книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

а

Рис. 4.24. Полные диаграммы т—е,—е2 для мрамора, полученные при разных соотношениях уровней бокового о 2 и порового Ра давлений.

доступности части пор для флюида в образце необходимо было создать повышенное поровое давление для получения заданных прочностных характеристик, с переходом через предел прочности, когда начались интенсивные процессы трещинообразования, про­ ницаемость породы увеличилась и в недоступных ранее порах со­ здалось поровое давление, снизившее обжимающий эффект боко­ вого давления.

Влияние степени проницаемости породы для флюида на ее прочностные и деформационные характеристики можно также проиллюстрировать результатами следующих экспериментов. На рис. 4.25 представлены полные диаграммы %— 8 ,— е 2 для песчани­ ка, известняка и амфиболита [89]. Каждая из этих пород была ис­ пытана при трех режимах нагружения: кривые 1 получены при на­ гружении и деформации образцов, которые бьши гидроизолированы от среды, создающей обжимающее боковое давление Р= о 2 на образец; кривые 2 получены при том же уровне давления в камере Р = а 2, только в отличие от первого режима образец в камере не

изолировался от среды, создающей обжимающее давление на об-

разец; кривые 3 получены в условиях одноосного сжатия. При ис­ пытании по режиму 2 давление на образец создавали жидким ор­ ганическим маслом, не являющимся химически активной средой для указанных пород.

Из результатов опытов видно, что песчаник оказался практически непроницаемой породой для данного флюида, поэтому образец при испытании в режиме 2, так же как и в режиме 1 с применением гид­ роизоляции, подвергся полноценному обжатию давлением Р = а 2, что привело к сильному его упрочнению по сравнению с одноосным сжатием. Степень упрочнения, полученная при режиме 2 в сравне­ нии с режимом 1, составила 91 %. За пределом упругости, когда в об­ разце начались процессы трещинообразования и давление флюида устремилось в формирующиеся поры, сопротивляемость образца стала резко снижаться. Известняк явился по отношению к данному флюиду породой частично проницаемой, поэтому эффект упрочне­ ния при режиме 2 по сравнению с режимом 1 составил 68 %. Проч­ ность амфиболита при режиме 2 оказалась близкой к прочности, по­ лученной при одноосном сжатии. Это означает, что порода ввидухо­ рошей проницаемости оказалась полностью пропитанной флюидом под давлением и объемного обжатия, которое вызывает эффект упрочнения у породы, не произошло.

Выводы, которые можно сделать по результатам анализа приве­ денных выше экспериментальных данных, состоят в следующем.

282

1. Поровое давление приводит к снижению прочностных и де­ формационных свойств горных пород. Механизм этого воздейст­ вия состоит в противодействии давления флюида, возникающего внутри пор, геостатическому давлению, что снижает степень объ­ емного сжатия породы. Эффективность этого противодействия за­ висит от доступности порового пространства породы для проник­ новения туда флюида под давлением и максимальна при полной проницаемости породы. В этом случае степень объемного сжатия породы может оцениваться величиной эффективного давления, которое определяется как разность геостатического и порового давлений (а ^ = а г— Рп). При неполной проницаемости породы эффективность снижения степени объемного сжатия поровым дав­ лением зависит от степени заполнения порового пространства флюидом под давлением, и в этом случае o'f, определяемое как разность <тг— Рп, не будет отражать напряженное состояние поро­ ды. Степень проницаемости породы следует учитывать также при построении экспериментальных зависимостей прочности от вели­ чины o f , в противном случае можно получить парадоксальный результат, проявляющийся в увеличении угла внутреннего трения, определяемого по этим зависимостям.

2. Давление жидкого и газообразного флюида на горную породу можно использовать как средство создания в ней объемного на­ пряженного состояния с целью упрочнения породы. Максимальная эффективность такого воздействия достигается при полной непро­ ницаемости породы для данного флюида. Эффект обжатия снижа­ ется при частичной проницаемости и отсутствует при полной про­ ницаемости. Для наглядности механизм обжимающего воздействия давления флюида на пористое твердое тело можно пояснить на та­ ком примере. Если комок смятой проволоки поместить в жидкую (или газообразную) среду, находящуюся под давлением (например, на дно глубокого водоема), то давление среды не вызовет измене­ ния конфигурации этого комка, так как давление попадает во все его поры. Если же комок предварительно поместить в гидроизоля­ ционный чехол, то в этом случае давление среды спрессует комок, уменьшив его поровое пространство и создав в нем объемное на­ пряженное состояние. Эффект обжатия горной породы давлением жидкого или газообразного флюида, вызывающий ее упрочнение, широко используется в горной практике, например при обеспече­ нии устойчивости стенок глубоких скважин. Эффективность при­ менения такого способа борьбы за устойчивость скважин обсуж­ дается в следующем разделе.

283

4.4.1. Влияние факторов порового давления и проницаемости на эффективность поддержания устойчивости ствола глубоких скважин [89]

Глубокие скважины, внедряясь в область действия высокого уровня сжимающих напряжений, являются причиной изменения вида напряженного состояния в массиве вблизи скважины. Тип напряженного состояния, который создается в околоскважинном пространстве, характеризуется таким соотношением главных на­ пряжений: а , > о 2 > а 3. Значения главных сжимающих напряже­ ний вокруг скважины в общем случае могут быть определены, на­ пример, из уравнений С. Г. Лехницкого [52]:

(4.5)

(4.6)

(4.7)

где Рт— величина геостатического давления; Рс — гидростатиче­ ское давление столба бурового раствора на стенку скважины; А.— коэффициент бокового распора; Rc — радиус скважины; R — рас­ стояние от оси скважины до рассматриваемой точки массива.

Схема обозначений напряжений и графики, отражающие харак­ тер их распределения вокруг скважины, показаны на рис. 4.26. Графики построены для случая А. = 1 и р 6р = 0-5рга, гдер6р и р га — соответственно удельный вес бурового раствора и горной породы. В данной расчетной схеме не учитываются архимедовы силы, по­ скольку для результатов исследований, которые будут обсуждать­ ся далее, они не имеют принципиального значения.

Рис. 4.26. Схема обозначений напряжений вокруг скважины (а) и [рафики рас­ пределения упругих напряжений по горизонтали от оси скважины (б).

284

Породы, примыкающие к стенке скважины, находятся в экстре­ мальных условиях, поскольку, во-первых, здесь наибольшего зна­ чения достигают тангенциальные напряжения с е и, во-вторых, минимальное значение имеют радиальные напряжения а г, опре­ деляющие уровень объемного обжатия породы, а следовательно, и сопротивляемость ее разрушению. Последнее утверждение следу­ ет из результатов исследований [11,41, 53], в которых экспе­ риментально установлено, что в условиях трехосного неравноком­ понентного сжатия типа с , > а 2 > а 3 сопротивляемость породы нагрузке определяется величиной минимального главного напря­

рового раствора, т. е. при Рс = 0, радиальные напряжения <тг = 0 и порода на стенке скважины находятся в условиях плоского напря­ женного состояния, а прочностные ее характеристики близки к прочности на одноосное сжатие. Одна из функций, которые вы­ полняет буровой раствор в скважине, заключается в повышении устойчивости ее стенок. Давление, оказываемое буровым раство­ ром на стенки скважины, призвано, с одной стороны, увеличить значение <тг до величины, определяемой весом вышележащего столба раствора, с другой — снизить значение о е. Опыт бурения глубоких скважин показал, что буровой раствор далеко не всегда выполняет эту возложенную на него функцию. Зачастую увеличе­ ние удельного веса раствора приводит к противоположному эф­ фекту — снижению устойчивости стенок скважины. Причины воз­ никновения этого и других эффектов являются предметом даль­ нейшего обсуждения в настоящем разделе.

Методика исследований диктовалась следующими соображени­ ями. Поскольку в скважине буровой раствор действует непосред­ ственно на породу и цель этого воздействия обжать и упрочнить породу, создав в ней объемный вид напряженного состояния, то в эксперименте необходимо было проверить, насколько эффективно буровой раствор справляется с данной задачей. Для этого в экспе­ риментах образец помещали в камеру высокого давления без гид­ роизоляционного чехла, а в качестве среды, создающей давление в камере, использовали тестируемый буровой раствор или другую интересующую нас жидкость или газ. После создания в камере не­ обходимого давления образец деформировали в осевом направле­ нии до полного разрушения, определяя при этом его прочностные и деформационные характеристики. Такой режим испытаний выше обозначен как режим 2. Для оценки эффективности упроч­ нения образца в результате непосредственного давления на него бурового раствора или другого флюида параллельно проводились испытания аналогичного образца-близнеца в режиме 1, т. е. давле­ ние на образец осуществляли через гидроизоляционный чехол. Ре-

285

Рис. 4.27. Зависимости прочности гранита т от уровня давления обжимающей среды Ру о 2, полученные в режиме испытания 1 (кривая Л) и в режиме испыта­ ния 2.

а — в среде трех типов буровых растворов, воды и газа при температуре 20 °С; б — в сре­ де бурового раствора № 2 при разных уровнях температуры; в — в среде бурового рас­ твора № 3 при разных уровнях температуры; г — в среде различных буровых растворов при температуре свыше 100 °С.

зультаты тестирования различных флюидов и буровых растворов на одном типе горной породы (граните) представлены на рис. 4.27. На графиках по вертикали отложены значения касательной проч­ ности т, по горизонтали — давление флюида в камере Р (или уро­ вень о 2 для кривых, обозначенных буквой А). На всех рисунках (а, б, в, г) буквой А обозначена зависимость, полученная в режиме испытания 1, все остальные зависимости получены при испыта­ нии образцов в режиме 2. Образцы в этих опытах имели форму цилиндров с диаметром 30 мм и длиной 70 мм.

В качестве флюида в опытах, результаты которых изображены на рис. 4.27, а, использовали газ (азот), воду и три типа буровых растворов: № 1 — глинистый раствор на воде, № 2 — раствор на нефтяной основе, № 3 — раствор на глицериновой основе. Как

286

видно из графиков, давление на образец, создаваемое газом, водой и раствором № 1, не оказало практически никакого упрочняюще­ го воздействия на породу. Такой результат объясняется полной проницаемостью породы для данных видов флюидов. Давление же растворами № 2 и 3 существенно упрочнило породу. Наибольший эффект упрочнения вызвал раствор № 3. Однако по сравнению с монотонно возрастающей кривой А эти зависимости имеют мак­ симум при Р = / >кр = 100 МПа, а затем ниспадающий участок при более высоких давлениях а 2. Наличие такого эффекта объясняет­ ся тем, что при давлениях P > P lf порода становится более прони­ цаемой для флюида вследствие того, что он силовым порядком за­ гоняется в поры материала. Пока материал непроницаем для об­ жимающей его среды, увеличение Р ведет к увеличению прочности породы, а с переходом через Р кр наблюдается обратная зависи­ мость. Применительно к проблеме поддержания устойчивости сте­ нок скважин давлением бурового раствора данный результат мож­ но интерпретировать следующим образом. Для каждых двух объек­ тов взаимодействия — горной породы и бурового раствора — может существовать оптимальный уровень давления Р = Р ч>, при котором достигается наивысший эффект по упрочнению породы и поддержанию устойчивости стенки скважины. Зная глубину сква­ жины и величину Р кр, можно определить оптимальный удельный вес бурового раствора, требующийся для достижения максималь­ ной эффективности его работы на обеспечение устойчивости сква­ жины. Отклонения удельного веса бурового раствора как в мень­ шую, так и в большую сторону приведут к снижению эффекта упрочнения породы.

На рис. 4.27, б и в приведены кривые, полученные для буровых растворов № 2 и 3 при разных уровнях температуры. Увеличение температуры вызвало снижение упрочняющего эффекта, при этом максимум упрочнения на растворе № 3 сместился в сторону более низких давлений. При температуре свыше 100 °С упрочняющий эффект на всех исследованных буровых растворах практически исчез. Результаты этих экспериментов представлены на рис. 4.27, г. Помимо упомянутых выше растворов здесь приведены кривые еще по трем другим видам растворов. Основная причина такого воз­ действия температуры на рассматриваемый процесс заключается в снижении вязкости тестированных жидкостей с ростом темпера­ туры, что увеличило возможность проникновения флюида в поры горной породы. Для примера можно отметить, что одна из наибо­ лее вязких жидкостей (глицерин) при изменении температуры от 20 до 100 °С уменьшает показатель вязкости более чем в 100 раз. Чтобы исключить в экспериментах эффект растрескивания поро­ ды в результате возникновения температурных напряжений, что привело бы к увеличению проницаемости, последовательность

287

операций в опытах была следующей: сначала производилось обжа­ тие образца соответствующим гидростатическим давлением, а за­ тем повышалась температура. Заключение об отсутствии темпера­ турных трещинообразовательных процессов в породе можно сде­ лать по тому факту, что в условиях полной гидроизоляции образца (режим испытания 1) повышение температуры до 100 °С практи­ чески не снижало прочностные характеристики породы.

Рис. 4.28. Поперечное сечение образцов различного диаметра с обозначением зон проникновения в них флюида (а), создающего давление, и характер влия­ ния масштабного фактора на прочность при испытании образцов в режиме 2

(б).

При испытании образцов горных пород в режиме 2 следует учи­ тывать масштабный фактор, который состоит в следующем. При воздействии флюида, находящегося под давлением, на образец с низкой проницаемостью происходит проникновение флюида в по­ верхностный слой материала на какую-то глубину. Объем матери­ ала, в который проник флюид, не подвергается обжимающему воз­ действию от давления этого флюида и не приводится в объемное напряженное состояние. Прочностная характеристика его остает­ ся на уровне одноосного сжатия. Центральная же часть образца, куда флюид не проник, находится в объемном напряженном со­ стоянии и имеет повышенную сопротивляемость нагрузке. Проч­ ностная характеристика образца в целом будет зависеть от того, какую долю в площади поперечного сечения образца занимают первая и вторая зоны. Эта доля зависит от исходного поперечного размера образца. Например, при исходном диаметре поперечного сечения образца 90 мм и глубине проникновения флюида А = 5 мм (рис. 4.28) площадь поперечного сечения, находящаяся в условиях объемного сжатия, составляет 80 % общей площади; при исход­ ном диаметре 15 мм тот же показатель составляет 10 %. Соответ­ ственно и прочностные характеристики, полученные на этих об­ разцах при одинаковом уровне давления обжимающего их флюи­ да, будут сильно отличаться. Эксперименты показали, что зависимость прочностных характеристик материала от размера

288

(диаметра) образца при испытании в режиме 2 с одинаковым зна­ чением Р имеет характер, отраженный на графике на рис. 4.28, б. По этой зависимости можно определить величину А зоны проник­ новения флюида в породу при данном уровне давления Р. Величи­ на А соответствует радиусу образца, с которого начинается рост прочности т по отношению к одноосному сжатию.

Масштабная зависимость сопротивляемости пород при нагруже­ нии в режиме 2 позволяет объяснить причину прекращения про­ цесса дискования керна, имеющего место на больших глубинах, с увеличением его диаметра. При выбуривании высвобождающийся из массива столбик керна испытывает деформации упругого вос­ становления как в продольном, так и в поперечном направлении. При этом в плоскости контакта керна с массивом, находящимся в сжатом состоянии, возникают скалывающие (срезающие) напря­ жения. Чем выше уровень напряженного состояния сжатия, в кото­ ром находится массив, тем большие деформации упругого восста­ новления будет испытывать выбуриваемый из него керн и тем большие напряжения среза будут возникать в плоскости контакта. На определенной глубине, где действуют высокие сжимающие на­ пряжения, срезающие напряжения достигнут предельных значений прочности на срез и произойдет отделение керна от массива.

Для предотвращения дискования керна необходимо на высво­ бождающийся столбик керна воздействовать обжимающим давле­ нием, препятствующим его упругому восстановлению. Создание такого обжимающего давления на забое скважины возможно только с помощью бурового раствора. Однако эффективность об­ жимающего (упрочняющего) воздействия зависит от степени про­ ницаемости породы для данного бурового раствора. В случае про­ никновения обжимающей жидкости в поровое пространство выбу­ риваемого керна эффект от обжатия будет отсутствовать и дискование произойдет. С увеличением диаметра керна растет ве­ роятность сохранения центральной его части (при условии суще­ ствования фиксированной зоны проникновения А) в условиях объ­ емного напряженного состояния, что будет препятствовать разви­ тию дискообразовательного процесса.

Располагая экспериментальной зависимостью (аналогичной за­ висимости на рис. 4.28, б), отражающей характер влияния мас­ штабного фактора на прочность при интересующих нас давлениях флюида, можно определить минимальный диаметр керна, кото­ рый может быть выбурен на соответствующей глубине.

Прямые эксперименты, позволяющие оценить роль воздействия обжимающего флюида на процесс дискования кернов, были про­ ведены по следующей методике. На рис. 4.29 показана схема под­ готовки образцов к испытаниям. Образец представлял собой керн 1 большого диаметра (90 мм), в котором соосно на глубину Л была

289

Рис. 4.29. Схема подготовки образцов ддя изучения процессов дискования кернов.

пробурена кольцевая полость 2 с образованием керна 3 малого диаметра (30 мм). Образец такой формы помещался в оправки 4 и изолировался непроницаемым чехлом 5 от внешней среды, созда­ ющей давление. Испытания образцов осуществляли по следую­ щим схемам.

1. Образец подвергался обжатию в камере высокого давления при сохранении в полости 2 первоначального давления, равного атмосферному (рис. 4.29, а). Уровень сжимающих главных напря­ жений Cj и а 2 во всем материале образца увеличивался, а керн 3 оставался в ненагруженном состоянии. При определенных значе­ ниях о , и о 2 происходило скалывание керна.

2. Подобный же образец так же, как и в первом случае, подвер­ гался внешнему обжатию высоким давлением о , и с 2> и одновре­ менно с этим создавалось давление в полости 2. Для того чтобы полностью исключить проникновение флюида в материал керна 3 и обеспечить максимальный эффект обжатия, керн 3 и вся полость 2, как показано на рис. 4.29, б, изолировались резиновой пленкой 6. Давление в полости 2 создавалось равным а 2. При такой схеме опыта скалывания не происходило, хотя давления о , н о 2 были увеличены вдвое. При сбрасывании давления из полости 2 керн 3 отделялся от своей основы.

Теперь проанализируем ситуацию в околоскважинном про­ странстве при воздействии давления бурового раствора на стенку скважины. Рассмотренный выше режим испытания 2, осуществля­ емый при воздействии давления жидкой или газообразной среды непосредственно на породу с целью ее упрочнения, принципиаль­

290