Фізико-механічні властивості гірських порід та процес їх руйнування при бурінні, АНПОО
Адреса:461049 Оренбурзька обл, м. Бузулук, 2 мікрорайон, будинок 40.Телефони:8(35342) 5-65-81 - Приймальна 7-68-57 - Заступник директора 7-30 -94 - Бухгалтерія 7-31-64 - Навчальна частина 7-67-56 - Навчальна частина 7-77-29 - Навчальний полігонНапишіть нам листа
Фізико-механічні властивості гірських порід та процес їх руйнування при бурінні
2.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ГІРНИЧІ ПОРОДИ
Земна кора складена переважно виверженими і метаморфічними гірськими породами, у яких переривчастим покривом лежать осадові породи. У будовінафтовихтагазовихродовищ беруть участь лише осадові гірські породи.
Важливими ознаками будови осадових гірських порід, що мають істотне значення при їх руйнуванні, є їхня структура та текстура. Під структурою гірської породи розуміються ті її особливості, які обумовлені формою, розмірами і характером поверхні матеріалів, що їх утворюють. Більшість осадових порід складено пухкими сцементованими мінеральними уламками різних розмірів, що мають неправильні обриси. Основна структурна особливість осадових порід, що характеризує їх механічні властивості, структура цементів, що пов'язують окремі уламки.
Текстура вказує на особливості будови всієї породи в цілому та виявляє взаємне просторове розташування мінеральних частинок. Основні особливості текстури осадових порід шаруватість, сланцюватість (здатність породи розколюватися по паралельних площинах на тонкі пластинки) і пористість (пористістю називається відношення обсягу всіх порожнин до обсягу всієї породи, виражене у відсотках).
За природою сил зчеплення між частинками осадові породи поділяються на три основні групи:
2. зв'язкові(Пластичні),
Сили зчеплення скельних порід (пісковиків, вапняків, мергелів та інших.) характеризуються молекулярним тяжінням частинок друг до друга, і навіть наявністю сил тертя.
Сили зчеплення пластичних порід (глинистих) характеризуються взаємодією колоїдних частинок, що адсорбуються на поверхні уламків, а також наявністю сил тертя,
Сипучі породи (пісок) не мають зчеплення ні в сухому стані, ні при повному насиченні водою. Тільки при обмеженому насиченні водою у сипучих порід спостерігаються сили зчеплення, зумовлені тертям.
Крім сил зчеплення, всім породам притаманні сили внутрішнього тертя, що залежать від тиску, що притискає частинки один до одного.
2.2. ОСНОВНІ ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГІРНИЧИХ ПОРІД, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА ПРОЦЕСБУРІННЯ
Основні фізико-механічні властивості гірських порід, що впливають на процес буріння - їх пружні та пластичні властивості, твердість, абразивність і суцільність.
Пружні властивості гірських порід. Усі гірські породи під впливом зовнішніх навантажень зазнають деформації, що зникають після видалення навантаження або залишаються. Перші їх називаються пружними деформаціями, а другі пластичними. Більшість породоутворюючих мінералів - тіла пружно тендітні, тобто вони підкоряються закону Гука і руйнуються, коли напруги досягають межі пружності.
Гірські породи також відносяться до пружно тендітних тіл, але, на відміну від мінералів, вони підкоряються закону Гука тільки при динамічному додатку навантаження.
Пружні властивості гірських порід характеризуються модулем пружності (модуль Юнга) та коефіцієнтом Пуассона. Модуль пружності гірських порід залежить від їх мінералогічного складу, виду навантаження та величини прикладеного навантаження, від структури, текстури та глибинизалягання порід, від складу та будови цементуючої речовини у уламкових порід, від ступеня вологості, піщаності та карбонатності порід.
Пластичні властивості гірських порід (пластичність). Руйнування деяких порід передує пластична деформація. Вона починається, як тільки напруги в породі перевищать межу пружності. Пластичність залежить від мінералогічного складу гірських порід та зменшується зі збільшенням вмісту кварцу, польового шпату та деяких інших мінералів. Високі пластичні властивості мають глини і деякі породи, що містять солі. За певних умов деякі гірські породи схильні до повзучості. Повзучість проявляється у постійному зростанні деформації при незмінному напрузі. Значною повзучістю характеризуються глини, глинисті сланці, соляні породи, аргіліти, деякі різновиди вапняків.
Твердість гірських порід. Під твердістю гірської породи розуміється її здатність чинити опір проникненню в неї (використання) породоруйнуючого інструменту.
У геології велике поширення має шкала твердості мінералів Моосу, через яку умовну твердість мінералів визначають методом дряпання; за цією шкалою твердість характеризується абстрактним числом (номером).
На підставі численних досліджень Л.А.Шрейнер запропонував класифікацію гірських порід, що вигідно відрізняється від шкали твердості Моосу тим, що вона найбільш повно враховує основні фізико-механічні властивості гірських порід, що впливають на процес буріння .
До I групи відносяться породи, що не дають загальної крихкої руйнації (слабко зцементовані піски, суглинки, вапняк-черепашник, мергелі, глини з частими прошарками пісковиків, мергелів тощо).
До II групи належать пружнопластичні породи (сланці,доломітизовані вапняки, міцні ангідрити, доломіти, конгломерати на крем'янистому цементі, кварцово-карбонатні породи тощо).
До III групи відносяться пружнокрихкі, переважно вивержені і метаморфічні породи.
Абразивність гірських порід. Під абразивністю гірської породи розуміється її здатність зношувати контактуючий з нею породоруйнівний інструмент у процесі їхньої взаємодії.
Абразивність порід проявляється у процесі зношування (переважно механічного) і його характеристикою. Тому показники абразивності можна як показники механічних властивостей гірських порід.
Абразивність гірської породи, як і будь-який інший показник механічних властивостей, відображає її поведінку у конкретних умовах випробування чи роботи. Поняття про абразивну здатність тісно пов'язане з поняттям про зовнішнє тертя і знос.
Абразивні властивості гірських порід вивчені слабо. На величину тертя істотно впливає середовище. Коефіцієнт тертя породу, поверхню якої змочена глинистим розчином, менше, ніж той самий коефіцієнт при терті породу, змочену водою, і значно нижчий, ніж коефіцієнт тертя суху породу. Твердість гірської породи, розмір та форма зерен, що утворюють породу, суттєво впливають на коефіцієнт зовнішнього тертя. Коефіцієнт тертя про породу з більш високою твердістю за інших рівних умов зазвичай вищий, ніж породу з меншою твердістю. Це тим, що абразивні зерна з такої породи виламуються важче, а руйнівний інструмент дряпається зернами цієї породи інтенсивніше. З цих же причин коефіцієнт зовнішнього тертя вищий при терті про дрібнозернисті породи з гострими зернами, ніж при терті про крупнозернисту породу зі скатаними зернами.
Серед гірських порід найбільшу абразивність мають кварцові та польовошпатові пісковики та алевроліти (сцементовані уламкові породи з уламковими зернами розміром від 0,01 до 0,1 мм).
В даний час розроблено кілька класифікацій з абразивності гірських порід.
2.3. ОСНОВНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ РУШЕННЯ ГІРНИЧИХ ПОРІД ПРИБУРЕННЯ
Основний вид деформації, під дією якої породи в процесі буріння руйнуються, - вдавлювання. Розглянемо явища, що відбуваються у породі при дії поступово зростаючого місцевого навантаження, що передається через штамп. Спочатку порода ущільнюється у безпосередній близькості від майданчика контакту. Потім, коли навантаження досягає деякого критичного значення, у породі утворюється конусоподібна тріщина, вершина якої звернена до тіла, що вдавлюється. При подальшому збільшенні навантаження тріщина продовжує розвиватись у глибину; при цьому утворюється система хаотично розташованих тріщин, порода у вершині конуса роздавлюється в порошок, що передає тиск на всі боки.
Під впливом цього тиску порода продовжує руйнуватися до утворення лунки. Описаний процес застосування штампу становить один повний цикл руйнування. При подальшому навантаженні штампу процес у всіх трьох фазах повторюється. Така циклічність руйнування властива тендітним, міцним гірським породам. У крихких, але менш міцних гірських породах руйнування також носить циклічний, але менш стрибкоподібний характер. Руйнування маломіцних порід носить плавний характер.
Розглянемо дію динамічного вдавлювання (ударів) на породу. Дослідженнями встановлено, що в результаті ударів гірські породи можуть руйнуватися при напругах, менших, ніж критичні, що відповідають межі міцності. Сам механізм руйнуванняаналогічний описаному вище. Число ударів по тому самому місцю може бути значним. Зі збільшенням сили удару число їх зменшується, і за деякого значення сили руйнування настає після першого удару. Таким чином, гірська порода може руйнуватись як при дії статичних, так і динамічних навантажень. Сила удару в процесі динамічного руйнування залежить від навантаження та швидкості її застосування. Ефект руйнування значною мірою залежить від форми твердого тіла, яким руйнують гірську породу. Всі ці та інші чинники впливають на об'ємну роботу руйнації.
Питома контактна робота визначається ставленням повної роботи до площі контакту інструмента, що руйнує:
Об'ємна робота руйнування при динамічному вдавлюванні у кілька разів вища, ніж при статичному.
Порода, що становить поверхню вибою і підлягає руйнуванню, знаходиться в умовах нерівномірного всебічного стиснення, створюваного тиском стовпа бурового розчину, що заповнює свердловину, і бічним тиском гірських порід. Сама поверхня вибою неоднорідна і не є гладкою поверхнею: окремі частинки породи височіють над загальним рівнем поверхні. При дії руйнівного інструменту породу ці частинки першими сприймають тиск і передають його іншим сусіднім часткам.
Деякі їх дробляться, інші виламуються, треті майже прямолінійно проштовхуються у бік руху руйнівного інструменту.
При бурінні нафтових ігазовихсвердловин основним інструментом, за допомогою якого руйнується гірська порода є долото.
Долото проникає в породу та руйнує її внаслідок переміщення:
1) поступального зверху вниз під дією навантаження на долото, що створюєтьсямасою нижньої частини колонибурильнихтруб (це навантаження називається осьовим навантаженням);
2) обертального, здійснюваного гідравлічним вибійним двигуном, електробуром або ротором за допомогою бурильних труб (11)