- •В.Д. Евсеев физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин
- •Введение
- •1. Горная порода – объект разрушения
- •Характеристика сил связи в структуре горной породы
- •1.2. Классификация горных пород академика Сергеева е.М.
- •1.3. Твердая компонента горной породы
- •1.4. Жидкая компонента горной породы
- •Сравнение физических свойств керосина и воды
- •1.5. Пористость и проницаемость горных пород
- •1.6. Горная порода как многокомпонентная система
- •2. Горная порода – сплошная среда
- •2.2. Инвариантные соотношения для напряжений и деформаций при различных напряженных состояниях
- •Значения обобщенных напряжений
- •Значения обобщенных деформаций
- •2.3. Энергия изменения формы и объёма при деформировании
- •2.4. Геометрическая интерпретация напряженного состояния
- •2. Реология горных пород
- •3.1. Аксиомы реологии. Виды идеальных деформаций
- •Реологическая диаграмма жестко-пластического тела Сен-Венана приведена на рис. 7.
- •3.2. Сложные реологические тела
- •3.3. Особенности ползучести горных пород
- •3.4. Реологические параметры, модули деформации и их определение
- •Величина коэффициента сжимаемости минералов, горных пород и жидкостей
- •4. Теории прочности
- •Сравнение прочности горных пород при различных испытаниях
- •4.1. Механическая теория прочности Кулона
- •4.2. Механическая теория прочности Кулона–Навье
- •4.3. Энергетическая теория прочности Гриффита а.А.
- •4.4. Кинетическая теория прочности
- •5. Деформационное поведение горных пород при различных напряженных состояниях
- •5.1. Развитие разрушения и определение прочности при одноосном растяжении и сжатии образцов горных пород
- •5.2. Разрушение образцов горных пород при трехосном сжатии
- •6. Особенности механического воздействия на горную породу забоя скважины при бурении
- •Число ударов m в минуту зубьев венца шарошки по горной породе забоя определяется по формуле
- •6.1. Особенности разрушения образцов горной породы при динамическом приложении нагрузки
- •6.1.2. Показатели динамических свойств горных пород. К показателям динамических свойств горных пород относят следующие:
- •Условие
- •6.2. Разрушение образцов горной породы при статическом вдавливании инденторов
- •Сфера. При контактировании сферы радиуса r с упругим полупространством образуется контактная площадка радиуса
- •Классификация горных пород по величине твердости и условного предела текучести
- •Вдавливание сферы и усеченного конического индентора. Главной особенностью вдавливания инденторов такой геометрии в горную породу является увеличение площади контакта индентора с горной породой.
- •6.3. Разрушение горной породы забоя скважины сдвигом
- •7. Энергетика дробления шлама на забое скважины и очистка забоя
- •8. Влияние параметров режима бурения и забойных условий на разрушение горных пород
- •8.1. Параметры режима бурения и показатели работы долот
- •8.2. Влияние параметров режима бурения на механическую скорость
- •8.3. Взаимосвязь параметров режима бурения и технико-экономических показателей
- •8.4. Влияние забойных условий на разрушение горных пород при бурении
- •8.4.1. Влияние гидростатического давления. Величина гидростатического давления, действующего на горную породу забоя скважины, для вязкой жидкости определяется выражением
- •Заключение
- •Список литературы
- •Содержание
- •6. Особенности механического воздействия на
- •7. Энергетика дробления шлама на забое
- •8. Влияние параметров режима бурения и
- •Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин
2. Реология горных пород
Фундаментом реологии являются несколько аксиом. Содержащиеся в них утверждения получены экспериментально. При изучении реологии мы будем использовать не сами тензоры напряжений и деформаций, а их инварианты, которые являются суммарной характеристикой изменения объёма и формы деформируемых тел.
Представим, что в нашем распоряжении имеются три шара, сделанные из трех различных материалов: стальной, пластилиновый и водяной. С этими тремя шарами мы проделаем несколько мысленных опытов, ставя перед собой основную задачу: определить вид механического воздействия на шары, способный распознать материалы, из которых сделаны шары.
Сначала рассмотрим падение этих шаров с некоторой высоты на поверхность стола. Еще до проведения такого опыта мы уверенно скажем, что различие в материалах, из которых сделаны шары, никак себя не проявит при падении шаров. Лишь при соприкосновении шаров с поверхностью стола мы обнаружим, что шары сделаны из разных материалов: стальной шар отскочит от поверхности стола, пластилиновый - прилипнет к столу, капля воды растечется по поверхности стола. Соприкосновение шаров с поверхностью стола обнаруживает различное деформирование шаров.
Если внимательно осмотрим шар из пластилина, то легко обнаружим на его поверхности плоскую площадку - результат смятия пластилина при контакте с поверхностью стола. В этом случае говорят, что в пластилиновом шаре возникла остаточная пластическая деформация. На поверхности стального шара такой плоской поверхности не видно, но есть все же основания предполагать её наличие в момент контакта шара с поверхностью стола: после окончания контакта шара со столом сферическая форма стального шара была восстановлена и это явилось причиной отскока шара от поверхности стола. Стальной шар – носитель восстанавливающейся упругой деформации. Поведение водного шара также резко отличается от поведения стального и пластилинового шаров: течение водяного шара по поверхности стола означает наличие у него необратимой вязкой деформации.
Подведём промежуточный итог: действие напряжений, возникающих в шарах при соприкосновении с поверхностью стола, вызывает в них появление деформаций различной природы: в стальном шаре возникает упругая деформация, в пластилиновом шаре - пластическая деформация, а в водяном шаре возникает течение, или, по другому, вязкая деформация.
Обнаружив значительное отличие в поведении трех шаров при проведении простого опыта, мы все же не приблизились к пониманию главного: действие какого напряжения способно отличить материал одного шара от материала другого?
Рассмотрим теперь поведение трех шаров при гидростатическом давлении. Эксперименты показывают, что результатом действия небольшого гидростатического давления ср будет увеличение плотности и уменьшение объёма V шаров в соответствии с уравнением ср = Kср на величину V = 3срV/K, где K - коэффициент объёмного деформирования (модуль объёмного сжатия). Форма шаров останется неизменной. При снятии давления прежние объём и плотность полностью восстанавливаются. Этот экспериментальный факт лег в основу первой аксиомы реологии.