БУРЕНИЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН-1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Введение

Методические указания предназначены для студентов среднего профессионального образования специальностей 131003 Бурение нефтяных и газовых скважин, 130109 Геология и разведка нефтяных и газовых месторождений,131018 Разработка нефтяных и газовых месторождений, для учащихся начального профессионального образования 131003.03 Бурильщик эксплуатационных и разведочных скважин

Методические указания могут быть использованы при выполнении

учебно-исследовательских работ студентами и учащимися	других
специальностей.
Целью получения студентами и учащимися знаний по	методам

измерения механических свойств горных пород.

Методические указания будут полезны при изучении курсов по технологии бурения нефтяных и газовых скважин. заканчивания скважин, технологии эксплуатационного и разведочного бурения.

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Лабораторная работа № 1

Тема: Изучение плотностных свойств горных пород.

Цель работы: Изучить плотностные свойства горных пород К ним относятся плотность, объемная масса, пористость,

трещиноватость.

Плотностью называется масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) горной породы. Плотность зависит, главным образом от плотности минералов, слагающих породу.

Плотность основных породообразующих минералов в земной коре колеблется в диапазоне от 1900 до 3500 кг/м3.

Плотность осадочных горных пород - в пределах от 1850 до 3200 кг/м3. Чаще всего в геологических разрезах встречаются породы с плотностью от 1850 до 2700 кг/м3.

Важным структурным фактором является объемная масса горной породы. Это масса единицы объема породы в ее естественном состоянии, то есть с минеральным скелетом, порами и трещинами. Объемная масса имеет то же значение, что и плотность монолитных (без пор и трещин) пород.

Для пористых пород объемная масса всегда меньше их плотности. Объемная масса пород, имеющих в порах и трещинах капельную жидкость, больше объемной массы сухих пород. Разница возрастает по мере роста пористости и минерализации пластовой воды.

При увеличении глубины скважины за счет роста горного давления происходит уплотнение пород, смятие пор и пустот, поэтому объемная масса возрастает.

С ростом глубины скважины увеличивается температура горных пород. Повышение температуры вызывает увеличение объема минерального скелета и пластового флюида, поэтому объемная масса несколько снижается.

В работе [1] было предложено плотностью называть осредненные значения объемной массы породы для значительных интервалов и даже полностью для геологического разреза. В таблице 1 приведены плотности основных осадочных пород.

Таблица 1 – Плотность осадочных пород [1]

Горная порода	Плотность, кг/м3	Горная порода	Плотность, кг/м3
Песчаники	2320-3200	Алевролиты	2340-3040
Глины	1850-2200	Известняки	2360-2980
Аргиллиты	2630-2860	Доломиты	2460-3190
Мергели	2370-2920	Каменная соль	2100-2200

5

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Наиболее	важным структурным признаком			породы является
пористость, определяемая наличием в ней пор, трещин (пустот).
Общая	(абсолютная,	физическая,	полная)		пористость

характеризуется отношением объема пор к объему всей породы. Коэффициент общей пористости Кп есть отношение объема всех пор Vпор к полному объему образца породы Vобр, в долях или процентах

Кп =

Vпор 100.

Vобр

(1)

Известна также открытая пористость, которая учитывает сообщающиеся между собой поры. Она всегда меньше или равна общей пористости.

Динамическая (эффективная) пористость учитывает только часть объема открытых пор с движущимся пластовым флюидом. Пористость магматических и метаморфических пород весьма мала (0,8-1,2 %) [2]. Осадочные породы имеют большую пористость (таблица 2).

Таблица 2 – Общая пористость основных пород нефтяных и газовых месторождений

Горные породы	Кп, %	Горные породы	Кп, %
Глины	0-62	Песчаники	0-53
Аргиллиты	0-25	Известняки	0-45
Глинистые сланцы	0,5-4	Доломиты	2,5-33
Пески	2-55	Алевролит	0-47

Пористость зависит от формы и размеров зерен, степени их окатанности, уплотнения, цементирования обломков и зерен.

Пористость пород-коллекторов нефтяных и газовых месторождений чаще всего находится в следующих пределах (%):

Пески	20-25;
Песчаники	10-30;
Карбонатные породы	10-20.

По происхождению поры, трещины могут быть первичными и вторичными. К первым относятся поры и трещины, образующиеся во время осадконакопления и формирования массива горных пород. Вторичные поры и трещины образовались в течение постдиагенетического изменения. В этом отношении наиболее характерными являются карбонатные породы, например, при доломитизации известняков образуется значительное количество пустот.

По размеру поровые каналы пород-коллекторов условно делят на три группы [3]: сверхкапиллярные – более 0,5 мм; капиллярные - 0,5-0,0002 мм; субкапиллярные – менее 0,0002 мм.

6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Структура порового пространства зависит от следующих факторов:

-степени трещиноватости;

-гранулометрического состава пород;

-характеристики цементации.

Измерения коэффициента полной пористости горных пород Кп основывается на следующем соотношении

	К			V
		п		V

пор		V	обр	V		зерн	1	V	зерн		,
			V					V
обр					обр					обр

(2)

где Vзерн – объем минерального скелета образца.

С учетом того, что масса образца складывается из слагающих его зерен, уравнение (2) может быть представлено так

К		1		обр	,
	п
				зерн

(3)

где

обр и зерн- суть плотности образца породы и плотности минерального скелета.

Плотности горных пород ( г.п. ) определяются с помощью весов [2, 4,

5] на основании того, что она равна массе пород, отнесенной к ее объему. Масса породы (m г.п) определяется или путем вытеснения воды в мерном сосуде или посредством гидростатического взвешивания. Последний из перечисленных методов включает подвешенную на тонкой проволоке образец пород, взвешенный на воздухе и при погружении его в воду.

Объем вытесненной воды Vвв численно равен объему образца горной породы. Масса породы фиксируется при взвешивании образца на воздухе. Таким образом плотность горной породы равна

			m
			г.п.
	г.п.		Vвв

Лабораторная работа № 2

(4)

Тема: Способы определения предела прочности горных пород. Цель работы: Определения предела прочности горных пород.

Прочность – это способность пород сопротивляться разрушению под действием нагрузок. Критические значения напряжений, при которых происходит разрушение породы, называют пределом прочности. Различают пределы прочности пород на одноосное сжатие сж , растяжение р , изгиб изг , сдвиг (срез) сдв . При бурении глубоких

7

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

скважин разрушение горных пород на забое происходит в условиях всестороннего сжатия, поэтому рассматривается также понятие «предел прочности при всестороннем сжатии» сж [1, 2, 5, 6, 7].

Наиболее простым видом определения прочности является одноосное сжатию, так как она проводится при простом напряженном

состоянии, то есть 3

< 0;

1

- 2

= 0.

Определение предела прочности при одноосном сжатии

Производится на образцах цилиндрической (керн) или призматической формы. В настоящее время разработан и действует ГОСТ 21153.2-84, в соответствии с которым определение прочности пород при одноосном сжатии производится на образцах размеры, которого 42 3 мм при отношении высоты h к диаметру d (ширине, длине), равном единице. Торцовые поверхности образцов шлифуют, их выпуклость (вогнутость) после шлифования не должна быть более 0,05 мм. Они также должны быть параллельны друг к другу (отклонение не более 0,1 мм) и перпендикулярны к образующим цилиндра (отклонение 1,0 мм).

Этот метод является стандартным. Определение прочности

сж

проводят на гидропрессах. Схема проведения опыта приведена на рисунке

1.

2

1

3

2

1 – образец породы; 2 – плиты пресса; 3 – стол гидропресса

Рисунок 1 – Установка для определения предела прочности на одноосное сжатие

Образец породы 1 размещается на столе 3 гидропресса, нагружается давильной плитой 2 до разрушения.

В опыте фиксируется максимальная нагрузка Рmax, соответствующая моменту разрушения образца породы. Предел прочности на одноосное сжатие сж рассчитывается как отношение разрушающей нагрузки Рmax к площади поперечного сечения образца F

8

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

сж

Pmax

F

.

(5)

В опытах с хрупкими породами возможно определение таких упругих свойств как модуль продольной упругости при одноосном сжатии

(модуль Юнга) и коэффициент Пуассона

сж . При изменении размеров

образцов в продольном и поперечном направлении [1, 7]: предположим длина образца l уменьшилась на величину l, а поперечный размер d увеличился на d. Коэффициент Пуассона определяется

	сж	l l	,
		d d

Модуль Юнга Есж -

	Есж	Pmax l	.
		F l

(6)

(7)

В таблице 3 приведена классификация горных пород по прочности на одноосное сжатие, разработанная в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) [1].

Таблица 3 – Классификация горных пород по прочности на одноосное сжатие

Группы	Категории	сж , МПа	Группы	Категории	сж , МПа
Весьма	1	< 4	Средней	7	35-52
слабые	2	4-6	прочности	8	52-80
	3	6-10		9	80-120
Слабые	4	10-15	Прочные	10	120-180
	5	15-23		11	180-270
	6	23-35	Очень	12	< 270
			прочные

Наибольшей прочностью обладают породы, содержащие кварц. Кварц имеет предел прочности при одноосном сжатии равный 5·108 ПА. Полевые шпаты, входящие в некоторые осадочные породы, обуславливают их малую прочность.

Определение прочности при растяжении

Цилиндрические образцы пород стандартных размеров (диаметром 40-50 мм с отношением высоты к диаметру, равным 0,9 – 1,1) могут быть использованы для определения предела прочности при растяжении р.

9

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Определение производят методом диаметрального сжатия (рисунок 2), в результате чего в образцах возникают растягивающие напряжения.

Рисунок 2 – Схема испытания на растяжение цилиндрического образца методом раздавливания

Расчет предела прочности ( р, МПа) производят по формуле Герца

р =

2 Рd

,

(8)

где Р – разрушающее усилие, кгс; d - диаметр образца см.

Результаты испытаний этим методом, как показывает опыт, отличаются высокой стабильностью.

Определение прочности при сдвиге Gсд

Прочность на сдвиг (срез) определяют в специальных стальных матрицах (рисунок 3, ГОСТ 21153.5-88). Образец находится в условиях среза со сжатием. При испытаниях важно обеспечить равномерное распределение усилия пресса по сечению испытуемого образца. Испытания проводят на цилиндрических образцах диаметром 42 0,1 мм, высотой 42 2,5 мм. Допуски на параллельность, выпуклость торцов, а также перпендикулярность их к образующей цилиндра ± 0,05 мм.

Углы наклона матриц 300, 450 и 600, клиньев 50, что позволяет менять угол наклона среза в пределах от 250 до 650 через каждые 50. Зазор между разъемными половинами матрицы при вложенном в нее образце должен иметь постоянную ширину не более 2 мм.

10

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1 – матрицы; 2 – вкладыши; 3 – клинья; 4 – плиты; 5 – ролики; 6 - образец породы

Рисунок 3 – Определение прочности пород при сдвиге

Нормальное давление на плоскость среза и предел прочности при срезе Gср вычисляют по формулам

G	ср

Pcos dh

Рsin α dh

;

,

(9)

(10)

где Р – вертикальная максимальная разрушающая сила, кгс;- угол между плоскостью среза и направлением действия силы Р,

градус;

d – диаметр образца, см;

h– высота образца, см.

Лабораторная работа № 3

Тема: Определение абразивности горных пород.

Цель работы: Научиться определять абразивность горных пород с помощью метода эталонных стержней.

Абразивность горных пород - это способность породы на забое скважины и бурового шлама изнашивать элементы долота, в том числе его

вооружения. Слово	абразивность, происходит		от латинского	слова
“abrasio”, что означает соскабливание.
Оценка абразивности производится по изменению веса
металлических стержней за время испытания.
Абразивные свойства горных пород определяются их литолого-
петрографическими	и	механическими	показателями.	Такие

11

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

характеристики, как твердость зерен породы, прочность связи между ними, их форма и размер, пористость и степень неоднородности пород представляют собой неуправляемые природные факторы, как бы в чистом виде характеризующие абразивность.

Чем легче отделяются зерна, тем быстрее обновляется абразивная поверхность и тем выше абразивный износ. Чем меньше будет прочность связи и зерна будут отрываться еще острыми, тем меньше будет абразивный износ.

Форма зерен: остроугольные зерна боле абразивны; окатанные – менее абразивные. Максимальные абразивные свойства имеют равномерно - зернистые породы.

Размер зерен влияет на абразивный износ через шероховатость горных пород. Больший размер зерен способствует большему абразивному износу. Зерна оставляют на инструменте более глубокие царапины.

По степени абразивности кристаллические горные породы можно расположить так: гипс < барит < доломиты < известняки < кремнистые породы < железистомагнезиальные породы < кварц и кварциты.

Из обломочных наиболее абразивны кварцевые песчаники и алевролиты. При одинаковом минералогическом составе абразивность обломочных пород обычно выше абразивности кристаллических горных пород. Это обусловлено характером шероховатости поверхности трения.

Чем больше пористость, крупнее обломки и остроугольнее их форма, тем больше шероховатость обломочной породы. С увеличением шероховатости уменьшается реальная площадь контакта металла с породой, возрастает контактное давление, которое может достигать твердости металла.

Абразивность обломочных пород возрастает с увеличением содержания в них кварца и уменьшением прочности цемента, связывающего минеральные зерна.

Схема установки по исследованию абразивности горных пород и общий вид приведены на рисунках 4 а, б.

Установка включает следующие узлы: тиски 1 и прокладки 2 для фиксации образца горной породы 3, эталонный стержень из некаленной стали, покрытый серебрянкой 4, патрон 5 для крепления эталонного стержня, шпиндель 6, корпус установки 7, дополнительный груз 8, клиноременная передача 9 и электродвигатель 10.

На фотографии общего вида установки показана модификация с нижним размещением груза.

Испытания проводятся при следующих режимных параметрах. Осевая нагрузка 150 Н (15 кг), скорость вращения стержня 6,7 с-1 (400 об/мин), длительность опыта 10 мин, диаметр стержней 0,008 м (8 мм), их длина 0,07 м (70 мм). Для равномерного износа стержня, во всех породах, в одном из его торцов высверливается отверстие диаметром 4 мм и глубиной 10-12 мм (торцовые поверхности перпендикулярны к оси).

12

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

а

б

Рисунок 4 – Установка для определения абразивного износа

Образец породы должен иметь массу в пределах от 0,1 до 2 кг и при закреплении его в тисках верхняя поверхность образца должна занимать горизонтальное положение. Методика испытаний предусматривает истирание стержней на естественной поверхности образцов.

Подготовка опыта заканчивается взвешиванием стержня с точностью до 0,1 мг.

Порядок проведения опыта

Стержень закрепляется в патроне шпинделя и опускается на поверхность образца породы, включается электродвигатель установки и в течение 10 мин осуществляется истирание стержня о породу. Нагрев стержня должен быть не более 200-220 0С (соломенно-желтый цвет побежалости). Затем установка выключается, стержень в патроне переворачивается и опускается на новый участок рабочей поверхности образца. В течение 10 мин производится истирание второго конца эталонного стержня.

Необходимость проведения парного опыта объясняется стремлением уменьшить возможное расхождение конечных результатов путем усреднения полученных данных. Установлено, что в малоабразивных породах износ стержней цилиндрической формы больше, чем у стержней с кольцевой формой, в то время как на полиминеральных породах больше изнашиваются стержни второго вида.

13