Виды и характеристика разрушения горных пород при бурении
Практическая работа 1
Основные физико-механические свойства горных пород,
Влияющие на процесс бурения
Теоретическая часть
Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на процесс бурения скважин, являются их упругие и пластические свойства, прочность, твердость и абразивная способность.
Исследования и изучение физико-механических свойств горных пород при бурении скважин необходимы для:
− выбора способа бурения и наиболее производительных типов породоразрушающих инструментов (ПРИ);
− разработки рациональной технологии бурения и крепления скважин;
− расширения геологической изученности данного нефтегазоносного района.
Прочность горной породы представляет собой способность горной породы сопротивляться разрушению под воздействием на нее внешней нагрузки.
Твердость горной породы – это свойство горной породы противодействовать проникновению в нее породоразрушающего инструмента (ПРИ).
Важными признаками строения горных пород, имеющими существенное значение при их разрушении, являются их структура и текстура.
Структурой горной породы называют те ее особенности, которые обусловлены формой, размером и характером поверхности образующих ее минералов. Основной структурной особенностью осадочных горных пород (кристаллических, аморфных, обломочных), характеризующих их механические свойства, является структура цементов, связывающих отдельные обломки в одно целое.
Текстура горной породы указывает на особенности строения всей горной породы в целом и выявляет взаимное пространственное расположение минеральных частиц. Основными особенностями текстуры осадочных горных пород являются: слоистость, сланцеватость (способность породы раскалываться по параллельным плоскостям на тонкие пластины), массивная анизотропность и пористость.
Пористостью называется совокупность всех пустот в горной породе между минеральными зернами, образующими минеральный скелет породы. Пористость «П» горной породы характеризуется коэффициентом пористости « K п », равным отношению объема пор « V пор » к объему скелета « V ск » в данном объеме горной породы « V гп ».
При этом общий объем горной породы V гп составляет:
Vгп = Vпор + Vск (1)
Коэффициент пористости определяется по формуле:
Кп = Vпор / Vск (2)
Анизотропия (неравносвойственность) горных пород – это такая особенность текстуры горной породы, которая выявляет различие свойств горной породы в зависимости от выбранного направления (вдоль слоистости или перпендикулярно к ней). Максимальная твердость наблюдается параллельно слоям породы
Анизотропия горной породы характеризуется коэффициентом анизотропии «Kан», который определяется:
Kан = Х I / Х┴ (3)
где: Х I – показатель свойств горной породы вдоль слоистости или сланцеватости; Х┴ – показатель тех же свойств горной породы перпендикулярно слоистости или сланцеватости.
Плотностьρ (кг/м3) однородного тела – это отношение массы m, т.е. количества вещества тела (кг) к объему V тела (м3), т.е.:
ρ = m/ V (4)
Удельный вес ɤ (Н/м3) однородного тела – это вес единицы объема тела, т.е. отношение веса (Н) тела G (силы тяжести) к объему V тела (м3):
ɤ = G / V (5)
По природе сил сцепления (степени связности) между частицами осадочные породы подразделяются на три группы: скальные, связные (пластичные), рыхлые (сыпучие) и плывучие.
Горные породы обладают тем большей прочностью, чем тверже минеральные зерна, чем крепче между ними связь, чем плотнее они связаны цементом и чем большей твердостью обладает цементирующий материал. Мелкозернистые породы прочнее крупнозернистых (при одном и том же минеральном составе). Более плотные, менее пористые и менее трещиноватые породы обладают большей прочностью.
Поскольку прочность и твердость горных пород взаимосвязаны, на твердость оказывают влияние те же факторы и в том же направлении, что и на прочность.
Прочность на одноосное сжатие «σсж» (Н/м2) – это напряжение, при котором горная порода начинает разрушаться, существенно зависит от минералогического и петрографического составов породы. От величины σсж зависит энергия, расходуемая на разрушение породы.
Предел прочности на сжатие σсж испытуемого образца вычисляется по формуле:
σсж =P макс / F (6)
где: Pмакс – максимальное осевое усилие сжатия образца, Н; F – площадь поперечного сечения образца до испытания, м2 .
Прочность на скалывание (сдвиг) «σск» определяется методом одностороннего среза на приборе Гарановича. При этом значение σск определяется по формуле:
σск = Pмакс/F ср (7)
где: Pмакс – максимальное поперечное усилие среза образца, Н; F ср – площадь поперечного сечения среза образца после испытания, м2 .
Предел прочности σск на скалывание у большинства горных пород составляет от 6 до 10% предела прочности на сжатие σсж, поэтому желательно, чтобы породоразрушающий инструмент (ПРИ) для эффективного углубления скважины производил в основном скалывание породы в процессе бурения.
Твердость горных пород в определяющей степени зависит от минералогического состава и особенно – от содержания в них кварца и полевых шпатов. Присутствие кварца влияет на твердость глинистых пород некарбонатного типа, меньше - на твердость глинистых пород и чистых мергелей. Твердость в этой группе пород изменяется линейно, пропорционально количеству присутствующего кварца.
Твердость глинисто-карбонатных пород существенно зависит от карбонатной составляющей, а песчаников и алевролитов – от типа цементирующего материала.
При прочих равных условиях твердость повышается в зависимости от типа цемента (в направлении «слева направо»): глинистый → гидрослюдисто-глинистый → карбонатный → базальный. Существенно влияют на твердость структура породы и пористость.
По методу вдавливания штампа твердость рш (МПа) характеризует прочность породы при вдавливании в неё другого более твёрдого тела. Она влияет на величину внедрения в горные породы режущих элементов долот. Экспериментально установлено, что с увеличением рш растёт предел текучести σт (МПа) породы. Зависимость σт от рш аппроксимируется формулой
σт = 0,194 рш1,15 (8)
Классификация горных пород по рш и σт, предложенная Л.А. Шрейнером, приведена в таблице 1.
Модуль Юнга (Е ∙10-4, МПА) характеризует упругие свойства пород. Чем выше его значение, тем большее сопротивление оказывает горная порода в процессе бурения и тем лучше она разрушается ударными нагрузками.
Таблица 1 – Классификация горных пород по твердости (по Л.А. Шрейнеру)
| Наименование показателей | Значения показателей | |||
| Группа | Первая (мягкие горные породы) | |||
| Категория | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Твердость рш, МПа | < 100 | 100 - 250 | 250 - 500 | 500 - 1000 |
| Предел текучести σт, МПа | < 40 | 40 - 110 | 110 - 250 | 250 - 550 |
| Группа | Вторая (горные породы средней твердости) | |||
| Категория | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Твердость рш, МПа | 1000 - 1500 | 1500 - 2000 | 2000 - 3000 | 3000 - 4000 |
| Предел текучести σт, МПа | 550 - 850 | 850 - 1200 | 1200 - 1900 | 1900 - 2500 |
| Группа | Третья (твердые горные породы) | |||
| Категория | 9 | 10 | 11 | 12 |
| Твердость рш, МПа | 4000 - 5000 | 5000 - 6000 | 6000 - 7000 | >7000 |
| Предел текучести σт, МПа | 2500 - 3500 | 3500 - 4200 | 4200 – 5100 | > 5100 |
К первой группе относятся породы, не дающие общего хрупкого разрушения – высокопластичные и сильно пористые породы (глины, аргиллиты и наиболее пористые разновидности алевролитов, песчаников и известняков); ко второй – преимущественно пластичнохрупкие (алевролиты, известняки, ангидриты, доломиты, и песчаники); к третьей – преимущественно хрупкие, изверженные и метаморфические породы (кремни, кварциты, окремнелые известняки и доломиты).
При оценке рабочего инструмента для разрушения горных пород существенную роль играет характер разрушения пород различного класса. Для упругохрупких и упругопластичных пород зоны разрушения гораздо больше зоны контакта породы и штампа; для пород, не дающих хрупкого разрушения, размеры разрушения и контакта одинаковы (рис.1). Углубление в последнем случае больше.
Рисунок 1 – Схемы разрушения горных пород при вдавливании штампа: а, б – для пород, упругохрупких и упругопластичных; в – для пород, не дающих общего хрупкого разрушения
Отношение глубины погружения штампа после разрушения породы δ к ее (упругой и пластичной) деформации ε до разрушения является показателем, по которому породы делятся на различные классы.
Для упругохрупких пород отношение δ/ε=5,0; для упругопластичных оно равно 2,5-5,0 и для пород, не дающих хрупкого разрушения, равно единице.
В таблице 2 приведены данные о механических свойствах некоторых горных пород (по Л.А. Шрейнеру).
Таблица 2 – Механические свойства некоторых горных пород
| Горные породы | Твердость по штампу рш, МПа | Коэффициент пластичности kпл | Модуль Юнга Е· 10 -4, МПа |
| Глины слабопористые | < 100 | 6 - ∞ | ≤ 0,25 |
| Мергель глинистый, сильнопорист. | 250 - 500 | 4 - 6 | ≤ 0,25 |
| Алевролит кварцевый с глинистым цементом, пористый | 250 - 500 | > 1 - 2 | 0,25 - 0,5 |
| Песчаники кварцевые слабопорист. с глинистым цементом | 500 - 1000 | 2 | 1,0 - 2,5 |
| Песчаники кварцевые слабопорист. с регенерационным цементом | 3000 - 4000 | 1 | 5,0 - 7,5 |
| Известняк мелкозернистый слабо-пористый | 1500 - 2000 | 3 - 4 | 2,5 - 5,0 |
| Гипс слабопористый | 250 - 500 | > 2 - 3 | 1,0 - 2,5 |
| Кремнистые породы | 500 и > | 1 - 3 | >10 |
На скорость бурения, кроме твердости, значительное влияние оказывают пластические свойства горных пород.
По пластичности горные породы Л.А. Штейнер разделил на шесть категорий (табл. 3) в зависимости от значения коэффициента пластичности kпл.
К первой (kпл=1) относятся упруго-хрупкие; ко второй (kпл=1-2), третьей (kпл = 2-3), четвертой (kпл=3-4) и пятой (kпл= 4-6) – упругопластичные и к шестой (kпл= 6-8) – не дающие хрупкого разрушения и упругопластичные породы с коэффициентом пластичности kпл > 6, так как они по своему поведению при разрушении близки к породам, дающим хрупкое разрушение.
Таблица 3 – Классификация горных пород по пластичности (по Л.А. Шрейнеру)
| Категория пластичности | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Коэффициент пластичности kпл | 1 | 1 - 2 | 2 - 3 | 3 - 4 | 4 - 6 | 6 - ∞ |
| Типы горных пород | Хрупкие | Пластично-хрупкие | Высокопластичные и сильнопористые | |||
Абразивная способность горных пород – это способность изнашивать разрушающий их инструмент. Это понятие связано с понятием о внешнем трении и износе. Главная причина абразивного износа твердых тел - неровности на соприкасающихся поверхностях. Поверхности касаются только в точках контакта.
Соприкасающиеся поверхности находятся под действием точечных нагружений. В точках контакта поверхность подвергается одновременному действию усилий, направленных вдоль и нормально к поверхности.
По обобщенной классификационной шкале (ВНИИБТ) абразивность горных пород выражена в 11 категориях (от первой – гипс без примесей) до одиннадцатой (кремень, песчаник кварцевый с содержанием кварца до 95%). Абразивность некоторых пород приведена в таблице 4 (по обобщенной шкале ВНИИБТ).
Таблица 3 – Классификация некоторых горных пород по абразивности (по обобщенной шкале ВНИИБТ)
| Порода | Содержание кварца, 0/0 | Категория твердости | Абразивность (категория) |
| Песчаник кварцевый с глинистым цементом | 60 - 75 | 3 - 5 | 6 - 7 |
| Песчаник кварцевый мономинеральный | 95 | 4 - 10 | 9 - 11 |
| Песчаник кварцевый с регенерационным цементом | – | – | 10 |
| Алевролит кварцевый с глинистым цементом | 5 - 10 | – | 6 - 7 |
| Глина мономинеральная | – | 1 - 3 | 3 - 4 |
| Глина кремнистая | – | 5 | 6 |
| Мергель глинистый | – | – | 2 |
| Мергель песчанистый | – | – | 5 |
| Известняк глинистый | 3 | 4 - 6 | 4 |
| Известняк песчанистый | 20 - 30 | 8 | 8 |
| Доломит без примеси абразивных минералов | 2 - 3 | 7 - 8 | 3 - 4 |
| Доломит песчанистый | – | 7 - 8 | 6 - 7 |
| Кремень | 75 - 95 | 11 | 11 |
| Гипс слабопористый | – | 2 - 3 | 1 |
Крепостью горной породы принято считать ее сопротивляемость разрушению. По крепости профессор Протодьяконов М.М. все горные породы разбил на 10 категорий крепости в зависимости от величины коэффициента крепости ( f к ): от значения 0,3 – у плывучих горных пород – (X категория); до значения 20 − 25 – у высшей степени крепких горных пород (I категория).
Коэффициент крепости ( f к )ориентировочно составляет 0,01 от предела прочности породы при одноосном сжатии, т.е. f к =0,01∙ σсж.
Буримостью горных пород называется способность породы сопротивляться проникновению в них породоразрушающего инструмента.
Буримость – это величина углубления скважины за единицу времени чистого бурения горных пород, т.е. – механическая скорость бурения (м/ч) при определенных условиях (типоразмеры ПРИ, глубина скважины и т.д.).
Установлено 12 категорий буримости горных пород в зависимости от их литологического состава и физико-механических свойств. Определение буримости – необходимое условие правильного выбора способа бурения, породоразрушающего инструмента, нормативов трудовых и материальных затрат.
Устойчивость горных пород – это способность пород сохранять ствол скважины при бурении без образования каверн, сужений, прихватов и других нарушений.
По степени устойчивости горные породы подразделяются на 4 группы:
1 – весьма неустойчивые;
2 – с изменяющейся устойчивостью;
3 – слабоустойчивые;
4 – устойчивые.
Классификация пород по степени устойчивости приведена в таблице 4.
Таблица 4 – Классификация горных пород по степени устойчивости
| Степень устойчивости | Горные породы | Связь между зернами |
| Весьма неустойчивые | Рыхлые (пески, гравий, галечник) | Отсутствует |
| С изменяющейся устойчивостью | Плотные, невысокой прочности, растворяемые или размываемые буровым раствором (глинистые породы, каменная соль) | Сложная (исчезающая при насыщении водой) |
| Слабоустойчивые | Скальные, но раздробленные; сбрекчированные (сцементироанные брекчией или конгломератом, слабые песчаники, сланцы и угли) | Недостаточно прочная |
| Устойчивые | Породы высокой или средней твердости, монолитные или слаботрещиноватые, не размываемые буровым раствором (граниты, диориты, базальты, кварциты, песчаники и др.) | Прочная |
Виды и характеристика разрушения горных пород при бурении
При бурении скважин на забое при контакте горной породы с ПРИ отмечаются следующие виды разрушения горных пород:
- поверхностное;
- усталостное;
- объемное.
Поверхностное разрушение имеет место тогда, когда при контакте с породоразрушающим инструментом в горной породе возникает напряжение меньше твердости породы на вдавливание, т.е.
Р/ F < Pш (9)
При этом разрушение породы происходит только вследствие трения, т.е. реализуется взаимный абразивный износ ПРИ и горной породы. Такое разрушение породы не эффективно.
Усталостное разрушение имеет место тогда, когда в начале бурения так же возникающее напряжение в горной породе меньше твердости породы на вдавливание, т.е.
Р/ F < Pш (10)
но в результате многократного силового воздействия на породу, в ней развивается система микротрещин, поэтому твердость породы на забое постепенно снижается и периодически возникают условия для объемного разрушения горной породы.
Объемное разрушение горной породы происходит тогда, когда при контакте с ПРИ в породе возникает напряжение, превосходящее твердость породы на вдавливание, т.е.
Р/ F > Pш (11)
где Р – осевая нагрузка на ПРИ; F – общая площадь контактов рабочих элементов ПРИ с породой; Pш – твердость по штампу на вдавливание.
Объемный тип разрушения горной породы является самым эффективным и экономичным.
При бурении разрушается и ПРИ вследствие износа и затупления резцов, поэтому «F » в процессе бурения будет увеличиваться. При бурении с острыми зубцами вначале наблюдается объемное разрушение, которое по мере затупления резцов переходит в усталостное и, наконец, – в поверхностное. В связи с этим для обеспечения эффективного углубления ствола скважины необходимо стремиться осуществлять бурение при объемном разрушении горной породы и своевременно поднимать инструмент с забоя для замены долота не позднее стадии усталостного разрушения породы.
Практическая часть
Известно, что поведение материалов зависит от условий их работы и испытаний. Показатели механических, абразивных свойств горных пород также изменяются в зависимости от скорости приложения нагрузки и длительности деформирования, абсолютных величин и степени неравномерности всестороннего давления, влияния бурового раствора. Изучать механические и абразивные свойства горных пород следует, таким образом, в условиях их разрушения при бурении скважин.
Механические свойства пород определяют величины и скорости деформирования и разрушения при различных видах нагружения. Для их оценки используют упругие, пластические и прочностные характеристики, объемы разрушения и затраченную энергию. Абразивные свойства пород влияют на их способность изнашивать материалы долот, бурильной колонны при характерных для бурения условиях нагружения, включая скорость нагружения, интенсивность охлаждения, температуру, состав и свойства бурового раствора.
Задание
1. Прочитать и изучить все приведённые теоретические сведения.
2. В отдельных тетрадях для практических занятий оформить отчёт, куда включить сведения об основных упругих, пластических, прочностных и абразивных свойствах горных пород (с табличными данными).
3. Оценить категорию твердости, твердость, предел текучести, модуль Юнга, коэффициент пластичности и абразивность по шкале ВНИИБТ пород вскрытого скважиной геологического разреза. Результаты представить в виде следующей рекомендуемой таблицы:
| Порода | Категория | Твердость рш, МПа | Предел текучести σт, МПа | Модуль Юнга Е·10 -4, МПа | Коэффициент пластичности kпл | Абразив-ность |
Исходные данные. Разведочная скважина глубиной 4500 метров вскрыла разрез, представленный в нижеследующей таблице:
| Интервал бурения, м | Геолого-петрографическая характеристика пород |
| 0 - 40 | Наносы |
| 40 - 290 | Чередование слабопористых глин с подчинённым включением сильнопористых кварцевых песчаников с контактным цементом |
| 290 - 510 | Алевролит пористый кварцевый с глинистым цементом |
| 510 - 1080 | Глинистый мергель сильнопористый |
| 1080 - 3200 | Песчаник кварцевый слабопористый с глинистым цементом |
| 3200 - 4000 | Чередование кварцевых слабопористых песчаников с регенерационным цементом с подчинённым включением глин |
| 4000 - 4500 | Гипс без примесей, слабопористый |
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 794; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!