книги / Решение практических задач при бурении и освоении скважин
..pdfУсталостная 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.
|
МН |
Зависимость предела текучести Р0 породы в —— от глуби- |
|
|
м2 |
ны L её залегания —например, района о. Свиной (Каспийское |
|
море) — выражается уравнением: |
|
Р0 = 834 + 0,045L, |
(1.11) |
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:
lgK„ = a6 + b7n H) |
(1.12) |
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
Значения опытных коэффициентов для некоторых горных пород |
|
|||
Горная порода |
а6 |
ь, |
Э 7 |
В8 |
Алевритистая глина |
0,59 |
0,054 |
3,46 |
0,029 |
Глинистый мергель |
0,07 |
0,066 |
3,57 |
0,034 |
Мергель |
0,18 |
0,033 |
3,78 |
0,034 |
Глинистый известняк |
0,06 |
0,036 |
3,87 |
0,029 |
Известняк |
-0,11 |
0,033 |
3,95 |
0,026 |
Алевролиты или песчаники |
|
|
|
|
с содержанием пелитовых частиц: |
|
|
|
|
3 -9% |
-0,11 |
0,034 |
|
|
3-15% |
- |
- |
3,99 |
0,035 |
15-22% |
-0 ,0 4 |
0,042 |
- |
- |
20-28% |
- |
- |
3,86 |
0,039 |
24-28% ' |
0,22 |
0,037 |
- |
- |
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:
Е<Е„<Ед, |
(1.13) |
причём |
|
Е„ = (1,2 - 1,5)Е иЕД= (2"2,5)Е. |
(1.14) |
Модуль упругости горных пород зависит от того, при ка ких видах деформации он определён — растяжения Ер, изги ба Еи или сжатия Есж:
ЕР<Е„<ЕСЖ> |
(1.15) |
причём |
|
Е.=(1,1 - 1,3)Е=(0,25 - 0,35)ЕСЖ. |
(1.16) |
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:
P(l-V ) |
> |
МН |
Ш” j t |
(1.18) |
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:
lgEni = a7- b 8n H, |
(1.19) |
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
|
Т а б л и ц а 1.6 |
Коэффициент Пуассона для некоторых пород |
|
Наименование породы |
Коэффициент Пуассона р |
Глины пластичные |
0,38 -0,45 |
Глины плотные |
0,25-0,35 |
Глинистые сланцы |
0,10-0,20 |
Известняки |
0,28-0,33 |
Песчаники |
0,30 -0,35 |
Каменная соль |
0,44 |
Гранит |
0,26 -0,29 |
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
м 2 |
м" |
|
Во всех осадочных горных породах наличие кварца ведёт к |
||
повышению их прочности. |
|
|
Прочность кремней и кварцитов достигает 295—490 |
■ |
|
|
|
м2 |
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:
lgOc»=b,oY„, |
(1.21) |
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:
Л Л |
,Л-7 Г МН |
(1.22) |
осж =8+0,523 10 2 L—— , |
||
|
мг |
|
ор = 0,8+ 0,98-10"3 L ^ - . |
(1.23) |
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:
ар<т<аШ1<осж, |
(1.24) |
где af, — прочность породы при одноосном растяжении; |
|
т —то же при скалывании; |
|
аи1, —то же при изгибе; |
|
<тсж —то же при одноосном сжатии. |
|
По данным разных исследователей: ар = |
(0,013—0,17) стсж, |
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.
2 Заказ 39 |
17 |
Угол скалывания породы у связан с углом внутреннего тре ния породы ф зависимостью, полученной теоретически:
ф = 2у - 90°. |
(1.25) |
Значения угла скалывания для некоторых пород приведе |
|
ны в табл. 1.7. |
|
|
Т а б л и ц а 1.7 |
Величины угла скалывания для некоторых пород |
|
Наименование породы |
Угол скалывания у, град. |
Глинистые сланцы |
4 5 -5 0 |
И звестняки |
5 5 -6 0 |
Мраморы |
6 5 -7 0 |
Песчаники |
7 0 -7 5 |
Глина сухая |
4 0 -4 5 |
Глина мокрая |
2 0 -2 5 |
Песок сухой |
3 0 -3 5 |
Песок мокрый |
2 0 -2 5 |
Гравий сухой |
3 5 -4 0 |
Гравий мокрый |
2 0 -2 5 |
Граниты |
7 5 -8 0 |
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
|
„ |
|
„ МН |
Удельная объёмная работа |
||
|
Твердость |
Рш, — |
разруш ения |
Дж |
||
|
|
|
м |
СМ |
||
|
|
|
|
|
|
|
Стратиграфические |
|
|
наибо |
при |
по данным |
|
подразделения |
общий |
|
||||
|
|
лее часто |
вдавли- |
бурения |
||
|
диапазон |
|
встречаю |
вании |
элек |
тур |
|
измене* |
|
||||
|
ния |
щиеся зна |
штам |
тробу |
бобу |
|
|
|
|
чения |
па |
рами |
рами |
Кунгурский ярус |
784-2255 |
|
980-1715 |
52 |
311 |
228 |
Артинский ярус |
784-1960 |
|
1270-1960 |
47 |
341 |
238 |
Верх некарбонский |
1130-2450 |
|
1270-1960 |
64 |
348 |
233 |
Мячковскнй |
|
|
_ |
— |
461 |
|
горизонт |
1570-5880 |
|
191 |
|||
Подольский |
|
|
_ |
_ |
|
|
горизонт |
1670-5880 |
|
666 |
234 |
||
Каширский |
|
|
|
_ |
|
|
горизонт |
735-6860 |
|
1470-2940 |
464 |
222 |
|
Верейский горизонт |
784-3720 |
|
1270-2450 |
62 |
528 |
280 |
Башкирский ярус |
490-2350 |
|
1270-1470 |
- |
586 |
308 |
Намюрский ярус |
1765-2160 |
|
- |
57 |
457 |
238 |
Серпуховским |
|
|
_ |
|
324 |
|
подъярус |
1980-2160 |
|
|
455 |
||
Окский подъярус |
1080-2450 |
|
1180-1960 |
38 |
463 |
- |
Тульский горизонт |
686-1960 |
|
1225-1715 |
35 |
770 |
- |
Бобриковский |
|
|
|
— |
|
_ |
горизонт |
294-2740 |
|
294 -980 |
565 |
||
Турнейский ярус |
784-2550 |
|
1320-1620 |
35 |
903 |
470 |
Верхнефаменский |
|
|
|
29 |
|
|
подъярус |
980-2450 |
|
1225-1470 |
655 |
510 |
|
Нижпефаменский |
|
|
|
40 |
|
|
подъярус |
1470-2060 |
1470-1960 |
428 |
447 |
||
Верхнефранс кий |
|
|
— |
— |
1220 |
|
подъярус |
1470-2640 |
|
500 |
|||
Домапнковые слои |
1080-1960 |
|
- |
- |
1580 |
- |
Нарышевский |
|
|
|
|
|
|
горизонт |
|
|
|
|
1850 |
|
и пашийские слои |
490-2250 |
|
745-1275 |
|
|
|
Верхнеживетский |
490-2940 |
|
745-1960 |
29 |
1560 |
— |
подъярус |
|
|||||
Кьшовские слои |
1130-2255 |
1370-1670 |
48 |
- |
640 |
24 |
19 |
Т а б л и ц а 1.9
Значения удельной работы разрушения для пород Атперонского п-ва
|
|
Предел |
Удельная работа |
|
|
Твердость |
текучести |
разруш ения Ач., |
|
Стратиграфические |
мн |
по данным про |
||
Р МП |
||||
подразделения |
р*.—- |
мышленного |
||
|
4ш* М2 |
М' |
Лж |
|
|
|
|
бурения, -=-у |
|
|
|
|
см |
|
Сабунчинская свита |
- |
49-137 |
258 |
|
Балаханская свита |
167-441 |
88-196 |
294 |
|
(верх) |
||||
|
|
|
||
Балаханская свита (низ) |
1670-2450 |
1060-1725 |
- |
|
Свита перерыв |
1765-2350 |
1120-1630 |
- |
|
Свита НКГ |
- |
78-137 |
294 |
|
Свита НКП |
1470-1860 |
1100-1470 |
- |
|
КС (верхняя часть) |
588 -980 |
118-372 |
314 |
|
КС (нижняя часть) |
882-1570 |
637-1180 |
911 |
|
Свита ПК |
- |
745 |
- |
|
КаС |
1670 |
814 |
- |
В табл. 1.8. приведены значения удельной объёмной работы разрушения для пород различных стратиграфических подраз делений Туймазинской площади при бурении электробурами и турбобурами, а также при вдавливании штампа. Эта табли ца составлена для случая объёмного разрушения горных по род при бурении.