Файл: Арцимович, Г. В. Влияние забойных условий и режима бурения на эффективность проходки глубоких скважин.pdf

телями в делом по скважине. Анализ показывает, что увеличение

глубины бурения в 2-,5 раза вызывает следующие изменения технико-экономических показателей: механическая скорость бурения снижается примерно в 3 раза,коммерческая—приблизи­ тельно в 3,5 раза, число долблений, необходимых для проводки

скважины, возрастает почти в 3 раза, время, необходимое для

выполнения спуско-подъемных операций,— почти в 10 раз.

Для выяснения общих причин, снижающих эффективность бурения на нижних горизонтах, обратимся к табл. 1 [14]. Материалы таблицы дают представление об изменении техниче­

ских показателей не в целом по скважине, а по отдельным ин­

тервалам, что весьма удобно для анализа. Еще раз можно убе­

диться в резком снижении механической скорости бурения и

проходки на долото. При этом, как и на рис. 2, интенсивность

снижения названных показателей особенно значительна в ин­

тервале от 0 до 1500—2000 м.

Анализ приведенных материалов позволяет констатировать,

что снижение производительности объясняется ухудшением

буримости горных пород с ростом глубин. Для установления

причин подобного явления необходимо исследовать физико­

механические характеристики пород и закономерности их из­

менения при соответствующих термодинамических условиях

на глубине. Правомерно и предположение о возможности суще­ ственного изменения механизма разрушения призабойной зоны породоразрушающими элементами долота в специфических термодинамических условиях. Снижение механической ско­ рости бурения на нижних интервалах есть следствие уменьше­ ния осевой нагрузки на долото. Бурение на пониженных осе­ вых нагрузках бывает вынужденным, поскольку по мере углубления скважины растут гидравлические потери и снижа­

ется крутящий момент на вале турбобура. Однако не эта причи­

на является главной в снижении механической скорости буре­ ния (что доказано сравнительными испытаниями турбинного и

9

10

полноту охвата проблемы, имеет некоторые погрешности в

части внутренних связей между отдельными разделами и не

является единственно возможной. В то же время она позволя­ ет получить общее представление о проблеме в целом и о месте, которое в ней занимают исследования, освещенные в данной книге (часть схемы, выделенная двойной линией).

Г л а в а II

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

ВУСЛОВИЯХ, МОДЕЛИРУЮЩИХ ЗАБОЙНЫЕ

§1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение механических свойств горных пород, как и любых

других твердых тел, сводится к установлению связи между

внешними силами и деформациями. Поведение тела в процессе

деформации определяется совокупностью его упругих, пласти­

ческих и прочностных свойств. На характер деформации

влияют различные факторы: напряженное состояние, скорость приложения нагрузки, температура, физико-химические свой­

ства окружающей среды и др. Вполне естественно, что для

характеристики механических свойств горных пород желатель­ но использовать такие показатели, которые в достаточной сте­ пени отражают технологический процесс при бурении. Опреде­ ление механических свойств пород должно вестись в условиях, которые в достаточной мере учитывают основные факторы, вли­ яющие на процесс деформации.

С этой точки зрения многие исследования в данной области не удовлетворяют указанным выше требованиям или части их. В последние 15—20 лет значительно возрос интерес к исследова­

ниям механических свойств горных пород, и особенно в усло­ виях всестороннего сжатия. Такие работы широко ведутся как

у нас, так и за рубежом. Учитывая тот факт, что при бурении

порода разрушается за счет вдавливания рабочего элемента

долота в забой, необходим такой метод, который по своей кине­ матике был бы близок к этому процессу. Наиболее полно отве­

чает этому требованию метод, разработанный профессором

Л. А. Шрейнером [15], а также метод профессора Л. И. Барона

[16].Достоинство методов состоит в том, что они позволяют полу­

11

чить полный график деформаций при вдавливании вплоть до разрушения. Необходимо отметить, что метод Л. А. Шрейнера

широко применяется в исследованиях механических свойств горных пород во многих институтах нашей страны [17—19 и др. ].

Поскольку изучать свойства пород непосредственно в сква­ жине не представляется возможным, исследователи пошли по

пути создания специальных установок, моделирующих условия

забоя [17—27 и др.].

Породы, слагающие призабойную зону, находятся в слож­

ном напряженном состоянии, так как подвержены действию

горного, гидростатического и норового давлений. Эффектив­

ность разрушения горных пород зависит от характера напря­ женного состояния призабойной зоны до момента воздействия

на породу долота. Как было показано в гл. 1, в ненарушенном

массиве можно ожидать распределения напряжений, возника­ ющих под действием горного давления, по шаровому или по

эллиптическому тензору. С достаточной достоверностью можно

предполагать, что в нетронутом массиве действует гидростати­

ческий закон распределения. Это подтверждается как данными

геофизических наблюдений, так и экспериментальными иссле­

дованиями Б. М. Матвеева [28] и Ж. С. Ержанова [29] (табл. 2). Подсчеты коэффициентов Пуассона на основании данных

табл. 2 показывают, что их величина близка к 0,5. Следователь­

но, вертикальная и горизонтальная (боковая) составляющие горного давления практически одинаковы. Все приведенные рассуждения относятся к нетронутому массиву.

Впроцессе проходки скважины нарушается существующее

внетронутом массиве напряженное состояние. Если бы промы­ вочная жидкость имела удельный вес, равный удельному весу

пород, можно было бы допустить с определенной погрешностью,

что характер напряженного состояния практически не изме­ нился. В действительности же удельный вес промывочного раствора в 1,5—2 раза меньше. Это, безусловно, вызывает перераспределение напряжений в части массива, прилегающей к горной выработке.

Приведенные соображения свидетельствуют о том, что, создавая специальные установки для моделирования забойных

условий, необходимо обосновать схему загружения образца

горной породы в рабочей камере. С этой целью был выполнен комплекс работ по моделированию методом объемной фото­

упругости напряженного состояния призабойной зоны скважи­

ны, нагруженной горным и гидростатическим давлением [30].

Таким же методом аналогичная задача решалась во ВНИИБТ [31] и зарубежными исследователями [32]. Не останавливаясь подробно на методике и результатах, поскольку они достаточно

12

Т а б л и ц а 2

* Значения ft, полученные при исследованиях по общепринятой методике.

полно рассмотрены в названных источниках, отметим, что мате­ риалы экспериментов позволили определить геометрические

размеры зоны влияния скважины на напряженное состояние

массива. Установлено, что от контура скважины в глубь массива

зона возмущения распространяется не более чем на 1,0—1,5

диаметра скважины.

Следует также обратить внимание еще на один факт, обна­ руженный при экспериментах. При соотношении вертикальной

и боковой составляющих горного давления, равном 1,5, ради­

альные и тангенциальные напряжения на поверхности забоя имеют положительный знак. Однако при наличии гидростати­

ческого давления этот эффект резко угнетается.

В практике проходки глубоких скважин при бурении с про­ дувкой воздухом или газом отмечается резкое повышение ско­ рости бурения. Это может быть связано с указанным эффектом

и подтверждает целесообразность исследований механических

свойств горных пород при различных по величине составля­ ющих горного давления. Анализ конструкций установок высо­ кого давления, предназначенных для исследования механиче­ ских свойств горных пород в условиях, моделирующих забой глубоких скважин [17—20, 22, 24, 25, 33 и др.], показывает, что при создании большинства из них вопросу обоснования способа нагружения образца в камере высокого давления не придавалось большого значения. В этом можно убедиться,

если обратиться к рис. 3.

Схема нагружения на рис. 3, а [19], по сути, имитирует на­

пряженное состояние пород в ненарушенном массиве и не отра­

жает специфики искажения его горной выработкой. Схема на

рис. 3,6 [33] не учитывает горного давления вообще, а способ создания гидростатического давления вряд ли можно считать

удачным из-за действия по поверхности контакта нагрузочной плиты и горной породы сил трения. Схема на рис. 3, в [18] не учи-

13