книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин

Усталостная прочность известняков возрастает с уменьше­ нием диаметра зёрен кальцита.

Усталостная прочность горных пород зависит от среды; для образцов с жидкостной средой (вода или глинистый раствор) она меньше, чем для сухих образцов. Максимальное снижение усталостной прочности наблюдалось при удельных контактных энергиях удара, составляющих 10—12% от удельных контакт­ ных энергий удара при однократном разрушении.

Предел текучести Р0 и коэффициент пластичности к„ с увеличением всестороннего давления возрастают, причём при определённых для каждой горной породы величинах давле­ ний коэффициент пластичности скачком увеличивается до к„ = оо. Так, например, для испытанных глинисто-карбонатных

пород с твёрдостью Ршдо 1840 и к„ > 2,2 уже при давлени-

м

ях 147—196 бар не происходит хрупкого разрушения под штам­ пом, и процесс пластического деформирования протекает при возрастающих нагрузках. В условиях высоких давлений (поряд­ ка 980 бар) площади зоны разрушения указанных и песчани-

сто-алевролитовых пород (Рш = 3380 —878 -^р-, к„ = 1,38—3,9)

м

оказывались меньше значений, получаемых при атмосферном давлении, в 1,77—3,88 раза; часто площади зоны разрушения при таких давлениях всестороннего сжатия были равны пло­ щади основания штампа.

Зависимость предела текучести горных пород от темпера­ туры их нагрева аналогична зависимости твёрдости от того же фактора.

Следовательно, с ростом глубины залегания породы её пре­ дел текучести и коэффициент пластичности увеличиваются, а площадь зоны разрушения при каждом единичном воздей­ ствии зубьев долота уменьшается.

где L — в м.

Пластические свойства горных пород существенно зави­ сят от их минералогического состава и пористости. Так, напри­

ll

мер, чистые кремни —без примесей глинистых и карбонатных частиц —являются типично хрупкими телами с коэффициен­ том пластичности, равным единице; кремнистые же породы с указанными примесями обладают заметными пластическими свойствами (к„ = 1,6—2,3). При постоянной пористости коэф­ фициент пластичности глинисто-карбонатных пород возраста­ ет по мере уменьшения их карбонатности или по мере увели­ чения их глинистости.

В общем виде связь между коэффициентом пористости Пн и коэффициентом пластичности к„ может быть выражена урав­ нением:

где а6 и Ь7 — коэффициенты, зависящие от минералогиче­ ского состава породы; значения этих коэффициентов для не­ которых пород приведены в таблице 1.5.

Т а б л и ц а 1.5

При коэффициенте пористости Пн = 0—5% у известняков

иу песчаников, сцементированных карбонатным цементом

исодержащих 3—9% пелитовых частиц, коэффициент пла­ стичности равен единице или близок к этой величине, т.е. такие породы разрушаются как хрупкие.

Модуль продольной упругости горных пород зависит от спо­ соба его определения, и потому различают; а) модуль упру­ гости Е, получаемый при однократном нагружении, и б) модуль нормальной упругости Е,„ получаемый в результате исключе­ ния остаточных деформаций методом многократной нагрузки

иразгрузки. Пользуются также динамическим модулем упру­

12

гости Ед1 вычисляемым по скорости распространения упругих волн. Между Е, Е„ и Ел существует следующее соотношение:

Модуль упругости горных пород зависит от того, при ка­ ких видах деформации он определён — растяжения Ер, изги­ ба Еи или сжатия Есж:

С увеличением напряжения величина модуля Есж возра­ стает.

Такая закономерность объясняется тем, что горные поро­ ды являются полидисперсными системами и при увеличении сжатия возрастает фактическая площадь контакта частиц по­ роды друг с другом, нагрузка распределяется на всё большую

ибольшую площадь, вследствие чего требуются всё большие

ибольшие приращения силы для получения постоянного при­ ращения деформации.

Из этого следует, что породы одного и того же минерало­ гического состава, но разной степени уплотнения имеют раз­ ную величину модуля упругости, которая тем больше, чем вы­ ше степень уплотнения. Так как уплотнение пород возрастает с ростом глубины, то естественно ожидать, что модуль упру­ гости их будет возрастать по мере увеличения глубины зале­ гания пород.

- _ МН Зависимость модуля упругости горной породы Е в —— от

м2 глубины её залегания L (в м), например, для района о. Свиной, выражается уравнением:

E=284+0,53L. (1.17) Модуль упругости, определяемый при растяжении, умень­

шается с увеличением растягивающей нагрузки.

Для потребностей буровой практики модуль упругости мож­ но определять приближенно, пользуясь графиком деформации при вдавливании жёсткого штампа в породу; расчётная фор­ мула имеет вид:

13

где Р —нагрузка на штамп, соответствующая деформации

$у, в Н; р — коэффициент Пуассона (табл. 1,6};

d,„ —диаметр штампа в мм;

£у — упругая деформация горной породы при данной на­ грузке в мм.

Если основной породообразующий минерал имеет высокий модуль упругости Е^ж , то и порода имеет высокий модуль уп­

ругости Е"ж , но всегда Е"ж < Е“ж.

С ростом песчанистости глин их модуль упругости увеличи­ вается. Модуль упругости глинисто-карбонатных горных пород возрастает с увеличением их карбонатности. Песчаники с кар­ бонатным цементом, как правило, характеризуются большим модулем упругости, чем песчаники с глинистым цементом.

Модуль упругости Ешзависит от пористости породы, умень­ шаясь с увеличением последней. Связь между Еши П„ может быть выражена следующим уравнением:

где а, и Ьа — коэффициенты, зависящие от минералогиче­ ского состава породы; значения этих коэффициентов для не­ которых горных пород приведены в таблице 1.5.

Величина модуля упругости зависит от направления дей­ ствия деформирующих сил по отношению к слоистости поро­ ды: модуль упругости Е, определяемый при сжатии породы па­ раллельно плоскости напластования, больше модуля упругости Е, определяемого при сжатии породы перпендикулярно плос­ кости напластования, для глинистых сланцев —в 2 раза и бо­ лее, для песчаников — до 1,2 раза, для алевролитов — до 1,4 раза (по Руппенейту).

На модуль упругости горных пород большое влияние ока­ зывают их влажность и природа вещества, заполняющего поровые пространства; с увеличением влажности величина мо­ дуля упругости уменьшается; песчаник, пропитанный нефтью, имеет значительно меньший модуль упругости, чем тот же су­ хой песчаник.

На величину коэффициента Пуассона р горных пород оказыва­ ет влияние тот же комплекс факторов, что и на величину модуля упругости. Данные измерений, полученные при сейсморазведке, показывают, что чем больше уплотнены породы, чем на большей глубине они залегают и чем старше они по возрасту, тем меньше для них значение коэффициента Пуассона. В общем величина р изменяется в пределах от 0,10 до 0,45 (табл. 1.6).

14

Прочность горных пород обусловливается силами сцепле­ ния и силами внутреннего трения.

Интенсивность сил сцепления горных пород прежде всего за­ висит от минералогического состава. Из числа главных породо­ образующих минералов наивысшей прочностью обладает кварц,

МН „ м и

прочность которого превышает 490 —— (до 2000

Для карбонатных горных пород основными породообразу­ ющими минералами являются кальцит и доломит; прочность

. „ МН

первого составляет примерно 157 —, а прочность второго в

м2

1,2—1,3 раза больше этой величины.

Прочность обломочных сцементированных горных пород определяется в основном минеральным составом цементиру­ ющего вещества; минеральный состав обломочного материала на прочность оказывает второстепенное влияние.

Чем больше процентное содержание цемента, тем меньше влияние на прочность породы обломочного материала. Наибо­ лее слабыми местами в породе являются поверхности контак­ та обломочного и цементирующего материалов.

Прочность обломочной горной породы весьма существен­ но зависит от степени уплотнённости зёрен: чем плотнее упа­ ковка зёрен, тем прочнее породы; тем выше влияние упаковки зёрен, чем прочнее сами зёрна. Плотность упаковки зёрен вы­ ше, когда зёрна имеют разные размеры и форму.

Прочность породы существенно зависит от направления действия усилий по отношению к слоистости. Так, для гли­

15

нистых сланцев отношение прочности на сжатие перпенди­ кулярно к слоистости к прочности на сжатие параллельно к слоистости колеблется в пределах от 1,05 до 2,0 и более, для песчаников — от 1,03 до 1,2 (иногда и более), для известня­ ков — от 1,08 до 1,35.

Большое влияние на прочность горных пород оказывает их пористость. Для малопористых известняков зависимость осжот пористости П„ может быть выражена уравнением:

<*«.= - Ь„ПИ) (1.20)

где оа — прочность на сжатие породы, лишённой пор; Ь9 — коэффициент, зависящий от структуры и литологии породы.

При значительном диапазоне изменения пористости зави­ симость 0СЖ= о,.ж (Пн) имеет более сложный вид, близкий к ги­ перболическому, т.е. аналогичный уравнению (1.З.).

Зависимость осж от объёмного веса у„ для скальных пород выражается соотношением:

где Ь!0 — коэффициент, аналогичный коэффициенту Ь2. Объёмный вес пород данного пласта закономерно увеличи­

вается в направлении от свода к крылу складки в связи с по­ гружением пласта, его уплотнением. Следовательно, прочность породы с ростом глубины залегания её должна увеличиваться, следуя тому же закону, по которому растёт объемный вес. Так, например, для района о. Свиной прочность породы при одноос­ ном сжатии осж и растяжении <тр с ростом глубины залегания L в м выражается следующими эмпирическими зависимостями:

Под влиянием тектонических процессов в породах нередко появляются внутренняя, незаметная для невооруженного гла­ за раздробленность слагающих её составных частей, микро­ трещиноватость, смещение частей породы по отношению друг к другу, увеличенная ломкость. После нарушения структуры прочность глинистых пород на сжатие может составлять лишь 0,25—0,55 от той, которая была до нарушения, причём нару­ шение структуры оказывает тем большее влияние, чем менее пластичны породы. Поэтому в зонах тектонических наруше­ ний породы всегда разбуриваются легко, даже при относитель­ но малых нагрузках на долото.

Породы на оси складки (и в особенности перемятые) всег­ да значительно легче разбуриваются, чем такие же породы на

16

крыльях складки; стенки скважины оказываются менее устой­ чивыми на оси складки, чем на крыльях.

Прочность одной и той же породы зависит от вида дефор­ мации:

х = (0,07 - 0,13) сгсж и оИ), =(0,1 - 0,32) асж.

При выборе способа разрушения горных пород, долот и т. д. предпочтение следует отдавать тем способам разрушения, до­ лоту и т. д., которые при прочих одинаковых условиях вызы­ вают больше деформаций растяжения и сдвига и меньше де­ формаций сжатия.

Если в плоскости, перпендикулярной к плоскости танген­ циальных напряжений, действуют нормальные сжимающие напряжения, то прочность на скалывание (сдвиг) значитель­ но возрастёт.

Если при разрушении сжатием на боковые поверхности об­ разцов оказывать давление, то стгж значительно возрастёт.

Прочность горных пород резко возрастёт при всесторон­ нем давлении.

Продолжительность действия разрушающих усилий, скоро­ сти нарастания напряжений оказывают влияние на прочность горных пород. Так, например, при мгновенном действии раз­ рушающих сил прочность известняков, песчаников, глинистых сланцев увеличивается на 10—15% по сравнению с медленным действием этих сил.

„ „„ мм

При увеличении скорости сдвига от 0,8 до 8 8 -----возраста-

МИН.

ет и сопротивление породы сдвигу, причём для глин это увеличение достигает 100%. В пределах малых скоростей влиянием скорости на сопротивление сдвигу можно пренебрегать.

Сопротивление сдвигу при различных скоростях среза зави­ сит от нормального давления: при малых нормальных давлени­

ях увеличение скорости сдвига вызывает резкое возрастание т; при больших нормальных давлениях это возрастание малое.

Скоростной фактор оказывает большее влияние на про­ чность пластичных пород, чем хрупких. Проявление скоростно­ го эффекта наблюдается особенно заметно в тех случаях, ког­ да деформации ведут к уплотнению породы.

Угол скалывания породы у связан с углом внутреннего тре­ ния породы ф зависимостью, полученной теоретически:

Удельная объёмная работа разрушения Av зависит от ряда факторов, но наиболее существенно — от вида процесса раз­ рушения: при объёмном разрушении она наименьшая, а при поверхностном — наибольшая, Так, например, при бурении ша­

рошечными долотами диаметром 269 мм типа Т при объём-

дж

ном разрушении АУ<490-^=ЦГ, при усталостном разрушении

см3

дж

490< Av <1715-=-у и при поверхностном разрушении (истира­ ем3

ние) Av < 1715-^-.

CM'

При уменьшении диаметра шарошечного долота на 25 мм удельная объёмная работа разрушения породы снижается на 5-7%.

При динамическом разрушении удельная объёмная работа в 3—7 раз больше, чем при статическом воздействии инстру­ мента на породу.

18

Т а б л и ц а 1.8

Сведения об удельной объемном работе разрушения горных пород Туймаэинского нефтяного месторождения