Техника разведки лабораторный практикум

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

ТЕХНИКА РАЗВЕДКИ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2012

УДК 622.24(075.8) Т38

Рецензент:

доцент И.А. Козлова

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Т38 Техника разведки : лабораторный практикум / сост. Л.Н. Долгих, Н.И. Максимова. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 117 с.

ISBN 978-5-398-00876-0

Даны 13 лабораторных работ по основным разделам курса «Техника разведки».

Лабораторный практикум предназначен для студентов специальности 130304 «Геология нефти и газа», изучающих дисциплину «Техника разведки», и может быть использован студентами специальностей 130503 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» по дисциплинам бурового цикла.

2

3

Лабораторная работа № 1 ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ГОРНЫХ ПОРОД

Цель работы: изучение классификаций и основных свойств горных пород (твердость, упругость, пластичность, абразивность и др.), влияющих на процесс бурения скважин.

1.1. Общие сведения о механических свойствах горных пород

Земная кора сложена главным образом изверженными

иметаморфическими горными породами, на которых прерывистым покровом лежат осадочные породы. В строении нефтяных

игазовых месторождений принимают участие только осадочные горные породы.

Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения, – их упругие и пластические свойства, твердость и абразивность.

Твердость горных пород. Под твердостью горной породы понимается ее способность оказывать сопротивление проникновению в нее (внедрению) других тел (элементов породоразрушающего инструмента).

Л.А. Шрейнер предложил классификацию горных пород по твердости и пластичности методом вдавливания штампа – пуансона. Этот метод наиболее полно учитывает основные физикомеханические свойства горных пород, влияющих на процесс бурения.

Упругие свойства горных пород. Все горные породы под воздействием внешних нагрузок претерпевают деформации, исчезающие после удаления нагрузки или остающиеся. Горные породы относятся к упругохрупким телам.

Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости (модуль Юнга) и коэффициентом Пуассона. Модуль

4

упругости горных пород зависит от их минералогического состава, вида нагружения и величины приложенной нагрузки, от структуры, текстуры и глубины залегания пород, от состава

истроения цементирующего вещества у обломочных пород, от степени влажности, песчаности и карбонатности пород.

Пластические свойства горных пород (пластичность).

Разрушению некоторых пород предшествует пластическая деформация. Она начинается, как только напряжения в породе превысят предел упругости. Пластичность зависит от минералогического состава горных пород и уменьшается с увеличением содержания кварца, полевого шпата и некоторых других минералов. Высокими пластическими свойствами обладают глины

инекоторые породы, содержащие соли. При определенных условиях некоторые горные породы подвержены ползучести. Ползучесть проявляется в постоянном росте деформации при неизменном напряжении. Значительной ползучестью характеризуются глины, глинистые сланцы, соляные породы, аргиллиты, некоторые разновидности известняков.

Абразивность горных пород. Под абразивностью горной породы понимается ее способность изнашивать контактирующий с ней породоразрушающий инструмент в процессе их взаимодействия.

Абразивность пород проявляется в процессе изнашивания (преимущественно механического) и является его характеристикой. Поэтому показатели абразивности можно рассматривать как показатели механических свойств горных пород.

Среди горных пород наибольшей абразивностью обладают кварцевые и полевошпатовые песчаники и алевролиты (сцементированные обломочные породы с обломочными зернами размером от 0,01 до 0,1 мм).

1.2. Определение основных механических свойств горных пород

Основной вид деформации, под действием которой породы в процессе бурения разрушаются, – вдавливание.

5

ты, конгломераты на кремнистом цементе, кварцевокарбонатные породы и т.п.).

Рис. 1.2. Диаграммы деформации вдавливания пуансона для горных пород разных типов: а – упругохрупкие породы; б – пластичнохрупкие породы; в – высокопластичные породы

К III группе относятся породы, не дающие общего хрупкого разрушения (слабосцементированные пески, суглинки, извест- няк-ракушечник, мергели, глины с частыми прослоями песчаников, мергелей и т.п.).

Диаграмма деформации упругохрупких пород (см. рис. 1.2, а) представлена только упругой областью (соблюдается закон пропорциональности Гука). При достижении предела упругости (точка А) происходит хрупкое разрушение породы. Твердость породы определяется отношением нагрузки G в момент разрушения к площади основания штампа Sш:

Рш = G/Sш.

7

При деформации пластично-хрупких пород (см. рис. 1.2, б) выделяются две области: область упругих деформаций ОА и область пластических деформаций АВ. В точке В происходит разрушение породы.

Для этого класса пород можно рассчитать предел текучести Рт и коэффициент пластичности kп:

Рт = Gо / Sш.

Коэффициент пластичности определяется отношением всей работы до разрушения породы (площадь ОАВС) к работе упругих сил (площадь ОDE):

kп = SОАВС / SОDE.

Высокопластичные и сильнопористые породы не дают разрушения при вдавливании пуансона (см. рис. 1.2, в), так как возможная величина деформации ограничена небольшой длиной цилиндра пуансона.

1.3. Обработка результатов испытаний вдавливания штампа

Рассмотрим методику обработки результатов испытаний на примере графика, приведенного на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Диаграмма деформации горной породы при вдавливании штампа

8

1.Определение начала координат. Ось абсцисс проводится до начала опыта, когда G = 0, путем вращения барабана от руки. Для определения начала координат совмещаем линейку с линейным участком восходящей ветви G от δ и проводим прямую MN. Точку пересечения прямой MN и оси абсцисс принимаем за начало координат. Из начала координат проводим ось нагрузок ОG (ось ординат).

2.Определение масштаба графика. Запись погружения производится с увеличением 400:1, т.е. масштаб записи:

mδ = 0,0025 мм/мм,

тогда

δ = 2,5 · 10–3Lδ,

где Lδ – величина погружения, измеренная на графике, мм. Масштаб записи нагрузки:

mр = Gi ,

L

где Gi – вес груза, установленного на рычаге установки, кг;

L – перемещение пера на графике, соответствующее нагрузке на индикатор, равной Gi (L = 100 мм).

Тогда

тр = G (Н/мм), 100

величина нагрузки на штамп (H)

G = mpLp,

где Lp – величина нагрузки, измеренная на графике в мм.

3. Определение твердости по штампу и предела текучести породы. Твердость по штампу (МПа) определяется по максимальной величине нагрузки на штамп:

Рш = тр.Lp max ,

Sш

где Sш – площадь штампа, мм2.

9

Предел текучести (МПа) определяется по величине нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности на графике, который определяется по моменту отклонения кривой от прямой

MN:

Ро = тр.Lpo .

Sш

4. Определение модуля упругости при вдавливании (МПа):

Е = тр Lpo (1 − µ2 ) , d (тδ Lδ o − δ шт )

где Lδ o – величина перемещения штампа, замеренная на графике

исоответствующая достижению предела пропорциональности;

µ– коэффициент Пуассона для породы, значение которого можно принять равным 0,25;

δшт – величина упругой деформации штампа и самого прибора, которую можно определить только экспериментальным путем; при обработке результатов испытаний пород при нагруз-

ках, соответствующих Ро, можно принимать δшт = 0; d – диаметр штампа.

5. Определение показателей пластичности. По методике Л.А. Шрейнера за меру пластичности (коэффициент пластично-

сти kп) принимается отношение общей работы деформирования, затраченной до момента разрушения (площадь ОАВС), к работе упругих деформаций до разрушения при той же разрушающей нагрузке (площадь ОДЕ):

(пл. ОАВС) kп = (пл. ОДЕ) .

1.4.Порядок выполнения работы

1.Обработать полученную диаграмму деформации горной

породы при вдавливании штампа по методике, изложенной в п. 1.2.

10