Порід на стінках свердловини - раздел Философия, НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА Гірські Породи В Умовах Природного Залягання, А Також При Розкритті Їх Свердл...
Гірські породи в умовах природного залягання, а також при розкритті їх свердловиною взаємодіють головним чином з рідким середовищем.
Механізм дії рідкого середовища на тверді тіла вивчався академіком Ребіндером П.А. та його учнями. Встановлено, що зміна процесів деформування і руйнування гірських порід під дією середовища зумовлені, в основному, фізико-хімічними явищами, що відбуваються на поверхні розділу тверде тіло – середовище, до яких відносяться змочування, адсорбція, розчинення.
За ступенем змочування усі тверді тіла поділяють на дві групи – гідрофільні і гідрофобні.
Гідрофільні тілакраще змочуються водою, а гідрофобні – краще змочуються вуглеводневими рідинами. Майже усі гірські породи, котрі руйнуються при спорудженні свердловин, є гідрофільними тілами, тобто добре змочуються водою. При змочуванні і просяканні гірських порід водою їх міцність зменшується. Особливо сильно зменшується міцність пористих порід. В таких породах рідина по дрібних тріщинах і порах проникає вглиб породи і змочує її. У змоченої породи послабляються сили зчеплення по границях зерен, що ї є причиною зменшення міцності. За деякими дослідженнями у найбільш пористих порід міцність на стиск після насичення їх водою зменшується на 25 ¸ 45%.
При просяканні водою масивних гірських порід, що мають незначну пористість, міцність зменшується несуттєво.
Якщо свердловиною розкриваються глинисті породи, вони в результаті змочування прісною водою набухають. Зустрічаються і такі глинисті породи, котрі обсипаються зі стінок свердловини, не набухаючи. Такі породи мають плитчасту або осколкову будову. Вода, відфільтровуючись з бурового розчину, проникає по границях осколків (блоків) углиб масиву і різко зменшує їх стійкість. Під дією змінного тиску і механічної дії бурового інструменту такі породи інтенсивно обсипаються у свердловину, ускладнюючи процес буріння.
Адсорбція – це процес концентрування речовин з газу або розчину на поверхні твердого тіла.
Речовина, котра адсорбується називається адсорбатом.
Адсорбентом називається тіло, на поверхні якого відбувається адсорбція.
В процесі адсорбції концентрація адсорбату в поверхневому шарі буде тим більша, чим більша його фізико-хімічна спорідненість по відношенню до адсорбента і чим сильніше адсорбат зменшує поверхневу енергію адсорбенту. Такі речовини називаються поверхнево активними (ПАР).
Швидкість адсорбції речовин з розчину на поверхню твердого тіла незначна і зумовлена швидкістю дифузії в рідині. Для прискорення цього процесу розчини перемішують. Очевидно, при адсорбції пористою і тріщинуватою поверхнею гірської породи перемішування відіграватиме несуттєву роль.
Дослідження Ребіндера, Шрейнера, Жигача показали, що рідина а особливо поверхнево активні речовини, проникаючи в пори і тріщини породи, не тільки зменшують поверхневу енергію твердого тіла, а й зменшують внутрішнє тертя в твердому тілі при деформуванні і створюють ефект розклинення, що в кінцевому результаті зменшує міцність. Цей ефект називають ефектом Ребіндера.
Ще однією суттєвою причиною набухання, зменшення міцності і обвалювання глинистих порід є осмос.
Осмосом називається таке явище, при якому молекули розчинника ( у нашому випадку води) проникають через пористе середовище, а молекули розчиненої речовини затримуються на його поверхні, тобто спостерігається рух розчинника з області з низькою концентрацією розчиненої речовини в область з високою концентрацією.
Концентрація іонів в дифузійному шарі глинистих порід дуже велика і пояснюється відтисканням води в процесі їх ущільнення. Розвантаження порід при розкритті їх свердловиною і контакт з промивальною рідиною створюють сприятливі умови для активного всмоктування води глинистою породою. Навіть незначне змочування різко зменшує глибину їх стійкого залягання.
При розбурюванні соляних відкладів промивальна рідина спричиняє їх інтенсивне розчинення. Проникаючи по тріщинах, вода їх розширює, порушує зв’язок між кристалітами, що призводить до руйнування породи.
Названі причини порушення стійкості і обвалювання стінок свердловини не тільки не усуваються шляхом збільшення питомої ваги промивальної рідини, а навіть усугубляються, оскільки із збільшенням перепаду тиску між свердловиною і пластом зростає швидкість фільтрації промивальної рідини. В розглянутих випадках основними засобами профілактики обвалювань є підбір таких промивальних рідин, які не розчиняють гірські породи і не взаємодіють з ними.
Все темы данного раздела:
Загальна систематика гірських порід
Гірські породи в залежності від геологічних процесів, в результаті яких вони утворилися, розділяють на три генетичні групи:
- магматичні або вивержені;
- осадові;
Петрографічні особливості будови гірських порід
Властивості порід залежать в першу чергу від їх складу. Раніше відзначалося, що гірські породи складаються з мінералів. Відомо близько 3000 різних мінералів. Однак до складу гірських порід входить
Неоднорідність гірських порід
Анізотропними називають тіла, в яких показники властивостей однакові в паралельних і неоднакові в непаралельних напрямах.
Тіла, що мають однакові показники в
Загальна характеристика пластових флюїдів
До пластових флюїдів відносяться нафта, природний газ та пластова вода.
Нафта − це суміш різних вуглеводневих та не вуглеводневих (гетероатомних) сполук.
Коефіцієнт об’ємного стиснення нафти
. (4.1)
b змінюється в межах (4¸70)×10-10 Па-1. Сти
Середовищі
Нафта і газ, а також пластові води вміщуються в пустотах і порах так званих порід-колекторів. Приблизно 60% світових запасів вуглеводнів вміщуються у відкладах піщано-алевролітових порід, які назив
Напруження і деформації суцільних середовищ
Суцільне середовище – це гіпотетичне середовище, яке може під дією навантажень як завгодно змінювати свою форму (деформуватись), не втрачаючи при цьому суцільно
Деформації суцільного середовища
Нехай в процесі деформації середовища його точки одержали переміщення u з компонентами ux, uy, uz
Рівняння руху
Ці рівняння для до
Рівняння неперервності
Це рівняння зв’язує густину з характеристиками руху суцільного середовища, що встановлюється на основі закону збереження маси (повна зміна маси у замкненому об’ємі дорівнює нулю)
Рівняння реології
Рівняння реології визначають зв’язок між компонентами тензора напружень та тензорів деформацій і швидкостей деформацій. Рівняння реології отримують, як правило, на основі дослідних даних. Параметри
Рівняння стану
Рух суцільного середовища призводить до зміни параметрів стану ( тиску р і температури Т), що впливає на його фізичні властивості (густину, реологічн
Суцільних середовищ
Включає вибір системи рівнянь та підготовку додаткових умов, яким має задовольняти розв’язок задачі на границях області її визначення. Додаткові умови, які поділяють на початкові
Рівняння теорії пружності
Для незмінних властивостей тіла рівняння теорії пружності включають рівняння руху (5.16), Коші (5.6) та узагальнений закон Гука (5.21). Для квазіпластичних процесів (
Рівняння теорії пластичності
Для незмінних властивостей тіла рівняння теорії пластичності базуються на рівняннях рівноваги (5.33), Коші (5.6) і умови пластичності (рівняння реології).
Для загального випадку навантажен
Рівняння напружено-деформованого стану пористих гірських порід
Ці рівняння у випадку насичення порід пластовими флюїдами під тиском р потребують конкретизації понять про напруження.
Якщо приділяти увагу деформації матеріалу пор
Теорії міцності
Теорії міцності обґрунтовують можливість використання результатів модельних випробувань матеріалів на міцність при простих видах навантажень у розрахунках на міцність при складному
Основні поняття теорії фільтрації
При бурінні відбувається масообмін між свердловиною і розкритими пластами, кий визначається фільтраційними, дифузійними, осмотичними та іншими процесами. Фільтрація належить до найбільш вагомих про
A – емпіричний коефіцієнт (для пісківa=0,015 –0,018 ).
Закон Дарсі узагальнюють також на випадок багатофазової течії у пористому середовищі. Для цього розповсюджують поняття швидкості фільтрації на окрему фазу vi , як
Гірських порід
Кількість фізичних властивостей гірських порід, що проявляються у взаємодії з іншими об’єктами і явищами матеріального світу, може бути як завгодно великою. Однак, для практики гірничої справи важл
Таблиця 6.1 – Класифікація фізичних властивостей гірських порід
Клас
Група
Назва
Гравітаційні
Гравітаційні
Питома вага
Об’ємна вага
Міцнісні властивості
Міцність – це здатність порід чинити опір руйнуванню під дією прикладених механічних напружень.
Вона характеризується межею міцності при стиску і розтягу, зчепл
В УМОВАХ ПРИРОДНОГО ЗАЛЯГАННЯ
Напружений стан гірських порід в земній корі зумовлений тиском розташованих вище порід і тектонічними процесами.
Розглянемо випадок, коли напружений стан масиву порід зумовлений лише граві
Механізм проявлення гірського тиску
Розкриття масиву гірських порід свердловиною суттєво змінює їх напружений стан, оскільки тиск у свердловині, як правило, менший за боковий тиск порід. Стінки свердловини тривал
Термічні напруження в гірських породах
В загальному випадку температура промивальної рідини, що заповнює свердловину, відрізняється від температури гірських порід, розкритих нею. Охолодження чи нагрівання стінок свердловини спричиняють
Гідродинамічні коливання тиску
Гідродинамічні коливання тиску у свердловині також є причиною зміни напруженого стану гірських порід в приствольній зоні. Тиск у свердловині стає більшим за гідростатичний при роботі бурових насосі
Умови стійкості стінок свердловини
Втрата стійкості і руйнування гірських порід, з яких складені стінки свердловини, є небажаним ускладненням при бурінні. Це може статися у випадку, коли напруження в породі досягнуть граничного стан
Гідророзрив пласта
При суттєвому збіл
Прояв в’язкісних властивостей гірських порід
В’язкісні (реологічні) властивості гірських порід проявляються на великих глибинах. Особливо відчутно їх прояв у глинистих, галоїдних і сірчанокислих породах.
В загальному випадку деформац
Енергетичні закони руйнування (диспергування) крихких тіл
В основу визначення витрат енергії на подрібнення (диспергування) твердих тіл покладено енергетичні закони руйнування Ріттінгера і Кірпічова.
За законом Ріттінгера
Продуктів руйнування
Точка А перетину кривих на рис. 9.1 відповідає розміру частин 0,5 ÷1,0 мм.
В зв’язку з цим Шрейнер Л.А. показав, що у випадку використання закону подіб
Долота з породою
За принципом взаємодії з гірською породою усі механічні породоруйнуючі інструменти для буріння свердловин можна розділити на три класи: ріжуче-сколююючі, дроблячі і дробляче-сколююч
Фізичні явища при руйнуванні гірських порід
Руйнування твердих тіл, в тому числі і гірських порід, відбувається або в результаті відриву (від нормальних розтягуючи напружень), або сколювання, зсуву, зрізу (від дотичних напружень). При розтяг
Напружений стани гірських порід при втискуванні
Розглянуті вище схеми взаємодії елементів озброєння доліт з породою показали, що руйнування породи відбувається послідовним деформуванням окремих ділянок поверхні вибою при одночасній дії нормальни
Втискування плоского циліндричного індентора
Плоский циліндричн
Втискування сферичного індентора
Деформування порід при втискуванні жорсткого сферичного індентора і плоского циліндричного штампа багато в чому схожі, хоча є і суттєві відмінності.
Втискування інденторів різної форми
Фрезовані зубці шарошкових доліт мають практично плоску прямокутну поверхню контакту. Через складність розв’язку задачі про розподіл тиску під прямокутним штампом, отримано розв’язок для нескінчено
Втискуванні інденторів
Розгляньмо, як руйнується гірська порода при втискуванні різних інденторів.
Як встановлено у 10.4, в процесі втискування плоского індентора в породу граничний стан може бути досягну
Напружень в гірських породах
Із схем взаємодії елементів озброєння з гірською породою (див. розділ 8.1) видно, одночасно з нормальним навантаженням діє і значне дотичне навантаження. Розглянемо, як впливає дотичне навантаження
Визначення показників механічних властивостей гірських порід методом статичного втискування штампа
Вперше метод втискування для оцінки опору гірських порід руйнуванню при бурінні запропонував Є.Ф. Епштейн. За цією методикою в зразок породи втискувався різець формою двостороннього клина з кутом п
Класифікація гірських порід
За результатами експериментального дослідження властивостей гірських порід при втискуванні штампа у значну кількість зразків гірських порід було створено кілька класифікаційних шкал
Таблиця 10.1 – Класифікація гірських порід за твердістю
Група
І (м’які)
ІІ (середні)
ІІІ (тверді)
Категорія
Деформування і руйнування гірських порід
При бурінні свердловин мають місце виключно динамічні процеси. Якщо для опису статичних процесів достатня система рівнянь рівноваги сил і моментів, то для динамічних процесів додатк
Динамічному втискуванні
Величина кінетичної енергії удару для ударника, що вільно падає, дорівнює його потенціальній енергії в крайньому верхньому положенні
Взаємозв’язок характеристик порід, визначених при статичному і динамічному втискуванні
Встановлення взаємозв’язку між характеристиками динамічного руйнування порід з показниками статичного втискування має велике практичне значення. Однак специфіка динамічних випробувань порід не дозв
Та абразивність гірських порід
Деталі бурових машин і механізмів, буровий і породоруйнівний інструмент в процесі роботи зношується, через що змінюються їх розміри і форма. По досягненню граничної величини зношування ці деталі та
Гірських порід
Абразивність гірської породи, як і будь-який інший показник механічних властивостей, відображає її прояв у конкретних умовах роботи. Зміна цих умов може стати причиною такої суттєвої зміни процесу
При взаємодії з гірською породою
При вивченні абразивного зношування потрібно використовувати моделі процесів і визначати показники абразивності як характеристики цих моделей. Однак, сучасний стан вивченості цього питання не дозво
БУРИМІСТЬ ГІРСЬКИХ ПОРІД
Буримість гірських порід – це їх здатність руйнуватися у вибійних умовах.
Буримість визначається сукупністю геологічних і техніко-технологічних факт
ПЕРЕЛІК РЕКОМЕНДОВАНИХ ДЖЕРЕЛ
1 Спивак А. И. Разрушение горных пород при бурении скважин / А. И. Спивак, А. Н. Попов. - М.: Недра, 1979. − 238 с.
2 Спивак А.И. Механика горных пород / А. И. Спивак. - М.: Недра, 1
Новости и инфо для студентов