А. Новиков - Строительство нефтяных и газовых скважин

В механике горных пород по характеру связи между частицами породы разделяются на три основные группы:

1) скальные;

2) нескальные;

3) сыпучие.

У прочных пород частицы связаны цементирующим материалом, у нескальных – частицы связаны коллоидными пленками. Сыпучие – между собой не связаны. [9]

Под механикой горных пород, применительно к процессам строительства скважин, может пониматься:

• Во-первых, основные положения механики разрушения горных пород, использование которых обеспечивает эффективное разрушение горных пород при минимуме затрат времени и материальных средств;

• Во-вторых, ее законы в целях сохранения устойчивости уже сформированного или формирующегося ствола скважины. [9]

1. Механическими свойстваминазывается способность горных пород реагировать на внешние воздействия изменением размеров, формы и целостности.

2. Деформациейназывается способность горных пород изменять без разрушения свою форму и размеры в результате направленного на них силового воздействия.

3. Прочностью называетсяспособность горных пород воспринимать силовые воздействия без разрушения.

4. Упругостью (релаксацией)называется способность горных пород восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействия.

5. Пластичностьюназывается способность горных пород изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и сохранять остаточные деформации после устранения воздействия.

Горные породы при нагружении, могут характеризоваться одновременно всеми вышеперечисленными свойствами. Но в основном ведут себя как упруго-хрупкие тела, когда напряжения достигают предел упругости, следуют закону Гука, но связь между напряжением и деформацией сложна. [9]

Упругое поведение тел, в том числе горных пород, может быть охарактеризовано модулем Юнга (Е), коэффициентом Пуассона (μ) или модулем сдвига (G):

Е = 2G(1 + μ) (3.3.)

где:

Е – 10 7н/м 2, G – 10 7н/м 2;

Породы одного и того же минералогического состава по разной степени уплотненности имеют разные модули упругости, с увеличением напряжения модуль упругости возрастает, следовательно, с увеличением глубины увеличивается горное давление, увеличивается модуль упругости. На модуль упругости значительно влияет минералогический состав, структура, текстура, условия залегания, природа вещества, заполняющая поровое пространство, температура, при увеличении которой многие минералы ведут себя как вязкоупругие тела.

По твердости горные породы можно разделить на пять групп: 1 – мягкие; 2 – средние; 3 – твердые; 4 – крепкие; 5 – очень крепкие.

По пластичности разделяются на 6 групп: 1 – хрупкие горные породы; 2–5 – малопластичные, среднепластичные, пластичные.

Графически процесс нагружения горной породы можно показать на графике, Рис. 4.1.

Рис. 4.1.Процесс нагружения горной породы

ρ о= Р о/ Sш кгс/мм 2(3.2)

где:

• р о– твердость по штампу, вдавливаемого в породу;

• Р о– нагрузка, при которой начинается пластическое течение, кгс;

• Точка А – начало разрушения образца горной породы;

• Sш – площадь штампа, мм 2.

Абразивная способность горных пород– это способность изнашивать разрушающий их инструмент. Главная причина абразивного износа твердых тел – неровности на соприкасающихся поверхностях. Поверхности касаются только в точках контакта. В общем случае абразивный износ – процесс очень сложный. В одних участках обеспечивается механическое сцепление, в других – молекулярное сцепление. Коэффициент трения о породу тем больше, чем выше ее твердость при одинаковом минералогическом составе. При сухой породе трение выше, смоченной – ниже. Повышение температуры выше 200 °C повышает коэффициент трения. [9]

Горные породы разрушаются вследствие отрыва или сдвига, скалывания, среза. При сжатии порода разрушается преимущественно на скалывание, при растяжении – на разрыв. Разрушение горных пород процесс очень сложный и разрушение на скалывание и отрыв сопровождают друг друга. Процесс разрушения происходит по-разному: в одном случае требует времени, в твердых породах разрушение истиранием или раздавливанием; в другом – с большой скоростью, где разрушение происходит резанием в мягких породах. Продолжительность разрушения для одной и той же породы при прочих равных условиях определяется величиной нагрузки, температурой, активностью среды, напряженным состоянием пород.

Наибольшая эффективность при разрушении горных пород достигается оптимальном сочетанием нагрузки на долото, числом оборотов, параметров промывочной жидкости.

В соответствии с вышеизложенным можно прийти к выводу, что для различных пород, имеющих разные физико-механические свойства, необходимо применять разные способы разрушения. Это дробление, скалывание, резание, истирание, комбинирование. Это достигается применением различных типов долот и конструкций долот. Эффективность работы долота (применимо к мягким или разрушенным породам) повышается также за счет увеличения скорости истечения струи (~ 110 л/с) из насадок долота, использования асимметричной промывки (неравномерное омывание забоя), увеличения мгновенной фильтрации бурового раствора, вызывающая проникновение фильтрата между зернами и трещинами пород слагающих забой. При этом увеличение числа оборотов оказывает отрицательное воздействие на скорость углубления за счет уменьшения времени контакта зуба с породой. Эффективность работы долота так же улучшается, если вибрациям, возникающими в процессе работы управлять или их устранять.

При раскопках в Египте, в долине реки Нил, обнаружено громадное число гидрогеологических скважин, возраст которых исчисляется сотнями лет до нашей эры. В некоторых случаях в текстах, высеченных на камнях, сохранились даже даты их прокладки. И что вызывает изумление, есть и такие скважины, которыми население по прошествии почти 20 веков пользуется в пустыне и поныне. Кроме того, не представляет секрета и то оборудование, с помощью которого египтяне в древности производили бурение скважин. В начальный период работа выполнялась неотесанными каменными, сделанными из кремня, долотами, прикрепленными к деревянным палкам (шестам). Однако впоследствии каменное долото сменило металлическое сверло-зубило.