разрушаются при достижении предельного напряжения. Они достигают в этой точке своей предельной деформации. Для хрупких пород дальнейшее увеличение нагрузки приводит к резкому уменьшению прочности. Пластичные породы могут выдерживать нагрузку даже после некоторого увеличения деформации. Разрушение пластичных пород не такое катастрофическое.

Как для хрупких, так и для пластичных пород характерно увеличение предела прочности и пластичности с увеличением бокового давления. Если боковое давление достаточно высоко, то все породы начинают вести себя как пластичные, а не как хрупкие.

Коэффициент Пуассона

где коэффициент Пуассона, обозначаемый греческой буквой ν (ню), имеет некоторое значение, меньшее чем 0,5.

Отношение горизонтальной деформации к вертикальной деформации также выражается через коэффициент Пуассона. Оно определяется по формуле:

Коэффициент Пуассона для воды равен 0,5, т.е. давление, действующее в вертикальном направлении, полностью передается во всех других направлениях. Коэффициент Пуассона для горной породы можно определить, подсчитав отношение поперечной деформации к продольной деформации.

124

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

могут быть как низкими - 0,17, так и высокими - 0,50 (для очень влажных глин).

Почему так важно знать коэффициент Пуассона для разбуриваемой породы? Потому что пластичные породы могут выдавливаться в скважину под весом вышележащих пород. Для проходки пород с высоким коэффициентом Пуассона потребуется более плотный буровой раствор, поскольку в этом случае нужно предотвратить выдавливание или обрушение породы в скважину.

При определении коэффициента Пуассона в лаборатории принимается, что боковое давление одинаково со всех сторон. Однако в земной коре это не так.

Трехосное напряженное состояние и главные напряжения

напряжение, ортогональное к ним обоим.

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Напряжения в естественных условиях залегания

Теперь рассмотрим элементарный кубик породы в естественных условиях залегания. Это означает отсутствие возмущений в пласте (рис. 8-18). Когда порода находится в естественных условиях залегания, элементарный кубик находится в равновесном состоянии. Массив вышележащих пород давит на кубик, как гидравлический пресс в лаборатории. Напряжение от этой нагрузки стремится сделать элементарный кубик короче и толще, как образец породы в лаборатории. Все окружающие элементарные кубики воспринимают такую же нагрузку, которая также стремится сделать их короче и толще. Эти окружающие кубики, стараясь расшириться, создают боковое давление на наш элементарный кубик. По мере увеличения давления вышележащих пород с глубиной возрастает и боковое давление. Кажущаяся прочность породыостаетсядостаточновысокой,чтобыкубикнеразрушился.Современемдавлениевышележащихпород ибоковоедавлениеувеличиваютсянастолько, что превышают предел текучести породы. Однако это не произойдет до глубины примерно 80 - 90 тыс. футов1.

В естественных условиях залегания элементарный кубик породы находится в равновесном

состоянии. Напряжения от веса вышележащих пород стремятся деформировать породу, окружающую кубик. В результате возникает поперечное или боковое давление, препятствующее деформации кубика. Каждый такой кубик давит на окружающие кубики и испытывает давление с их стороны.

Рис. 8-18 Напряжения в естественных условиях залегания

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Кольцевые напряжения

Мы будет так много говорить о кольцевых напряжениях, что имеет смысл объяснить это понятие подробнее. Для этого рассмотрим сосуд давления, показанный на рис. 8-20. Если разделить сосуд пополам вертикальной плоскостью, то обе половины будут стремиться разойтись. Внутреннее давление, действующее на поперечное сечение каждой половины сосуда, создаст усилие, раздвигающее эти половины. Сила, удерживающая вместе обе половины, обусловлена растягивающим напряжением в стенках сосуда. По величине эта сила равна произведению напряжения на площадь поперечного сечения стенки. Численно она равна силе, стремящейся раздвинуть обе половины. Это кольцевое напряжение остается неизменным по всему периметру сосуда, если не изменяется толщина стенки.

Представим себе, что тот же самый сосуд испытывает давление извне, как при погружении глубоко в море. Теперь наружное давление, действующее на ту же площадь, удерживает обе половины сосуда вместе. Кольцевые напряжения в любом месте сосуда являются сжимающими.

Внутреннее давление стремится раздвинуть половины сосуда. В результате в стенках

сосуда возникает растягивающее кольцевое напряжение. Если погрузить этот сосуд глубоко в море, в стенках будут действовать сжимающие кольцевые напряжения.

Рис. 8-20 Кольцевые напряжения

А сейчас посмотрим на сосуд, показанный на рис. 8-21. Когда по оси y действует сила 10 тыс. фунтов, кольцевые напряжения в плоскости x-z равны 1 тыс. фунт/дюйм. Когда по оси x действует сила 5 тыс. фунтов, кольцевые напряжения в плоскости y-z равны 500 фунт/дюйм2. Две не равные

по величине силы создают кольцевые напряжения разной величины.

Рис. 8-21 Кольцевые напряжения

Теперь давайте вернемся к нашему элементарному кубику породы, находящемуся в естественных условиях залегания (рис. 8-19). Если ствол скважины проходит рядом с этим кубиком, и с одной стороны удалена порода, создающая боковое давление, то недостающие напряжения восполняются кольцевыми напряжениями. Можно посмотреть на эту ситуацию и таким образом, что теперь поле напряжений должно обойти вокруг скважины (рис. 8-22).

128

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП | Институт 4 группа 4736

Поскольку в процессе бурения удаляется порода, происходит перераспределение напряжений и возникают кольцевые напряжения.

Рис. 8-22 Распределение напряжений вокруг ствола скважины

Если скважина вертикальная, и нет тектонических напряжений, то горизонтальные напряжения (σH и σh) равны, и кольцевые напряжения равномерно распределены вокруг ствола скважины (рис. 8-23А).

Поскольку тектонические напряжения в той или иной степени существуют везде, то при любом распределении напряжений горизонтальные напряжения будут больше в одном направлении, чем в остальных. Наибольшие горизонтальные напряжения σH должны обойти скважину, как кольцевые напряжения. Это же относится и к наименьшим горизонтальным напряжениям σh. В результате возникают кольцевые напряжения, которые имеют максимальное значение на направлениях, отстоящих на 90° и 270° от направления действия наибольших главных горизонтальных напряжений (рис. 8-23В).

Рис. 8-23 Кольцевые напряжения на стенках скважины

129

СПБГУАП | Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts