книги из ГПНТБ / Арцимович, Г. В. Влияние забойных условий и режима бурения на эффективность проходки глубоких скважин

10

полноту охвата проблемы, имеет некоторые погрешности в

части внутренних связей между отдельными разделами и не

является единственно возможной. В то же время она позволя­ ет получить общее представление о проблеме в целом и о месте, которое в ней занимают исследования, освещенные в данной книге (часть схемы, выделенная двойной линией).

Г л а в а II

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

ВУСЛОВИЯХ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ЗАБОЙНЫЕ

§1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение механических свойств горных пород, как и любых

других твердых тел, сводится к установлению связи между

внешними силами и деформациями. Поведение тела в процессе

деформации определяется совокупностью его упругих, пласти­

ческих и прочностных свойств. На характер деформации

влияют различные факторы: напряженное состояние, скорость приложения нагрузки, температура, физико-химические свой­

ства окружающей среды и др. Вполне естественно, что для

характеристики механических свойств горных пород желатель­ но использовать такие показатели, которые в достаточной сте­ пени отражают технологический процесс при бурении. Опреде­ ление механических свойств пород должно вестись в условиях, которые в достаточной мере учитывают основные факторы, вли­ яющие на процесс деформации.

С этой точки зрения многие исследования в данной области не удовлетворяют указанным выше требованиям или части их. В последние 15—20 лет значительно возрос интерес к исследова­

ниям механических свойств горных пород, и особенно в усло­ виях всестороннего сжатия. Такие работы широко ведутся как

у нас, так и за рубежом. Учитывая тот факт, что при бурении

порода разрушается за счет вдавливания рабочего элемента

долота в забой, необходим такой метод, который по своей кине­ матике был бы близок к этому процессу. Наиболее полно отве­

чает этому требованию метод, разработанный профессором

Л. А. Шрейнером [15], а также метод профессора Л. И. Барона

[16].Достоинство методов состоит в том, что они позволяют полу­

11

чить полный график деформаций при вдавливании вплоть до разрушения. Необходимо отметить, что метод Л. А. Шрейнера

широко применяется в исследованиях механических свойств горных пород во многих институтах нашей страны [17—19 и др. ].

Поскольку изучать свойства пород непосредственно в сква­ жине не представляется возможным, исследователи пошли по

пути создания специальных установок, моделирующих условия

забоя [17—27 и др.].

Породы, слагающие призабойную зону, находятся в слож­

ном напряженном состоянии, так как подвержены действию

горного, гидростатического и норового давлений. Эффектив­

ность разрушения горных пород зависит от характера напря­ женного состояния призабойной зоны до момента воздействия

на породу долота. Как было показано в гл. 1, в ненарушенном

массиве можно ожидать распределения напряжений, возника­ ющих под действием горного давления, по шаровому или по

эллиптическому тензору. С достаточной достоверностью можно

предполагать, что в нетронутом массиве действует гидростати­

ческий закон распределения. Это подтверждается как данными

геофизических наблюдений, так и экспериментальными иссле­

дованиями Б. М. Матвеева [28] и Ж. С. Ержанова [29] (табл. 2). Подсчеты коэффициентов Пуассона на основании данных

табл. 2 показывают, что их величина близка к 0,5. Следователь­

но, вертикальная и горизонтальная (боковая) составляющие горного давления практически одинаковы. Все приведенные рассуждения относятся к нетронутому массиву.

Впроцессе проходки скважины нарушается существующее

внетронутом массиве напряженное состояние. Если бы промы­ вочная жидкость имела удельный вес, равный удельному весу

пород, можно было бы допустить с определенной погрешностью,

что характер напряженного состояния практически не изме­ нился. В действительности же удельный вес промывочного раствора в 1,5—2 раза меньше. Это, безусловно, вызывает перераспределение напряжений в части массива, прилегающей к горной выработке.

Приведенные соображения свидетельствуют о том, что, создавая специальные установки для моделирования забойных

условий, необходимо обосновать схему загружения образца

горной породы в рабочей камере. С этой целью был выполнен комплекс работ по моделированию методом объемной фото­

упругости напряженного состояния призабойной зоны скважи­

ны, нагруженной горным и гидростатическим давлением [30].

Таким же методом аналогичная задача решалась во ВНИИБТ [31] и зарубежными исследователями [32]. Не останавливаясь подробно на методике и результатах, поскольку они достаточно

12

Т а б л и ц а 2

* Значения ft, полученные при исследованиях по общепринятой методике.

полно рассмотрены в названных источниках, отметим, что мате­ риалы экспериментов позволили определить геометрические

размеры зоны влияния скважины на напряженное состояние

массива. Установлено, что от контура скважины в глубь массива

зона возмущения распространяется не более чем на 1,0—1,5

диаметра скважины.

Следует также обратить внимание еще на один факт, обна­ руженный при экспериментах. При соотношении вертикальной

и боковой составляющих горного давления, равном 1,5, ради­

альные и тангенциальные напряжения на поверхности забоя имеют положительный знак. Однако при наличии гидростати­

ческого давления этот эффект резко угнетается.

В практике проходки глубоких скважин при бурении с про­ дувкой воздухом или газом отмечается резкое повышение ско­ рости бурения. Это может быть связано с указанным эффектом

и подтверждает целесообразность исследований механических

свойств горных пород при различных по величине составля­ ющих горного давления. Анализ конструкций установок высо­ кого давления, предназначенных для исследования механиче­ ских свойств горных пород в условиях, моделирующих забой глубоких скважин [17—20, 22, 24, 25, 33 и др.], показывает, что при создании большинства из них вопросу обоснования способа нагружения образца в камере высокого давления не придавалось большого значения. В этом можно убедиться,

если обратиться к рис. 3.

Схема нагружения на рис. 3, а [19], по сути, имитирует на­

пряженное состояние пород в ненарушенном массиве и не отра­

жает специфики искажения его горной выработкой. Схема на

рис. 3,6 [33] не учитывает горного давления вообще, а способ создания гидростатического давления вряд ли можно считать

удачным из-за действия по поверхности контакта нагрузочной плиты и горной породы сил трения. Схема на рис. 3, в [18] не учи-

13

Ай'Эр

Аорн.баи

± ± J _ 1

Рис 3. Принципиальные схемы нагружения образцов горных пород в камерах высокого давления.

а — равномерное всестороннее сжатие; б — гидростатическое давление (жесткой пли­ той); в — боковое горное давление; г — горное Соковое и гидростатическое давление;

б — комбинированная схема, учитывающая действие составляющих горнего и гидро­ статического давления; е —ж — гипотетические структуры призабойной скважины.

тывает вертикальной составляющей горного давления и вли­

яния гидростатического давления. При нагружении по схеме,

соответствующей рис. 3, г [17, 24], игнорируется влияние верти­

кальной составляющей горного давления. На рассмотренных

схемах утолщенной линией показана поверхность, в которую производится вдавливание штампа. Наиболее полно отражает

характер напряженного состояния призабойной зоны схема на рис. 3, д [22, 24, 25]. Первые четыре схемы (см. рис. 3, а—г) можно легко вывести, приняв за основу гипотетическую струк­

туру призабойной зоны, изображенную на рис. 3, е. Пятая схема (см. рис. 3, д) обосновывается рис. 3, ж. Анализ гипотетических

структур призабойной зоны и вытекающих из них схем нагру­

жения заставляет отдать предпочтение схеме 3,3. Мы специаль­

но исследовали методом объемной фотоупругости, а где было возможно — аналитически все рассмотренные схемы нагруже­ ния. За эталон принимался характер распределения напря­ жений по работам [30, 31]. Проведенные исследования еще раз

14

ная установка для ис­

следований физико-ме­

ления, осуществляющей комбинированное нагружение образца

горной породы, представлена на рис. 4.

' Камера состоит из толстостенного корпуса 1 , имеющего внут­ реннюю полость, в которую снизу на подставке 11 вводится об­ разец горной породы 10. Герметизация камеры снизу осуществ­ ляется путем вворачивания гайки?4 в корпус. При создании вра-

бочей полости повышенного давления уплотнение 12, опирающе­ еся на кольцо 13, деформируется и надежно предотвращает утеч­

ки жидкости из камеры. Сверху герметизация камеры достигает­

ся путем затяжки болтами 2 фланца 4. Последний, уплотняя прокладку 5, обеспечивает надежность работы системы. По шту­ церу 9 в камеру подается масло «Индустриальное 20», создаю­ щее горное давление, а по штуцеру 6—жидкость, имитирующая

гидростатическое давление.Уплотнение 7,поджимаемое крышкой

16, служит для разделения полостей горного игидростатического давления. На подставке 11 размещен нагревательный элемент 8, питание которого осуществляется через конусные электровводы, смонтированные в подставке. Рабочая температура в камере фик­

сируется термопарой 15. Штамп 3 вводится в камеру через отвер­

стие во фланце, расположенное эксцентрично по отношению к оси образца. Для смены положения образца после выполнения опы­

та достаточно ослабить гайку 14 и с помощью специального

приспособления повернуть подставку на нужный угол. Затем гайку нужно снова затянуть. Боковое горное давление созда-

Камера разработана совместно с инженером Э. Д. Скляровым.

15

ется за счет повышения давления жидкости в полости камеры,

а вертикальное — за счет разности опорных площадей образца снизу и сверху. Порядок работы на установке следующий.

После монтажа на подставке уплотнительных элементов, установки образца, упакованного в специальную обойму, и верхнего уплотнительного кольца 7 вся сборка на гайке вдви­ гается в камеру и гайка закручивается. Болтами 2 затягивается фланец 4, и в отверстие вводится штамп. В таком виде камера

помещается между опорными поверхностями нагрузочной части

прибора УМГП-3. Нижняя плоскость камеры покоится на сто­

лике подъемного механизма, а штамп упирается в подвижный шток прибора. От мультипликатора в полость горного давления

подается рабочая жидкость и устанавливается необходимая

величина давления. Затем от второго мультипликатора в верх­

ней полости создается необходимое гидростатическое давление. После стабилизации необходимых параметров производится

вдавливание штампа. По окончании опыта давление в системах

снижается, меняется положение образца путем поворота на за­

данный угол, затем после поднятия давлений до нужных вели­

чин опыт повторяется. За один цикл делается 3—4 опыта.

Далее образец извлекается из камеры, измеряются и фиксиру­

ются геометрические параметры зон разрушения, в камеру за­

гружается новый образец, и цикл повторяется.

§ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ^ ПОРОД

В соответствии с изложенной методикой на созданной уста­ новке были изучены механические свойства некоторых горных пород. Исследования проводились в два этапа.

Первый этап. Основная цель работ заключалась в установле­ нии общих закономерностей изменения механических свойств

горных пород при различных схемах нагружения образца,

представленных на рис. 5.

Камера отличается от описанной в работе [35] тем, что шток, на котором крепится пуансон, входит в камеру по скользящей

посадке с зазором 0,003—0,006 мм. Это позволяет избежать утечек без применения специального набора металлических и

полихлорвиниловых колец (как это было в первой конструкции

камеры). Отсутствие специальных уплотнений исключает по­

грешность при определении усилия внедрения индентора

в породу.

Метод вдавливания цилиндрического штампа с плоским основанием [15] дает возможность определить показатели меха-

16

Рис. 5. Схемы нагружения образца горной породы,

о — при воздействии горного давления (бокового и вертикального); б — при воз­ действии комбинированного давления (горного и гидростатического);^ — при все­

стороннем равномерном давлении.

нических свойств горных пород: твердость, условный предел

текучести, коэффициент пластичности, удельную объемную

работу разрушения и др. При внедрении штампа в породе

возникает напряженное состояние, близкое к состоянию под породоразрушающим элементом долота. Поэтому оказывается

возможным устанавливать корреляционные связи между меха­

ническими характеристиками горных пород, режимными пара­

метрами и показателями бурения.

Учитывая, что геологический разрез нефтяных и газовых месторождений представлен главным образом породами упруго­ пластичного класса, эксперименты проводились на белом мра­ море (Коелгинское месторождение, Урал), песчанике (Монаховский карьер, Донбасс) и известняке (Алгетское месторож­

дение, Грузия). Приводим петрографическую характеристику

указанных пород *.

Мрамор — структура гранобластовая, среднезернистая. По­ рода состоит из кристаллических зерен кальцита в основном

изометричной формы размером 0,1—0,2 мм.

Песчаник — структура псаммитовая, равномернозернистая,

мелкозернистая. Размер обломков кварца и полевого шпата преимущественно 0,1—0,3 мм. В обломочной массе встреча­ ются алевритовые частицы.

* Описание шлифов выполнено канд. геол.-мин. наук Э. М;-Винник.

Пластическая часть породы (70—75%) выражена следу­

ющими минералами. Кварц составляет примерно половину

обломочного материала, полевой шпат представлен зернами

плагиоклаза и калиевого полевого шпата, мусковит — топкими

удлиненными зернами, хлорит — единичными лейстами разме­

ром до 0,2 мм, кальцит — единичными окатанными зернами.

Цемент по минеральному составу гидрослюдисто-серицито-

вый. Отдельные участки выполнены окислами железа.

Известняк имеет микрозернистую или афанитовую струк­ туру. Микроструктура органогенно-пелитоморфная. Основная

масса с размером зерен 3—5 мк.

Исследования проводились на сухих образцах, изготовлен­

ных в виде цилиндров. Методика подготовки образцов описана в работе [37].

Чтобы исключить физико-химическое влияние среды (.масло

«Индустриальное 20»), имнтирующей горное давление, образец

помещался в специальную оболочку. Поверхность образца, подвергающуюся воздействию гидростатического давления, изо­

лировали силикатным клеем.

Внедрение штампа велось до первого скачка разрушения.

Каждый опыт повторялся 4 —6 ра'з.

Относительная ошибка определения таких показателей, как

твердость и условный предел текучести, при данном числе опы­

тов приблизительно составляет 5%, а остальных — 10%.

Для мрамора исследования были проведены по всем трем схемам нагружения, а для песчаника и известняка — только по схеме 5 ,а. Необходимо отметить, что при данной конструк­ ции камеры при отсутствии гидростатического давления выдер­

ся изменение вертикальной составляющей, согласно приведен­ ному соотношению.

При исследованиях по схеме 5,6 имело место соотношение

На рис. 6 графически изображены результаты исследования*

зависимости механических свойств пород от горного давления.

* В проведении экспериментов принимал участие В. А. Снитко.

18

нения близки к относитель­

ным ошибкам измерений этих величин, рост их следует

признать несущественным. Для известняка твердость снижает­

ся на 26%, а условный предел текучести '— на 15%.

Установлено, что общая работа разрушения Аобщ для мра­

мора и известняка с ростом горного давления снижается в 1,35 и

1,48 раза, а для песчаника остается прежней. В то же время

удельная объемная работа разрушения практически посто­

янна.

Объем зоны разрушения при внедрении штампа в песчаник остается неизменным, а у мрамора и известняка несколько уменьшается.

На рис. 7 отражены результаты исследований механических свойств мрамора в зависимости от величины комбинированного

и всестороннего давления. Анализ полученных материалов сви­

детельствует о значительном возрастании твердости, условного предела текучести, коэффициента пластичности и работы раз­

Условный предел текучести у мрамора во всем диапазоне постепенно возрастает и при соотношении давлений 560/700 бар

в 1,6 раза превышает величину, определенную в атмосферных

условиях.