рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры
- Раздел Философия
- /
- НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА
Реферат Курсовая Конспект
НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА
НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА - раздел Философия, Івано-Франківський Національний Технічний ...
Івано-Франківський національний технічний
Університет нафти і газу
І.С. Васько
НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Івано-Франківський національний технічний
Університет нафти і газу
Кафедра буріння нафтових і газових свердловин
І.С. Васько
НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
для студентів напряму підготовки "нафтогазова справа"
спеціальності "Буріння та освоєння нафтових і газових свердловин"
Івано-Франківськ
МВ ********* – 2011
Васько І.С.Нафтогазова механіка: Конспект лекцій. - Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2011.− 167 с.
Конспект лекцій складено згідно з програмою курсу “Нафтогазова механіка” для студентів спеціалізації “Буріння випробування свердловин”. Призначений для самостійної роботи студентів денної і заочної форм навчання при вивченні навчальної дисципліни. Розглянуто елементи механіки суцільного середовища, властивості пластових флюїдів, а також властивості гірських порід з точки зору їх руйнування при бурінні і стійкості стінок гірничих виробок, роботу і зношування породоруйнівного інструменту. Розглянуто основні задачі буримості гірських порід.
Рецензенти:
Волобуєв А.І. – канд. техн. наук, доцент кафедри буріння нафтових і газових свердловин ІФНТУНГ;
Тершак Б.А. – канд. техн. наук, заступник директора НДПІ ВАТ “Укрнафта” з будівництва свердловин.
Голова навчально-методичного
об’єднання спеціальності “Буріння ” Я.С. Коцкулич
Завідувач кафедри буріння
нафтових і газових свердловин Я.С. Коцкулич
Член експертно-рецензійної
комісії університету А.І.Волобуєв
Нормоконтролер Г.Я. Онуфрик
Коректор Н.Ф. Будуйкевич
Інженер І категорії Н.В. Мирка
Рекомендовано методичною радою університету
від __________ 2011 р., протокол № ____.
© Васько І.С,
© ІФНТУНГ, 2011
МВ ********* – 2011
Васько І.С.Нафтогазова механіка: Конспект лекцій. - Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2010.− 167 с.
Конспект лекцій складено згідно з програмою курсу “Нафтогазова механіка” для студентів спеціалізації “Буріння випробування свердловин”. Призначений для самостійної роботи студентів денної і заочної форм навчання при вивченні навчальної дисципліни. Розглянуто елементи механіки суцільного середовища, властивості пластових флюїдів, а також властивості гірських порід з точки зору їх руйнування при бурінні і стійкості стінок гірничих виробок, роботу і зношування породоруйнівного інструменту. Розглянуто основні задачі буримості гірських порід.
Рецензенти:
Волобуєв А.І. – канд. техн. наук, доцент кафедри буріння нафтових і газових свердловин ІФНТУНГ;
Тершак Б.А. – канд. техн. наук, заступник директора НДПІ ВАТ “Укрнафта” з будівництва свердловин.
Рекомендовано методичною радою університету
від __________ 2011 р., протокол № ____.
© Васько І.С,
© ІФНТУНГ, 2011
ЗМІСТ
| 1 Предмет і методи дисципліни “Механіка гірських порід ” ............................................................................... | |
| 2 Загальні відомості про будову Землі................................. | |
| 3 Будова гірських порід ....................................................... | |
| 3.1 Загальна систематика гірських порід......................... | |
| 3.2 Петрографічні особливості будови гірських порід.............................................................................. | |
| 3.3 Неоднорідність гірських порід................................... | |
| 4 Пластові флюїди.................................................................. | |
| 4.1 Загальна характеристика пластових флюїдів............ | |
| 4.2 Фізичні властивості пластових флюїдів.................... | |
| 4.3 Молекулярно-поверхневі явища в пористому середовищі..................................................................... | |
| 5 Елементи механіки суцільних середовищ......................... | |
| 5.1 Напруження і деформації суцільних середовищ...... | |
| 5.2 Основні рівняння механіки суцільних середовищ... | |
| 5.3 Математична постановка задачі механіки суцільних середовищ................................................... | |
| 5.4 Рівняння напружено-деформованого стану твердих тіл.................................................................... | |
| 5.5 Теорії міцності.............................................................. | |
| 5.6 Основні поняття теорії фільтрації.............................. | |
| 6 Фізичні властивості гірських порід.................................... | |
| 6.1 Класифікація фізичних властивостей гірських порід.............................................................. | |
| 6.2 Гравітаційні властивості............................................. | |
| 6.3 Механічні властивості................................................. | |
| 7 Напружений стан гірських порід в умовах природного залягання......................................................... |
| 8 Напружений стан гірських порід довкола бурової свердловини........................................................... | |
| 8.1 Механізм проявлення гірського тиску....................... | |
| 8.2 Термічні напруження в гірських породах................. | |
| 8.3 Гідродинамічні коливання тиску............................... | |
| 8.4 Умови стійкості стінок свердловини......................... | |
| 8.5 Гідророзрив пласта...................................................... | |
| 8.6 Вплив свердловини на деформування гірських порід на стінках свердловини...................................... | |
| 8.7 Прояв в’язкісних властивостей гірських порід......... | |
| 9 Енергетичні закони руйнування (диспергування) крихких тіл........................................................................... | |
| 10 Закономірності руйнування і показники механічних властивостей гірських порід при втискуванні............... | |
| 10.1 Основні схеми взаємодії елементів озброєння долота з породою...................................................... | |
| 10.2 Фізичні явища при руйнуванні гірських порід....... | |
| 10.3 Напружений стани гірських порід при втискуванні................................................................. | |
| 10.4 Втискування плоского циліндричного індентора..................................................................... | |
| 10.5 Втискування сферичного індентора........................ | |
| 10.6 Втискування інденторів різної форми..................... | |
| 10.7 Механізм руйнування гірських порід при втискуванні інденторів............................................... | |
| 10.8 Вплив дотичного навантаження на розподіл напружень в гірських породах.................................. | |
| 10.9 Визначення показників механічних властивостей гірських порід методом статичного втискування штампа.............................. | |
| 10.10 Класифікація гірських порід................................... | |
| 11 Руйнування гірських порід при динамічному втискуванні................................ ........................................ | |
| 11.1 Основні принципи і схеми вивчення динамічного деформування і руйнування гірських порід............................................................. | |
| 11.2 Руйнування гірських порід при динамічному втискуванні................................................................. | |
| 11.3 Взаємозв’язок характеристик порід, визначених при статичному і динамічному втискуванні............ | |
| 12 Абразивність гірських порід............................................ | |
| 12.1 Основні поняття про зношування металів та абразивність гірських порід................................ | |
| 12.2 Фактори, що впливають на абразивність гірських порід............................................................. | |
| 12.3 Методи і схеми вивчення зношування металів при взаємодії з гірською породою.......................... | |
| 13 Буримість гірських порід.................................................. | |
| Перелік рекомендованих джерел..................................... |
Предмет і методи дисципліни
“НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА ”
Кожна область сучасної техніки і технології повинна мати відповідні науково-теоретичні основи. Гірнича наука є теоретичними основами гірничої справи.
Згідно визначення академіка М.В. Мельникова “під гірничою наукою розуміється сукупність знань про:
а) природні умови залягання родовищ корисних копалин і фізичні явища, що відбуваються в товщі гірських порід при спорудженні гірничих виробок;
б) технологічні способи видобутку і збагачення корисних копалин;
в) організацію виробництва, котра забезпечить економічну і безпечну розробку родовищ ”.
Однією з фундаментальних частин гірничої науки як системи знань, на якій базується технологія гірничого виробництва, є нафтогазова механіка. Вона вивчає елементи механіки суцільного середовища, умови залягання і властивості пластових флюїдів, а також властивості гірських порід.
Складовою і базовою частиною нафтогазової механіки є механіка гірських порід. Виходячи з того, що поділ усіх галузей науки на фундаментальні і прикладні є відносним, механіку гірських порід слід розглядати як один з фундаментальних розділів гірничої науки; одночасно вона є прикладним розділом механіки взагалі.
Механіка гірських порід – це наука про міцність, стійкість і деформування гірських порід, гірничотехнічних об’єктів і споруд в полі природних і спричинених гірничими роботами сил гірського тиску а також про процеси механічного руйнування гірських порід.
Є і таке визначення наукової дисципліни “Механіка гірських порід ”: Це наука про механічні властивості гірських порід, закономірності їх зміни при дії тих чи інших факторів.
Деякі фахівці, вважають, що коло питань, пов’язаних з руйнуванням гірських порід слід відносити до розділу фізики руйнування гірських порід. Однак, ми в курсі “Нафтогазова механіка ” будемо розглядати і теоретичні основи руйнування порід.
Основним об’єктом вивчення механіки гірських порід є гірська порода, а точніше – механічні процеси, що відбуваються в масиві гірських порід.
За геологічним словником гірські породи – це природні мінеральні агрегати певного складу і будови, котрі утворюють в земній корі самостійні тіла.
В літературі зустрічається ще і таке визначення:гірські породи – це багатокомпонентні гетерогенні системи, котрі містять тверду, рідку і газоподібну фази..
В свою чергу, мінерали– це природні речовини приблизно однорідні за хімічним складом і фізичними властивостями, що є продуктами фізико-хімічних процесів у земній корі.
Слід відзначити, що мінеральні зерна, з яких складаються породи мають неправильну форму через стіснені умови їх зростання. Такі мінеральні частини називають кристалітами на відміну від кристалів, форма яких правильна. Переважна більшість мінералів – тверді кристалічні тіла. Рідше вони можуть бути аморфними.
Нафтогазова механіка досить специфічна наука і відрізняється від інших розділів класичної механіки.
Це зумовлено, по-перше, особливостями гірських порід, механічні властивості яких неоднорідні.
По-друге, механічні і геометричні схеми задач нафтогазової механіки суттєво відрізняються від схем класичних задач теорій пружності, пластичності, типових задач будівельної механіки, машинобудування та інших суміжних областей науки.
Як правило, в нафтогазовій механіці доводиться розглядати тримірні задачі, котрі не завжди можна звести до плоских задач теорії пружності. Крім того, деформації гірських порід лише в обмеженому діапазоні відповідають закономірностям теорії пружності. Суттєву роль в ряді задач, що стоять перед механікою гірських порід, відіграють реологічні процеси, тобто процеси, пов’язані з деформаціями порід в часі.
На кінець, нафтогазова механіка стикається з широким класом задач, що вивчають деформування масивів порід не лише за межами пружних і пластичних деформацій, але і після розриву суцільності порід, що не зустрічається в інших розділах механіки.
В зв’язку з цим, загальна методологія нафтогазової механіки полягає в широкому використанні і аналізі натурних спостережень з одночасним залученням методів і прийомів моделювання і аналітичних досліджень на базі теоретичних положень з основних розділів сучасної механіки, математичних і фізичних аналогій.
2 ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО БУДОВУ ЗЕМЛІ
На сьогодні гірничі роботи проводять на глибинах до 1000÷1500 м. В Європі є деякі копальні, глибина яких сягає близько 2000 м, в ПАР та Індії на окремих рудниках розробку провадять на глибинах понад 3000÷3500 м. Нафту і газ добувають з глибин до 6000÷7000 м. Найглибші опорні свердловини досягають глибини 9000 м. Реалізовано кілька проектів буріння до глибини 15 000 м.
Наведені факти дають уяву про глибини експлуатації земних надр, яких людство досягло сьогодні і зможе досягнути в найближчі десятиліття. Ці глибини знаходяться в межах верхньої частини земної кори, грубизна якої мізерна порівняно з розмірами Землі (нагадаємо, що екваторіальний радіус Землі 6378 км, полярний радіус – 6358 км). Однак, напружений стан земної кори в цілому і у верхній її частині, котра є предметом вивчення механіки гірських порід, тісно пов’язаний з глибинною будовою і розвитком Землі, вивченням яких займається геотектоніка.
За сучасними уявленнями Земля складається з концентричних оболонок, або геосфер (рис. 1). Зовнішніми оболонками є газова (атмосфера) й водна (гідросфера). З цими оболонками межує земна кора, грубизна якої змінюється від 5 до 15 км під океанами і до 60÷80 км під гірськими районами. Розрізняють континентальну кору (складається з осадового, “гранітно-метаморфічного ” і “базальтового ” шарів) і океанічну кору (гранітний шар відсутній або має незначну грубизну). Земна кора складається з кисню (47,2 % за вагою), кремнію (27,6 %), алюмінію, заліза, кальцію, натрію, калію, магнію й водню, які разом становлять близько 99% її ваги. В земній корі зосереджена переважна частина корисних копалин.
Земна кора відділена поверхнею Мохоровичича від мантії Землі, яка простягається до глибини 2900 км. В межах останньої виділяють верхню і нижню мантію. Верхня частина мантії називається субстратом. Субстрат разом з земною корою утворює літосферу.
Нижня частина верхньої мантії – астеносфера, або шар порід з пониженою швидкістю розповсюдження сейсмічних хвиль. Блоки літосфери плавають у в’язко-пластичній речовині астеносфери.
За сучасними уявленнями склад мантії близький до складу кам’яних метеоритів – у ній переважають кисень, кремній, магній, залізо.
На глибині 2900 км міститься ядро Землі, радіус якого становить близько 3500 км. у його складі виділяють суб’ядро (тверде ядро) радіусом 1300 км та зовнішнє рідке ядро.
Глибинні шари Землі нагріті більше, ніж поверхневі. Головним джерелом внутрішнього тепла Землі є розпад радіоактивних елементів у її надрах.
Тектонічна будова літосфери досить складна. Літосфера складається із структурних елементів різних порядків – так званих глибинних і корових тектонічних структур.
Глибинними структурами першого порядку є континенти і океанічні області кори.
Глибинні структури другого порядку – це рухомі геосинклінальні пояси і відносно нерухомі платформи.
Перераховані вище структури називають планетарними.
Тектонічні структури нижчих порядків – третього і четвертого – називають регіональними.
Особливе значення в тектонічній будові і розвитку земної кори мають глибинні розломи, які є первинними елементами будови земної кори. Глибинні розломи і розриви земної кори є тими природними швами, по яких протягом усієї геологічної історії Землі безперервно відбуваються тектонічні рухи. Останні поділяють на такі типи:
а) пульсації або загальні коливання;
б) загальні підняття і опускання;
в) хвильові рухи;
г) складчасті і блокові рухи.
Причинами тектонічних рухів і деформацій земної кори і пов’язаними з цим тектонічними силами за уявленнями академіка Пейве можуть бути речовинна, теплова, густинна і механічна неоднорідність земної кори і верхньої мантії, непостійність швидкості обертання Землі, нутація і прецесія її осі.
Отже, головна концепція сучасної механіки гірських порід полягає в тому, що напружений стан земної кори в цілому і у верхній її частині зокрема визначається дією двох незалежних силових полів. Одне з них – гравітаційне поле – зумовлене дією земного тяжіння. Друге – тектонічне поле – зумовлене нерівномірним розподілом в просторі швидкості тектонічних рухів і швидкості деформації земної кори, тобто наявністю градієнта тектонічних рухів.
Будова гірських порід
Загальна систематика гірських порід
- магматичні або вивержені; - осадові; - метаморфічні.Петрографічні особливості будови гірських порід
Можна виділити кілька найважливіших груп породоутворюючих мінералів, які суттєво, при чому по-різному впливають на механічні властивості порід: а) кварцові мінерали – кварц, кремінь, халцедон та ін.; б) силікатні мінерали – польовий шпат, амфібол, піроксен, слюда,Неоднорідність гірських порід
Тіла, що мають однакові показники властивостей в усіх напрямах називають ізотропними. Породи впорядкованих текстур є, як правило, анізотропними. Властивості порід… Через те, що більшість осадових гірських порід є полімінеральними, і, як правило, ніяких закономірностей в розподілі…Пластові Флюїди
Загальна характеристика пластових флюїдів
Нафта − це суміш різних вуглеводневих та не вуглеводневих (гетероатомних) сполук. У нафті присутні вуглеводні метанового, нафтенового і… Метанові або парафінові вуглеводні (СпН2п+2) представлені газами (СН4, С2Н6,… Нафтенові вуглеводні (поліметиленові, циклопарафіни, циклани) мають циклічну будову. Прості моноциклічні сполуки мають…Фізичні властивості пластових флюїдів
Фізичні властивості нафти − густина, коефіцієнт об’ємного стиснення, реологічні властивості та ін.
Густина нафти − один із головних показників її товарної якості. Густина нафти визначається її складом і при стандартних умовах (температурі 20 °С і атмосферному тиску) перебуває у межах 760−1000 кг/м3. Рідко зустрічаються нафти з густиною, що виходить за ці межі.
Густину нафти в лабораторних умовах вимірюють за допомогою нафтоденсиметрів і пікнометрів при стандартних умовах. Вимірювання густини пікнометрами є точнішим.
Через те, що нафта містить розчинені гази в пластових умовах, її густина менша, ніж на поверхні.
Коефіцієнт об’ємного стиснення нафти
b змінюється в межах (4¸70)×10-10 Па-1. Стисливість нафти в значній мірі залежить від температури, тиску і кількості розчиненого газу. … Реологічні властивості нафти характеризують залежність між деформаціями і… Ньютона ; (4.2)Молекулярно-поверхневі явища в пористому
Середовищі
Тріщинні колектори формуються системою тріщин, які виникають переважно в карбонатних породах. Чисто тріщинних колекторів немає, тому колектори, які… Площа поверхні порових каналів і тріщин порід-колекто-рів є досить великою… Поверхневий натяг − результат незрівноваженої взаємодії молекулярних сил на межі розділу двох фаз і визначається…Елементи механіки суцільних середовищ
Напруження і деформації суцільних середовищ
Суцільне середовище – це гіпотетичне середовище, яке може під дією навантажень як завгодно змінювати свою форму (деформуватись), не втрачаючи при… Методи механіки суцільних середовищ широко застосовують в інженерній практиці… Зовнішні сили, які діють на тіло (середовище), що розглядається, поділяються на поверхневі та об’ємні.Деформації суцільного середовища
Деформація середовища характеризується…Основні рівняння механіки суцільних середовищ
Система рівнянь, яка описує напружений стан і деформацію суцільних середовищ, включає фундаментальні рівняння руху, неперервності енергії, а також рівняння реології і стану. Фундаментальні рівняння базуються на законах ньютонівської механіки і є необхідними, а рівняння реології і стану замикають їх і утворюють необхідну і достатню систему рівнянь для розв’язку задач механіки суцільних середовищ.
Рівняння руху
У загальному випадку на даний об’єм діють: об’ємні силиз вектором прискорень а, поверхневі силиз вектором напружень tS ,Рівняння неперервності
, де перша складова характеризує зміну маси в довільно вибраному об’ємі V, а… У диференціальній формі рівняння неперервності має такий вигляд:Рівняння реології
Реологічна модель абсолютно пружного тіла ґрунтується на припущенні, що напруження в будь-якій точці суцільного середовища в довільний момент часу… (5.21) де E, G – модуль пружності при розтягу (стисненні) та зсуву;Рівняння стану
(5.31) і визначаються, як правило, на основі експериментальних даних. У (1.32)… На практиці до рівнянь стану належить залежність густини від параметрів стану. При цьому впливом умов на інші…Математична постановка задачі механіки
Суцільних середовищ
Включає вибір системи рівнянь та підготовку додаткових умов, яким має задовольняти розв’язок задачі на границях області її визначення. Додаткові… Початкові умови задають у випадку, коли сформульована задача є нестаціонарною.… .Рівняння напружено-деформованого стану
Твердих тіл
Рівняння теорії пружності
(5.33) де ax , ay, az – проекції вектора прискорень об’ємних сил на відповідні координатні осі.Рівняння теорії пластичності
Для загального випадку навантаження тіло можна поділити на дві частини, в одній з яких діють тільки пружні деформації, а в іншій – пластичні. При… Критерій Сен-Венана – Леві сформульований на припущенні, що пластичний стан… , (5.37)Рівняння напружено-деформованого стану пористих гірських порід
Якщо приділяти увагу деформації матеріалу пористого середовища, то необхідно використовувати поняття істинних напружень, які виникають безпосередньо… (5.40) Поняття ефективних і нейтральних напружень були введені К. Терцагі для м’яких ґрунтів і поширюються на водонасичені…Теорії міцності
Теорії міцності обґрунтовують можливість використання результатів модельних випробувань матеріалів на міцність при простих видах навантажень у… Існує ряд теорій міцності, в основу яких покладені різні гіпотези руйнування… Перша теорія міцності ґрунтується на припущенні, що причиною руйнування матеріалу є відрив і він руйнується внаслідок…Основні поняття теорії фільтрації
Пустоти пористого середовища можуть заповнюватися різними фазами – нафтою, водою, газом. Насиченість порового простору гірської породи характеризується коефіцієнтами… Рух рідин або газу в пористих породах внаслідок перепаду тиску називають фільтрацією. Потік рідини або газу в…A – емпіричний коефіцієнт (для пісківa=0,015 –0,018 ).
. Пропускна здатність пористого середовища для конкретної фази визначається… ,Фізичні властивості гірських порід
Класифікація фізичних властивостей
Гірських порід
За головну ознаку класифікації фізичних властивостей порід прийняті зовнішні поля, у взаємодії з якими ці властивості проявляються. За цією ознакою… ¾ гравітаційні; ¾ механічні;Гравітаційні властивості
Гравітаційні властивості гірських порід проявляються в результаті дії гравітаційного поля Землі. Їх можна розділити на дві групи:
а) власне гравітаційні;
б) структурні.
До гравітаційних властивостей відносять питому g0 і об’ємну g вагу порід, до структурних – їх питому масу або мінералогічну густину r0 і густину (об’ємну масу) r, абсолютну П і відкриту пористість П0.
Таблиця 6.1 – Класифікація фізичних властивостей гірських порід
(6.1) де Gт і Vт – вага і об’єм твердої фази зразка гірської породи відповідно.Механічні властивості
Механічні властивості характеризують поведінку гірських порід в різних механічних силових полях. Їх поділяють на ряд груп:
а) міцнісні, що характеризують граничний опір порід різного виду навантаженням;
б) деформаційні, що характеризують здатність порід деформуватися під дією навантаження:
– пружні, що характеризують здатність порід пружно деформуватися під навантаженням;
– пластичні, що характеризують незворотне залишкове деформування порід.
в) реологічні,що характеризують деформування порід в часі при заданих умовах навантаження;
г) акустичні, що характеризують умови передачі породами пружних коливань.
Міцнісні властивості
Вона характеризується межею міцності при стиску і розтягу, зчепленням і кутом внутрішнього тертя. Межею міцності s називають напруження, при якому зразок руйнується: (6.7)НАПРУЖЕНИЙ СТАН ГІРСЬКИХ ПОРІД
В УМОВАХ ПРИРОДНОГО ЗАЛЯГАННЯ
Розглянемо випадок, коли напружений стан масиву порід зумовлений лише гравітаційними силами, тобто дією ваги порід, розташованих над розглядуваною… Замінимо дію відкинутих частин масиву… З умови рівноваги елементарного куба можна записати, щоНАПРУЖЕНИЙ СТАН ГІРСЬКИХ ПОРІД
ДОВКОЛА БУРОВОЇ СВЕРДЛОВИНИ
Механізм проявлення гірського тиску
Насамперед змалюємо фізичну картину механізму проявлення гірського тиску в масиві порід довкола пробуреної свердловини. Початкові умови можна… Гірські породи масиву зажди знаходяться в напруженому стані, кількісною мірою… Напружений стан гірських порід пов’язаний з певним запасом потенціальної пружної енергії, кількість якої пропорційна…Термічні напруження в гірських породах
Рівняння для розрахунку термопружних напружень для випадкумають такий вигляд: (8.4) (8.5)Гідродинамічні коливання тиску
Оскільки зміна гідродинамічного тиску не впливає на геостатичний тиск: . (8.8) Радіальні і кільцеві напруження визначають з рівнянь:Умови стійкості стінок свердловини
(8.13) де ss – межа текучості гірської породи при одноосьовому стиску. Для того, щоб не допустити втрати стійкості гірських порід на, потрібно відповідно підібрати тиск у свердловині. А…Гідророзрив пласта
Спочатку тиск монотонно зростає до певної величини Kкр, а потім зменшується і надалі залишається постійним (цей тиск називають тиском нагнітання pП… У випадку гідророзриву на стінках свердловини повинні бути розтягуючі… При пружному розподілі напружень довкола свердловини розтягуючими можуть бути лише тангенціальні напруження .Вплив свердловини на деформування гірських
Порід на стінках свердловини
Механізм дії рідкого середовища на тверді тіла вивчався академіком Ребіндером П.А. та його учнями. Встановлено, що зміна процесів деформування і… За ступенем змочування усі тверді тіла поділяють на дві групи – гідрофільні і… Гідрофільні тілакраще змочуються водою, а гідрофобні – краще змочуються вуглеводневими рідинами. Майже усі гірські…Прояв в’язкісних властивостей гірських порід
В загальному випадку деформація і швидкість деформування порід залежать від величини напружень і швидкості їх зміни, часу дії напружень,… Співак і Попов експериментально вивчали повзучість порід приствольної зони… Повзучість глинистих гірських порід спостерігається практично при будь-якому нерівномірному напруженому стані. У…Енергетичні закони руйнування (диспергування) крихких тіл
За законом Ріттінгера (1867 р.) “робота, витрачена при подрібненні, пропорційна заново отриманій (оголеній) поверхні подрібненого матеріалу або… За законом Кірпічова (1874 р.) “енергія, необхідна для однакової зміни форми… Цей закон інколи називають законом подібності і формулюють іншими словами: „енергія, що витрачається на подрібнення…Рисунок 9.1 − Залежність роботи руйнування від дисперсності
Продуктів руйнування
В зв’язку з цим Шрейнер Л.А. показав, що у випадку використання закону подібності потрібно враховувати масштабний фактор, тобто необхідно… Роботу руйнування одиниці об’єму за законом Кірпічова можна представити так: … (9.4)Закономірності руйнування І ПОКАЗНИКИ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ГІРСЬКИХ ПОРІД ПРИ ВТИСКУВАННІ
Основні схеми взаємодії елементів озброєння
Долота з породою
За принципом взаємодії з гірською породою усі механічні породоруйнуючі інструменти для буріння свердловин можна розділити на три класи:… Схема взаємодії ріжуче-сколюючого інструменту з гірською породою показана на… За другою схемою (рис. 10.1, б) долото дроблячої дії здійснює прямі удари по поверхні вибою свердловини. Динамічний…Фізичні явища при руйнуванні гірських порід
Руйнування виникає не одночасно по всій поверхні, як це приймають в теоретичних розрахунках, а поступово, послідовно і починається з того місця, де… При руйнуванні на відрив спостерігаються дві зони поверхні розриву – шорстка і… Послідовність руйнування при сколюванні, зсуві і зрізові, в принципі, така ж, як і при відриві.Напружений стани гірських порід при втискуванні
Елементи озброєння сучасних доліт можуть мати різну конфігурацію робочої поверхні. В одних випадках – це різці з плоскою або заокругленою поверхнею… 1) розподіл напружень при втискуванні індентора з плоскою робочою поверхнею; … 2) розподіл напружень при втискуванні індентора зі сферичною робочою поверхнею;Рисунок 10.3 − Розрахункова схема до задачі Буссінеска
Нехай сила прикладена нормально до поверхні в точці О. Згідно теорії Буссінеска радіальні напруження sR в масиві, зумовлені дією сили P, можна визначити так:
(10.4)
де 
.
Вертикальну складову цих напружень sN знаходять з виразу:
(10.5)
де 
Не вдаючись до детального аналізу і розв’язку сформульованої задачі зупинимося на практичних висновках, які випливають з неї.
1 Якщо через точку прикладення зосередженої сили і деяку точку пружного на півпростору провести сферу з центром на лінії дії прикладеної сили, то в будь-якій точці на сфері буде діяти рівна за модулем реакція 
, спрямована в точку прикладення зусилля.
2 Складові реакції нормальна 
і тангенціальна 
мають різні співвідношення, величина яких залежить від положення точки на сфері. На осі симетрії при b=0 всі нормальні напруження стискуючі, тобто при дії зосередженої сили має місце усесторонній стиск:
3 З формули (10.4) випливає, що поблизу точки прикладення сили стискуючі напруження прямують до безмежності. Тому ця формула справедлива лише на деякій відстані від точки прикладення сили. Розміри області, для якої формула неадекватна, можуть бути визначені з теорії пластичності.
4 Якщо на пружний півпростір діє кілька зосереджених сил, загальна реакція в будь-якій точці півпростору є геометричною сумою реакцій від кожної сили зокрема. Тангенціальні складові окремих реакцій можуть взаємно компенсуватися, нормальні ж складові завжди сумуються, збільшуючи силу відриву (див. рис. 10.4).
Рисунок 10.4 − Розподіл напружень при дії двох зосереджених сил
Втискування плоского циліндричного індентора
Задача осесиметрична, тому її розв’язок дається в циліндричних координатах (задача Чаплигіна–Садовського). Розподіл тиску по площі круга описується рівнянням , (10.6) (а – радіус штампа).Втискування сферичного індентора
При відсутності навантаження сфера контактує з поверхнею твердого тіла в точці. Із збільшенням навантаження на сферу формується кругова площадка… Радіус площадки контакту дорівнює , (10.10)Втискування інденторів різної форми
(10.14) Розподіл інтенсивності дотичних напружень під стрічкою аналогічний розподілу… Тепер зупинимось на особливостях втискування жорсткого циліндра по твірній поверхні. В загальному випадку криволінійна…Механізм руйнування гірських порід при
Втискуванні інденторів
Як встановлено у 10.4, в процесі втискування плоского індентора в породу граничний стан може бути досягнутий в двох екстремальних зонах: на контурі… Відповідно до першого механізму руйнування (Р.М. Ейгелес) при деякому…Вплив дотичного навантаження на розподіл
Напружень в гірських породах
За результатами розрахунків у відносних величинах видно, що при наявності… Аналогічний розрахунок напруженого стану в півпросторі було виконано і для випадку втискування безкінечного циліндра…Визначення показників механічних властивостей гірських порід методом статичного втискування штампа
Шрейнер Л.А., аналізуючи методи, запропоновані для вимірювання опору гірських порі втискуванню, і методи визначення твердості втискуванням прийшов… Суть висновків Шрейнера Л.А. зводиться до наступного. Якщо для визначення… Метод втискування штампа дає змогу не тільки визначати твердість гірських порід, але й оцінювати їх пружні і пластичні…Класифікація гірських порід
За результатами експериментального дослідження властивостей гірських порід при втискуванні штампа у значну кількість зразків гірських порід було… Класифікаційна шкала за твердістю. Усі породи за твердістю за штампом… До І групи переважно належать породи сильно пластичні і дуже пористі. З порід, що зустрічаються при бурінні нафтових і…Таблиця 10.1 – Класифікація гірських порід за твердістю
Таблиця 10.2 – Класифікація гірських порід за модулем Юнга
| Категорія | |||||||
| Коефіцієнт пластичності | 1-2 | 2-3 | 3-4 | 4-6 | |||
| Клас порід | пружно-крихкі | пружно-пластичні | сильно пластичні і дуже пористі | ||||
Таблиця 10.3 – Класифікація гірських порід за пластичністю
| Категорія | ||||||||
| Модуль Юнга, МПа | <2500 | 2500- | - | 10000- | 25000- | 50000- | 75000- | >100000 |
РУЙНУВАННЯ ГІРСЬКИХ ПОРІД ПРИ ДИНАМІЧНОМУ ВТИСКУВАННІ
Основні принципи і схеми вивчення динамічного
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,… З точки зору буріння слід вивчати динамічне прикладення навантаження з боку… При експериментальному вивченні динамічного деформування і руйнування порід застосовуються принципи наближеного…Руйнування гірських порід при
Динамічному втискуванні
, (11.10) де U – потенціальна енергія ударника; m – маса ударника;Взаємозв’язок характеристик порід, визначених при статичному і динамічному втискуванні
Річ у тім, що при динамічному втискуванні залежно від енергії удару можна послідовно отримати ряд форм руйнування, а порівняння можна провадити лише… Результати динамічних випробувань доцільно представляти у відносних величинах… Величини pш, V, і А0 визначені за методикою стандартних випробувань при статичному втискуванні штампа. З рис. 11.4…АБРАЗИВНІСТЬ ГІРСЬКИХ ПОРІД
Основні поняття про зношування металів
Та абразивність гірських порід
Під процесом зношування розуміють поступову зміну форми і розмірів деталі чи інструменту в процесі роботи. Зношування не слід ототожнювати з… В.Д. Кузнєцов, проаналізувавши поняття, визначення і терміни в області… Зношування – це таке явище, коли при витраті енергії, рівній за величиною роботі сил тертя, з поверхні твердого тіла…Фактори, що впливають на абразивність
Гірських порід
Усі фактори, які впливають на процес абразивного зношування, можна умовно розділити натри групи: природні, технічні і технологічні. Головними природними факторами є мікротвердість породоутворюючих мінералів;… Абразивність породи із збільшенням мікротвердості складових мінералів в цілому зростає. Однак, якщо внутрішня…Методи і схеми вивчення зношування металів
При взаємодії з гірською породою
На сьогодні при лабораторному вивченні абразивного зношування металів при їх контакті з гірською породою застосовують такі основні схеми (рис.… 1 Схема буріння-різання (рис. 12.1, а). Цю схему використовували при вивченні… 2 Схема свердління або стирання еталонних стержнів (рис. 12.1, б). Використовують виключно для оцінки абразивності…БУРИМІСТЬ ГІРСЬКИХ ПОРІД
Буримість гірських порід – це їх здатність руйнуватися у вибійних умовах. Буримість визначається сукупністю геологічних і техніко-технологічних факторів… Основні геологічні фактори – літологічний склад, механічні властивості, неоднорідність гірських порід і пластовий…Рисунок 13.2 − Залежність механічної швидкості буріння від швидкості обертання долота
Однак, є ще один фактор, який проявляє себе при високих швидкостях обертання − часовий фактор. Справа в тім, що із збільшенням швидкості обертання долота і, відповідно, його шарошок, час контакту зуба долота з породою зменшується. Для кожної породи існує свій критичний час контакту, необхідний для того, щоб вся енергія удару була реалізована для деформації і руйнування породи. Якщо час контакту зуба з породою, визначений конструктивними особливостями долота і швидкістю його обертання, менший за критичний, то на руйнування реалізується лише частина підведеної енергії, і механічна швидкість буріння зменшується.
Із збільшенням витрати бурового розчину механічна швидкість буріння спочатку зростає до певної величини, а потім стабілізується ( рис. 13.3, крива 1). Це пояснюється тим, що при достатній витраті розчину уся зруйнована порода миттєво вилучається із зони руйнування.
Викладене вище справедливо для експерименту на стенді, де над вибоєм немає гідростатичного тиску стовпа рідини. Із збільшенням продуктивності бурових насосів гідродинамічна складова буде зростати, збільшуючи пригнічуючий тиск на вибій, а швидкість буріння, відповідно, зменшуватися ( лінія 2).
Рисунок 13.3 − Залежність механічної швидкості буріння від швидкості обертання долота
Але у свердловині тиск на вибій складається з двох складових: гідростатичної і гідродинамічної. Із збільшенням продуктивності бурових насосів гідродинамічна складова буде зростати, збільшуючи пригнічуючий тиск на вибій, а швидкість буріння, відповідно, зменшуватися ( лінія 2).
Розглянемо такий експеримент: при постійній витраті бурового розчину збільшують швидкість витікання рідини з промивальних отворів долота за рахунок зменшення їх діаметра. При цьому швидкість буріння зросте за рахунок гідромоніторної дії долота: високошвидкісний струмінь промивальної рідини при ударі об вибій створює додатковий гідродинамічний тиск. Якщо його величина більша за твердість породи, то можливе руйнування останньої без контакту з озброєнням долота. В будь-якому випадку, гідромоніторний ефект сприяє швидшому розкриттю тріщин і руйнуванню породи.
Як видно з вище викладеного, на буримість породи впливає цілий ряд факторів, що діють одночасно і взаємопов’язано. Звідси зрозумілі труднощі об’єктивної і однозначно точної оцінки показника буримості.
Розглянемо один з найперспективніших методів визначення інтервалів однакової буримості. Суть його полягає у тому, що за результатами буріння, а саме – за даними карток відробки доліт, будуються графіки буріння свердловини в координатах “ глибина свердловини − час механічного буріння ”. На цих графіках виділяються характерні ділянки, на яких нахил кривої стосовно осей координат є відносно незмінним. Тангенс кута нахилу на графіку пропорційний середній за рейс механічній швидкості буріння. Таким чином, виділені ділянки є інтервалами приблизно рівних швидкостей буріння. Для виділення певного інтервалу в літологічному розрізі потрібно ідентифікувати його в декількох свердловинах, причому це слід робити не за абсолютними значеннями механічної швидкості, а за характером її зміни (з меншої на більшу чи навпаки).
ПЕРЕЛІК РЕКОМЕНДОВАНИХ ДЖЕРЕЛ
2 Спивак А.И. Механика горных пород / А. И. Спивак. - М.: Недра, 1967. − 192 с. 3 Коцкулич Я. С. Буріння нафтових і газових свердловин: Підручник / Я. С.… 4 Турчанинов И. А. Основы механики горных пород / И. А. Турчанинов, М. А. Иофис, Е. В. Каспарьянц. – Ленинград: Недра,…– Конец работы –
Используемые теги: нафтогазова, механіка0.051
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Реклама
Информация в виде рефератов, конспектов, лекций, курсовых и дипломных работ имеют своего автора, которому принадлежат права. Поэтому, прежде чем использовать какую либо информацию с этого сайта, убедитесь, что этим Вы не нарушаете чье либо право.
© copyright 1999 - 2024 allRefs.net. Все права защищены. Страница сгенерирована за: 0.121 сек.
Новости и инфо для студентов