1.4. Условия, определяющие состояние горных пород в процессе их разрушения при бурении

В скважине горные породы находятся в состоянии всестороннего сжатия, при этом верхняя граница объема испытывает напряжение σ_г от гидростатического давления со стороны столба очистного агента, а со всех других сторон объем породы находится в напряжении под действием горного давления.

На глубине H от земной поверхности мысленно выделяется кубик (рис.1.8) , имеющий размеры, которые обеспечивают элементарный объем [40]. Кубик ориентирован в пространстве так, что компоненты напряжений σ_x, σ_y и σ_z являются главными нормальными напряжениями. В этом случае значения всех компонент будут определяться следующей системой уравнений:

- нормальные напряжения

σ_z= ρ_пgH,

σ_x=σ_y=λρ_пgH, (1.7)

где ρ_п – плотность горной породы кг/м³ ;

g – ускорение силы тяжести, м/c² ;

H – глубина скважины, м;

- касательные напряжения τ_xy=τ_xz=τ_yz= 0.

Коэффициент бокового распора пород λ – важнейшая характеристика, опреде-ляющая распределение напряжений в горном массиве. Его можно определить по формуле

(1.8)

Для идеально упругих горных пород коэффициент λ может составлять значение 0,25-0,4 [18]. Однако реальные горные породы обладают свойством ползучести, что требует уточнения значения коэффициента λ для каждого конкретного случая, особенно для условий бурения глубоких скважин в малопрочных горных породах.

В соответствии с зависимостью (1.7) следует вывод о росте горного давления с глубиной скважин.

В скважине заполненной жидкостью на забой воздействует гидростатическое давление, которое на глубине H определяется по формуле

, (1.9)

где ρ_ж – плотность жидкости;

p₀ – атмосферное давление.

Суммарное давление бурового раствора складывается из гидростатического давления столба жидкости (зависимость 1.9) и перепада давления, связанного с перемещениями в скважине бурового снаряда и динамикой струй промывочной жидкости у забоя.

П о мере роста величины горного давления (с глубиной скважины) повышается предел прочности породы на сжатие (см. рис. 1.9), то есть порода упрочняется. Для различных пород подобное упрочнение разновелико. Возрастают также модуль упругости и другие параметры механических свойств горных пород. Из данного материала можно сделать вывод о повышении сопротивляемости горной породы разрушающему воздействию со стороны бурового инструмента. Коэффициент упрочнения горной породы, в связи с увеличением глубины бурения при наличии промывочной среды в скважине, выражается следующей формулой:

(1.10)

где σ_раз- разрушающее напряжение горной породы, кПа.

Заметное увеличение разрушающего напряжения горной породы на глубине наблюдается при малых значениях σ_раз. Так, если L = 1000 м, ρ_ж = 13 МН/см³, а σ_раз 10000 кПа, то λ будет равно 2,3, если же σ_раз = 100000 кПа, то λ будет равно 1,13.

С ростом глубины скважины по мере увеличения всестороннего или, иначе говоря, горного давления закономерно снижается механическая скорость бурения, что описывается уравнением в такой форме [17]:

, (1.11)

где v_б – скорость бурения на глубине Н;

e – основание натурального логарифма ( е = 2,718);

v₀ – скорость бурения на заданной глубине Н₀;

α₁ – экспериментальная константа (при Н₀ = 3048 м, равна 0,3-0,85×10^-4 м^-1) [ 18].

Так, согласно результатам исследований Р.М.Эйгелеса [40], проводившего эксперименты на специальной установке, может происходить снижение механической скорости бурения в несколько раз при повышении горного давления. При этом в различных условиях, при использовании различных типов бурового инструмента и очистных агентов, изменение механической скорости будет различно и строго индивидуально в силу комплексного влияния ряда факторов.

Значительное влияние на процесс разрушения пород на забое скважин оказывает поровое давление – p_f. Например, в слабоуплотненных породах с высоким давлением флюидов в порах механическая скорость бурения возрастает, что иногда использовалось для обнаружения пластов с нефтью и газом при разведке месторождений углеводородов.

Особый интерес представляет влияние давления бурового раствора на буримость, поскольку это давление можно регулировать изменением плотности бурового раствора.

Имеющиеся данные указывают [18], что с увеличением давления на забой скважины буримость горных пород снижается. При этом на скорость бурения влияет разница между забойным давлением бурового раствора σ_г (зависимость 1.9) и пластовым поровым давлением р_f : p_t = (σ_г – р_f).

Это давление (р_t) называют дифференциальным, и оно играет значительную роль в процессе удаления продуктов разрушения из зоны породоразрушающего действия, а также влияет на объем лунок, образующихся при разрушении породы на забое.

Фактически на буримость влияет не столько величина порового давления р_f , сколько разность давлений бурового раствора и в поровом пространстве пласта на глубине проникновения породоразрушающих резцов в породу забоя.

Предполагается, что сопротивляемость породы разрушению в забойных условиях определяется зависимостью [18]:

, (1.12)

где σ₀ – сопротивляемость породы разрушению в атмосферных условиях;

φ – угол внутреннего трения породы (30-35^º).

В твердых породах с большими значениями σ₀ увеличение сопротивляемости породы разрушению, обусловленное дифференциальным давлением, незначительно. В мягких породах дифференциальное давление имеет более выраженное влияние. Этим объясняется, что мягкие породы, встречаемые на значительных глубинах, разбуриваются столь же трудно, как и твердые породы. Это связано, прежде всего, с упрочнением горных пород, а также с процессом удаления образующихся при разрушении горной породы обломков. Эти обломки могут быть вытеснены с забоя достаточно быстро или остаться на месте, подвергаясь повторному разрушению. Это зависит, прежде всего, от результирующих сил, воздействующих на частицы. Удержанию обломков на забое способствуют силы давления бурового раствора F_n и сила трения обломков о поверхности лунок и забоя F_f (рис. 1.10). Эти силы пропорциональны дифференциальному давлению.

Механическая скорость бурения в зависимости от дифференциального давления может определяться по формуле [18]:

, (1.13)

где v₀ – скорость бурения при σ_г=р_f;

α₂ – экспериментальная постоянная, равная (1,2-2,3) 10^-7 Па^-1.

Если дифференциальное давление поддерживать постоянным, механическая скорость бурения не будет зависеть от давления промывочной жидкости на забой и всестороннего горного давления. Более того, скорость бурения существенно возрастает, если давление бурового раствора становится меньше пластового, т.е. величина дифференциального давления будет меньше нуля (рис. 1.11) [18]. С учетом этого разработаны технологии бурения с нулевым перепадом давления в системе «разбуриваемый пласт – ствол скважины» (σ_г = р_f) и с отрицательным перепадом (σ_г < р_f).

Т ехнологии бурения при отрицательном перепаде давления (давление флюида в пласте превышает давление в скважине у забоя) получили название «бурение на депрессии».

В то же время рост скорости бурения при снижении дифферен-циального давления наблюдается в основном только в проницаемых пористых породах (позиция 1 на рис. 1.11). В плотных мало-проницаемых породах, например, глинах, скорость бурения при изменении дифференциального давления меняется незначительно (позиция 2 на рис. 1.11).

Снижение дифференци-ального давления до минимальных значений позволяет не только повысить производительность бурения, но и качество вскрытия продуктивных горизонтов, поскольку при превышении пластового давления над давлением в скважинном призабойном пространстве практически полностью исключается явление кольматации продуктивного пласта.

• Кольматация (итал. colmata – наполнение) – процесс механического и химического перекрытия пор коллектора при вскрытии продуктивного пласта за счет проникновения в поры бурового раствора.

• Контрольные вопросы к главе 1

1. Назовите основные методы разрушения горных пород.

2. Понятие о строении и структуре горных пород различного происхождения.

3. Дайте определение текстуры и анизотропии горных пород.

4. Дайте определение горной породе, как физическому объекту.

5. Назовите виды породообразующих связей в горных породах, определяющих сопротивляемость горных пород деформированию и разрушению.

6. Дайте определение напряжения. Возможные виды напряжений.

7. Назовите основные виды и показатели деформации горных пород.

8. Пределы прочности горных пород при сжатии, растяжении, изгибе и их соотношение.

9. Критерий прочности Ш.Кулона.

10. Теория прочности О. Мора. Паспорт прочности горных пород.

11. Назовите основные теории прочности, объясняющие процесс разрушения горных пород.

12. Назовите основные условия, влияющие на разрушение горных пород при бурении.

13. Влияние горного давления на разрушение горных пород при бурении.

14. Влияние гидростатического давления на разрушение горных пород при бурении.

15. Дифференциальное давление и его влияние на разрушение горных пород при бурении.