Особенности разрушения горных пород на забое скважины
Виды и области разрушения горных пород при бурении скважин
Нагружение элементов вооружения для создания разрушающих напряжений в горной породе под породоразрушающими инструментами при бурении создается осевой нагрузкой, создаваемой весом бурильного инструмента, к которому присоединен породоразрушающий инструмент, или специальными системами нагружения. Разрушение горной породы охарактеризуем максимальной глубиной внедрения элемента разрушения в горную породу при единичных воздействиях и величиной углубления скважины за один оборот инструмента hо при вращательном бурении, которое может называться проходкой за один оборот инструмента или интенсивностью разрушения горной породы породоразрушающим инструментом.
В зависимости от осевой нагрузки Л. А. Шрейнер выделил три характерных вида разрушения горной породы, которые на рис. 4.45 а обозначены соответственно I, II, III.
Вид I. Интенсивность разрушения горной породы прямо пропорциональнанагрузке на долото и весьма мала. Скважина образуется вследствие истирания породы, поэтому вид разрушения назван поверхностным истиранием.
Вид II. Прямая пропорциональность между интенсивностью разрушенияпороды и осевой нагрузкой на долото нарушается. Это связано с развитием усталостных явлений при многократных воздействиях инструмента на горную породу. Такой вид разрушения горной породы назван усталостным.
|
|
|
Вид III.Осевая нагрузка соответствует или превышает необходимуюдля создания напряжений под вооружением, превышающих сопротивление горной породы разрушению. Интенсивность разрушения горной породы по мере дальнейшего роста осевой нагрузки вначале быстро возрастает, затем темп роста снижается. Такой вид разрушения горной породы назван объемным.
h o
Рис. 4.45. Зависимости интенсивности разрушения горной породы от осевой нагрузки (а) и глубины залегания (б) при бурении
На рисунке 4.45 б показан характер изменения интенсивности разрушения горных пород с глубиной при бурении шарошечными долотами в Башкирии. Из рисунка видно, что с увеличением глубины бурения наблюдается монотонное уменьшение интенсивности разрушения горных пород. Влияние глубины залегания горных пород на сопротивление их разрушению обусловлено тремя основными факторами.
Первый фактор – с увеличением глубины залегания растет уплотнение горных пород (снижается пористость), причем наиболее существенно у глинистых горных пород.
Второй фактор – с увеличением глубины залегания растет геостатическое давление, соответственно, возрастают средние сжимающие напряжения в горных породах, с увеличением которых для большинства горных пород растут их предел текучести, предел прочности и пластичность.
|
|
|
Третий фактор – разность давления промывочной жидкости рс на забой скважины и пластового (порового) рп давления. Эта разность получила название дифференциальное давление рд, т.е.
| рд = рс – рп . | (4.84) |
Исследования показали, что из трех названных факторов влияние дифференциального давления наиболее существенно. Влияние дифференциального давления на разрушение горной породы проиллюстрировано на рис. 4.46 а, на котором в качестве показателя принята относительная механическая скорость бурения, равная отношению механической скорости при рассматриваемом дифференциальном давлении к механической скорости при нулевом дифференциальном давлении для горных пород соответствующей проницаемости. График 1 соответствует малопроницаемым породам, график 2 – породам средней проницаемости и график 3 – высокопроницаемым породам. Из рисунка видно, что по мере алгебраического увеличения дифференциального давления относительная механическая скорость бурения снижается, причем чем выше проницаемость горной породы, тем меньше темп снижения, т.е. тем меньше влияние дифференциального давления.
|
|
|
На рисунке 4.46 б приведены результаты изучения Р. М. Эйгелесом разрушения малопроницаемого известняка средней твердости элементом вооружения в виде притупленного клина с площадкой притупления 1 х 5 мм2, из которых следует, что при атмосферном давлении (график 4) было получено три скачка разрушения известняка: первый при нагрузке G ≈ 5 кН; второй при G ≈ 13 кН. Интервал нагрузок от 5 до 13 кН выделен как 1-я область объемного раз рушения породы. При G ≈ 22 кН был зафиксирован третий скачок разрушения породы. Интервал от 13 до 22 кН выделен как 2-я область разрушения. Начиная с нагрузки 22 кН началась бы 3-я область разрушения, если бы испытания были продолжены.
| h |
Рис. 4.44. Влияние дифференциального давления на разрушение горных пород
Следующие испытания были проведены при разных дифференциальных давлениях. В случае рд ≈ 5 МПа (график 5) осевые нагрузки, необходимые для достижения тех же скачков разрушения, резко возросли. Например, для второго скачка разрушения в 1,7 раза. В случае рд ≈ 25 МПа (график 6) нагрузка второго скачка разрушения возросла в 2,2 раза по сравнению с нагрузкой при нулевом дифференциальном давлении, а в случае рд ≈ 50 МПа (график 7) известняк утратил хрупкость и деформировался как пластичная, не дающая хрупкого разрушения порода.
|
|
|
Названные выше исследования, а также исследования, выполненные в УГНТУ, показали, что в случае хрупких и пластично-хрупких горных пород третий вид разрушения (см. рис. 4.45 а) делится на несколько областей объемного разрушения с границами, соответствующими нагрузкам на долото, при которых начинаются соответствующие скачки разрушения пород. С ростом дифференциального давления не только снижается интенсивность разрушения горной породы, но и меняется характер ее разрушения.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 876; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!