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

незначительно, оставаясь равной 0,87 мм. Диаметр зоны раз­ рушения в диапазоне 0 —160/200 бар уменьшается с 5,5 до

4,2 мм, оставаясь в дальнейшем постоянным. Энергоемкость

При всестороннем давлении твердость мрамора увеличивает­ ся от 95 до 135 кг/мм2, т. е. в 1,4 раза. Более значительный рост твердости наблюдается в диапазоне давлений 0 —200 бар. Условный предел текучести, возрастает почти линейно от 60 до 83 кг/мм2. Характер изменения диаметра и глубины зон раз­ рушения так,ой же, как и при воздействии комбинированного давления. Отмечается некоторое увеличение коэффициента пла­ стичности. При давлении 700 бар удельная работа разрушения

возрастает примерно в 3,5 раза по сравнению с нормальными

атмосферными условиями.

Анализ полученных данных позволяет сказать следующее.

1. Механические свойства горных пород, определенные пр

различных схемах нагружения образцов, значительно отли­ чаются друг от друга. В связи с этим в дальнейших исследова­ ниях необходимо применять схему нагружения, учитывающую

2 0

воздействие как горного, так и гидростатического давления.

Схема с равномерным всесторонним нагружением менее полно

моделирует забойные условия и поэтому не может быть приня­

та. Для практических целей следует использовать данные,

полученные при комбинированной схеме нагружения.

2.На характер процесса разрушения и энергоемкость его преимущественно влияет гидростатическое давление.

3.Рост давлений с увеличением глубины скважины приво­ дит к значительному повышению пластических свойств пород.

4.Энергоемкость процесса разрушения в исследованном

диапазоне давлений возрастает в 2 ,5 —3 раза.

Второй этап. На данном этапе было проведено массовое

определение механических свойств горных пород, характери­ зующих геологический разрез Днепровско-Донецкой впадины

(ДДв). С этой целью отбирались образцы в кернохрани-

лищах трестов «Чернигов», «Полтава» и «Харьковнефтераз-

ведка» Министерства геологии УССР.

В литологическом отношении геологический разрез ДДв

однороден и отличается в основном мощностью и глубиной

залегания того или иного стратиграфического комплекса. В се­ веро-западной части ДДв мощность осадочной толщи состав­

глубины до 5000 м. Исследование образцов пород, отобранных

с достигнутых к настоящему времени интервалов, позволяет ориентировочно судить об изменении механических свойств горных пород на больших глубинах. Для экспериментов отби­

рались образцы кернов только основных литологических раз­

ностей пород (табл. 3). Литологические разности кайнозойских отложений, слагающих верхнюю часть разреза, в таблицу не включены, ибо не представляют серьезных трудностей при

разбуривании.

Главной характеристикой горных пород при проводке сква­ жин является их буримость, тесно связанная с механическими свойствами, поэтому в табл. 3 стратиграфические комплексы

объединены по буримости [38]. Коэффициент вариации зна­ чений проходки, механической и рейсовой скоростей при опре­

делении однородности стратиграфического комплекса по отно­ сительной буримости горных пород не превышал 35%. Произ­

веден расчет давлений и нагрузок на образец породы в камере

высокого давления при моделировании забойных условий.

В табл. 4 приведены результаты расчетов термодинамиче­

ских параметров в призабойной зоне при глубинах до 10 000 м для проведения экспериментов по комбинированной схеме нагружения. Коэффициент бокового распора принят при-

21

23

чаников C i1 и черных аргиллитов CI1 возрастает с 118—130 до 220—230 кг/мм2, т. е. в 1,75—1,85 раза. Относительно боль­

шее увеличение твердости наблюдается для пород с меньшей твердостью. Твердость мергелей Сг2П"*"* и Crl*, известняков и С21возрастает с 55 —65 до 140 —160 кг/мм2 с увеличением глуби­ ны скважины до 4 —5 тыс. м (см. рис. 9). Твердость соли D|m воз­

(с 120—220 до 240—310 кг/мм2) при увеличении глубины сква­

жины до 5000 м.

На рис. 10 показаны зависимости удельной объемной рабо­ ты разрушения от глубины скважины для различных групп пород. Для сравнения здесь же отражен характер изменения

25.

род ДДв.

а — породы глинистого состава; б — песчаники; в — карбонатные и изверженные по­ роды; 1 — пестроцветные аргиллиты (глины), Р; г — мелкозернистые слабосцементированные глинистые песчаники, Cs; з— крупнозернистый грубообломочный песча­ ник, Т; 4 — мелко- и среднезернистые песчаники, С3; 3 — сливные песчаники, С,; 6 — известняк тонкодисперсный, С; 7 — диабаз, D3; s — известняк черный, С. Циф­

ры со штрихами обозначают кривые удельной объемной работы разрушения.

твердости по штампу. Анализ представленного материала пока­ зывает, что для глинистых пород при росте твердости в 3 раза удельная объемная работа разрушения возрастает в 10—12 раз. Для песчаников при таком же увеличении твердости энергоем­ кость процесса разрушения растет менее значительно (в 3 —7 раз). У изверженных пород, несмотря на незначительное упроч­ нение (40%), удельная объемная работа разрушения увеличи­ лась почти в 3 раза. У плотных тонкодисперсных карбонатных пород отмечено максимальное возрастание энергоемкости. Для

этих разновидностей твердость по штампу в условиях, соответ­

дует отметить, что практически для всех пород наряду с ростом

твердости отмечается существенное снижение объема материа­ ла, отделяемого от образца при внедрении штампа. В некото­

рых случаях (особенно для карбонатных пород) форма лунки

повторяет форму штампа.

Рассмотрение материалов, полученных на первом и втором

этапах исследований, позволяет сделать следующие выводы о влиянии специфических забойных условий на механические свойства и разрушение пород в глубоких скважинах.

26

1. Растет твердость всех разновидностей горных пород, при­ чем наиболее интенсивно этот показатель увеличивается у по­ род малой прочности. Это свидетельствует о необходимости

увеличения осевых нагрузок по мере роста глубины скважины

для обеспечения объемного разрушения пород забоя. Для практического использования полученного материала при рас­ четах рациональных режимов бурения глубоких скважин в соответствии с методическим руководством [39] в условиях ДДв произведены определения коэффициента а , характеризующего

влияние забойных условий на твердость породы. Соответствую­

щие данные приведены в табл. 5.

В связи с тем, что возможности увеличения осевого усилия ограничены, необходимо создавать породоразрушающий инстру­

мент с уменьшенной площадью контакта долота с забоем.

2. Главным из исследованных факторов, отрицательно вли­

яющим на эффективность процесса разрушения породы в усло­ виях забоя, является гидростатическое давление. Существенное

повышение твердости и пластических свойств породы, резкое

ухудшение энергоемкости процесса и очистки забоя от продук­ тов разрушения — вот результат действия этого фактора. По­ этому один из наиболее действенных путей повышения эффектив-

27

или газообразных веществ. Это направление перспективно еще и потому, что снижение гидростатического давления на забой даст возможность проявиться положительному эффекту, о ко­ тором говорилось раньше, от действия бокового горного дав­ ления.

3. Рост давлений с увеличением глубины скважины приво дит к значительному повышению пластических свойств пород.

Породы упруго-пластического класса, разрушающиеся в атмос­

ферных условиях как хрупкий материал, с повышением давлений переходят в класс пластичных пород. В этом случае эффектив­ ность применения долот дробяще-скалывающего типа (напри­

мер, шарошечных) снижается. Совершенствование их должно

идти по линии повышения проскальзывания шарошек за счет

смещения осей или изменения других конструктивных парамет­

ров, сокращения числа зубьев для увеличения контактных наг­

рузок и времени взаимодействия зуба с забоем, увеличения высоты зуба и пр. Большой эффект можно получить от примене­

ния долот режущего и истирающе-режущего типов. Для созда­ ния высокопроизводительного породоразрушающего инстру­ мента такого типа необходимо провести определенный комплекс

работ, в процессе которых должна быть обоснована рациональ­

ная геометрия породоразрушающей части, исследованы законо­

мерности износа, разработаны рекомендации по повышению

стойкости вооружения, созданы новые более износостойкие ма­

териалы и т. п. Применение в любых долотах гидромониторных систем для промывки забоя тоже эффективная мера, так как

о механических свойствах пород ДДв показывают, что потен­

циально до 50% метража в данном геологическом разрезе мо­

жет проходиться долотами режущего и истирающе-режущего типов.

Одним из основных резервов дальнейшего повышения эф­ фективности проходки глубоких скважин является переход на силовой режим разрушения за счет существенного увеличения

удельных контактных нагрузок. Поскольку при этом сущест­

венно возрастают силы трения, действующие на контактных

поверхностях долота с забоем, необходимо снижать окружные

скорости инструмента либо путем перехода на роторный режим бурения, либо путем создания тихоходных забойных машин.

Радикальной мерой может стать создание новых инструмен­ тальных материалов для оснащения породоразрушающей части

долот, обладающих повышенной износостойкостью.

28

Г л а в а III

МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ВДАВЛИВАНИИ ИНДЕНТОРОВ

С ПЛОСКИМ ОСНОВАНИЕМ

Создание обоснованной методики проектирования рацио­

нальных режимов бурения, а также разработка научных основ

расчета и конструирования породоразрушающего инструмента требуют глубокого изучения процессов, протекающих в горной породе при ее взаимодействии с рабочими элементами долота. Применяемый в настоящее время буровой инструмент отделяет породу от массива или путем раздавливания и смятия, или путем срезания. Как в том, так и в другом случае обязательным

условием разрушения породы является внедрение в нее инстру­ мента. Поэтому, прежде всего, необходимо исследовать процесс

вдавливания.

За последние 60 лет в литературе предлагалось несколько

схем разрушения [40—47 и др.]. В общих чертах этот процесс

при вдавливании индентора может быть описан так. С увеличе­

нием усилия внедрения в начальный период существенных ка­ чественных явлений не отмечается, за исключением незначитель­

ных повреждений поверхности породы по контуру контактной площадки индентора, где концентрация напряжений значитель­

но выше, чем под остальной поверхностью контакта.

После того как нагрузка достигает определенной величины, происходит так называемый «скачок», сопровождающийся пе­ ремещением индентора в глубь материала, отделением от мас­ сива обломков^ породы и образованием зоны разрушения. Для большинства пород в атмосферных условиях объем последней

внесколько раз превышает объем внедрившейся части инден­

тора. При этом под контактной площадкой образуется ядро

разрушенной и сильно спрессованной породы.

Для выяснения вопросов, связанных с формированием на­ пряженного состояния и развитием деформационных процессов

вматериалах при действии на них внешних нагрузок, в течение

ряда лет (начиная с 1962 г.) мы провели соответствующие ис­

следования. В опытах широко использовались ненапряженные

оптические стекла различных марок. Выбор этого материала

был обусловлен тем, что по своим упруго-пластическим харак­ теристикам стекло близко к горным породам. Один из ведущих

специалистов в области обработки стекла проф. Н. Н. Качалов

29

кристаллическим природным и искусственным материалам (мрамор, рубин и др.)». Естественно, что одна из главных при­

чин выбора стекла в качестве материала, моделирующего гор­

ную породу, — возможность непосредственного наблюдения ме­

ханизма процессов разрушения, протекающих внутри массива.

Закономерности, полученные на стекле, проверялись затем на

горных породах.

§ 1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Работы велись на блоках стекла или горных пород, имеющих

правильную форму. Нагружение производилось до первого

скачка разрушения. В качестве нагрузочного устройства ис­

пользовался прибор УМГП-3 и вертикальный струнный копер. В процессе внедрения инденторов велась запись диаграммы

усилие — внедрение. Инденторы имели плоское основание

и цилиндрическое или прямоугольное сечение. Для цилиндри­

ческих инденторов площадь основания была равна 2 мм2, а для

прямоугольных — 2,5 мм2 при отношении длины к ширине

10:1. При динамическом внедрении применялись твердосплав­ ные коронки долотчатой формы диаметром 36 мм. Породоразру­

шающее лезвие имело площадку притупления 0,5 мм. При вдав­

ливании инденторов в материал одновременно с записью диаг­ раммы усилие — внедрение фиксировались напряжения в по­

верхностном слое материала с помощью тензодатчиков. Анализ глубины и направления распространения трещин

в горных породах проводился методом люминесцентной дефек­ тоскопии *. Для этого использовались специальные люмино­ форы ЛЖ-5 и ЛЖ-6, разработанные Харьковским институтом монокристаллов, обладающие большой проникающей способ­

ностью. Методически эксперимент протекал так. Алмазной пи­

лой из блока вырезался кубик с зоной разрушения, потом спе­ циальным диском с внутренним резом этот кубик разрезался на серию тонких (0,5—0,8 мм) пластин. Пластины замачива­ лись в люминофоре, затем струей воды удалялся избыток

люминофора с поверхности, а остаток снимался порошком

талька. Проникший в трещины, светящийся в ультрафиолете

зеленовато-желтым светом люминофор позволяет установить

геометрические параметры зоны предразрушения. Этот же ме­ тод использовался для определения размеров зон разрушения

в стекле. Изучение процессов при вдавливании инденторов

* Эксперименты проводились совместно с канд. техн. наук И. А. Свеш­ никовым.

30