Механізм проявлення гірського тиску - раздел Философия, НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА Розкриття Масиву Гірських Порід Свердловиною Суттєво Змі...
Розкриття масиву гірських порід свердловиною суттєво змінює їх напружений стан, оскільки тиск у свердловині, як правило, менший за боковий тиск порід. Стінки свердловини тривалий час залишаються незакріпленими і сприймають як змінні навантаження, так і фізико-хімічну дію промивної рідини, що заповнює свердловину. Ці фактори негативно впливають на стійкість гірських порід, що складають стінки свердловини, і можуть спричинити до їх значного деформування і навіть обвалювання. Із зростанням глибини свердловини ця проблема постає більш гостро.
Насамперед змалюємо фізичну картину механізму проявлення гірського тиску в масиві порід довкола пробуреної свердловини. Початкові умови можна сформулювати так.
Гірські породи масиву зажди знаходяться в напруженому стані, кількісною мірою якого є гірський тиск. Основним фактором, що формує початкове поле напружень гірського масиву є сила земного тяжіння.
Напружений стан гірських порід пов’язаний з певним запасом потенціальної пружної енергії, кількість якої пропорційна об’єму і глибині залягання порід.
Переходячи з одного напруженого стану в інший, гірські породи або накопичують, або віддають енергію. В другому випадку виконується робота з деформування, тобто переміщення частинок породи в просторі. Ці переміщення можуть відбуватися або лише в межах пружної деформації, тобто коло стану рівноваги, або супроводжуватися незворотними деформаціями.
Гірські породи слід розглядати як квазіпластичний матеріал, тобто приймається, що їх незворотне деформування призводить до порушення суцільності: Утворюються мікро- і макротріщини, розриви; в межах пружних деформацій можуть виникати мікротріщини, які “заліковуються” при знятті навантажень. Робота з переміщення частинок породи в межах впливу свердловини призводить до зменшення потенціальної енергії пласта.
Вихідним для розв’язування більшості задач механіки гірських порід є уявлення про наявність в незайманому гірському масиві простого поля напружень – рівномірного усестороннього стиску. Якщо в процесі геологічного розвитку цей стан з якихось причин порушився, то за тривалий час внаслідок релаксації і квазіпластичного деформування рівноважний стан відновлюється.
Розкриття гірського масиву свердловиною порушує усталений стан ізостазії. Коло свердловини формується локальне негідростатичне силове поле з максимальною концентрацією напружень на її стінці. Перерозподіл раніше існуючих напружень коло гірничої виробки – фундаментальне положення теорії гірського тиску.
Нові напруження сприяють виникненню різко зорієнтованих деформацій. З точки зору порушень цілісності масиву найнебезпечнішими для гірських порід є розтягуючи і зсувні напруження. Якщо несуча здатність порід стає недостатньою, то коло свердловини формується деяка гранична область, де породи отримують увесь спектр квазіпластичних деформацій від в’язкопластичної течії до крихкого руйнування. В результаті утворення мікро- і макротріщин об’єм порід збільшується і вони переміщуються у свердловину. Відбувається розрядка пружної енергії пласта. Межа концентрації напружень може залишатися на стінці свердловини, якщо деформації мають характер повзучості, або пересуватися вглиб масиву, якщо деформації спричинюють руйнування породи.
Процеси перерозподілу напружень розвиваються в часі і відображають різні форми прояву гірського тиску. Ці процеси або закінчуються на стадії утворення нового поля напружень, коли деформації гірських порід залишаються пружними, або супроводжуються не пружними, пластичними деформаціями. Непружне квазіпластичне деформування залежно від визначальних факторів спричинює або утворенню каверн (пустот на стінках свердловини), або звуження стовбура свердловини. В окремому випадку рівноважний стан наступить лише тоді, коли в свердловину буде “витиснуто” об’єм породи, рівний різниці об’ємів породи в “граничній” зоні до і після переходу в граничний стан.
В ряді робіт розглядають різні аспекти напруженого стану гірських порід довкола свердловини.
Пружний розподіл напружень в гірських породах, розкритих свердловиною вперше теоретично було розкрито С.Г. Лехницьким (1938 р.). При розкритті масиву порід свердловиною з її боку має місце розвантаження порід. Для вертикальної свердловини задача осесиметрична відносно осі свердловини і розв’язана в циліндричних координатах. На рис. 8.1 подано розрахункову схему і умовні позначення.
Довкола вертикальної свердловини зміну напруженого стану порід можна описати такою системою рівнянь:
(8.1)
; (8.2)
, (8.3)
де gр – питома вага рідини у свердловині.
На рис. 8.2 показано розподіл пружних напружень у горизонтальному напрямі від осі свердловини як графіки залежності у відносних координатах.
Як видно з рис. 8.2 найбільша зміна напруженого стану порід має місце на стінці свердловини і зумовлена різницею між боковим тиском в гірських породах lgz і гідростатичним тиском рс=gрz. Вплив свердловини на напружений стан гірського масиву розповсюджується приблизно на відстань (3–5)rc від її центра.
Кільцеві напруження мають найбільші значення на контурі ствола і по мірі віддалення від свердловини зменшуються до величини РФ напруження в незайманому масиві.
Радіальні напруження навпаки збільшуються від значень, рівних тиску стовпа бурового розчину на контурі ствола, до початкових в незайманому масиві.
Для оцінки впливу свердловини на напруження в масиві порід введено поняття коефіцієнтів концентрації напружень:
– кільцевих
– радіальних .
На відстані приблизно (5÷6)rc вказані коефіцієнти стають практично рівними 1.
Із зменшенням гідростатичного тиску в свердловині r на стінці зменшуються радіальні sr і зростають тангенціальні напруження sq . Причому напруження sq гранично можуть перевищувати величину гірського тиску до двох разів (при gр=0 і l=1).
Якщо гірський масив втратив стійкість і утворилася гранична область, напруження розподіляються дещо інакше, як показано на рис 8.3.
Тут І позначено область залишкових деформацій (пластичного деформування чи крихкогоруйнування), ІІ – область пружного деформування масиву, ІІІ – незайманий гірський масив.
Величина коефіцієнта бокового розпору певним чином впливає на концентрацію напружень по головних напрямках. В породах, які мають менше значення l кільцеві напруження на контурі стовбура будуть більшими. Тому на стінках свердловини, що складені міцнішими породами (пісковики, вапняки, доломіти), слід очікувати більшу концентрацію напружень, чим на стінках, складених слабкішими породами (глинисті, соляні відклади).Представлені залежності зміни напруженого стану гірських порід отримано при величині коефіцієнта бокового розпору l=1.
Університет нафти і газу... І С Васько... НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Механізм проявлення гірського тиску
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
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.
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 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
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
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
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
Порід на стінках свердловини
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
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
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 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
Класифікація гірських порід
За результатами експериментального дослідження властивостей гірських порід при втискуванні штампа у значну кількість зразків гірських порід було створено кілька класифікаційних шкал
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
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
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
(8.1)
; (8.2)
, (8.3)
у відносних координатах.
Як видно з рис. 8.2 найбільша зміна напруженого стану порід має місце на стінці свердловини і зумовлена різницею між боковим тиском в гірських породах lgz і гідростатичним тиском рс=gрz. Вплив свердловини на напружений стан гірського масиву розповсюджується приблизно на відстань (3–5)rc від її центра.
.
Новости и инфо для студентов