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

Ай'Эр

Аорн.баи

± ± J _ 1

Рис 3. Принципиальные схемы нагружения образцов горных пород в камерах высокого давления.

а — равномерное всестороннее сжатие; б — гидростатическое давление (жесткой пли­ той); в — боковое горное давление; г — горное Соковое и гидростатическое давление;

б — комбинированная схема, учитывающая действие составляющих горнего и гидро­ статического давления; е —ж — гипотетические структуры призабойной скважины.

тывает вертикальной составляющей горного давления и вли­

яния гидростатического давления. При нагружении по схеме,

соответствующей рис. 3, г [17, 24], игнорируется влияние верти­

кальной составляющей горного давления. На рассмотренных

схемах утолщенной линией показана поверхность, в которую производится вдавливание штампа. Наиболее полно отражает

характер напряженного состояния призабойной зоны схема на рис. 3, д [22, 24, 25]. Первые четыре схемы (см. рис. 3, а—г) можно легко вывести, приняв за основу гипотетическую струк­

туру призабойной зоны, изображенную на рис. 3, е. Пятая схема (см. рис. 3, д) обосновывается рис. 3, ж. Анализ гипотетических

структур призабойной зоны и вытекающих из них схем нагру­

жения заставляет отдать предпочтение схеме 3,3. Мы специаль­

но исследовали методом объемной фотоупругости, а где было возможно — аналитически все рассмотренные схемы нагруже­ ния. За эталон принимался характер распределения напря­ жений по работам [30, 31]. Проведенные исследования еще раз

14

ная установка для ис­

следований физико-ме­

ления, осуществляющей комбинированное нагружение образца

горной породы, представлена на рис. 4.

' Камера состоит из толстостенного корпуса 1 , имеющего внут­ реннюю полость, в которую снизу на подставке 11 вводится об­ разец горной породы 10. Герметизация камеры снизу осуществ­ ляется путем вворачивания гайки?4 в корпус. При создании вра-

бочей полости повышенного давления уплотнение 12, опирающе­ еся на кольцо 13, деформируется и надежно предотвращает утеч­

ки жидкости из камеры. Сверху герметизация камеры достигает­

ся путем затяжки болтами 2 фланца 4. Последний, уплотняя прокладку 5, обеспечивает надежность работы системы. По шту­ церу 9 в камеру подается масло «Индустриальное 20», создаю­ щее горное давление, а по штуцеру 6—жидкость, имитирующая

гидростатическое давление.Уплотнение 7,поджимаемое крышкой

16, служит для разделения полостей горного игидростатического давления. На подставке 11 размещен нагревательный элемент 8, питание которого осуществляется через конусные электровводы, смонтированные в подставке. Рабочая температура в камере фик­

сируется термопарой 15. Штамп 3 вводится в камеру через отвер­

стие во фланце, расположенное эксцентрично по отношению к оси образца. Для смены положения образца после выполнения опы­

та достаточно ослабить гайку 14 и с помощью специального

приспособления повернуть подставку на нужный угол. Затем гайку нужно снова затянуть. Боковое горное давление созда-

Камера разработана совместно с инженером Э. Д. Скляровым.

15

ется за счет повышения давления жидкости в полости камеры,

а вертикальное — за счет разности опорных площадей образца снизу и сверху. Порядок работы на установке следующий.

После монтажа на подставке уплотнительных элементов, установки образца, упакованного в специальную обойму, и верхнего уплотнительного кольца 7 вся сборка на гайке вдви­ гается в камеру и гайка закручивается. Болтами 2 затягивается фланец 4, и в отверстие вводится штамп. В таком виде камера

помещается между опорными поверхностями нагрузочной части

прибора УМГП-3. Нижняя плоскость камеры покоится на сто­

лике подъемного механизма, а штамп упирается в подвижный шток прибора. От мультипликатора в полость горного давления

подается рабочая жидкость и устанавливается необходимая

величина давления. Затем от второго мультипликатора в верх­

ней полости создается необходимое гидростатическое давление. После стабилизации необходимых параметров производится

вдавливание штампа. По окончании опыта давление в системах

снижается, меняется положение образца путем поворота на за­

данный угол, затем после поднятия давлений до нужных вели­

чин опыт повторяется. За один цикл делается 3—4 опыта.

Далее образец извлекается из камеры, измеряются и фиксиру­

ются геометрические параметры зон разрушения, в камеру за­

гружается новый образец, и цикл повторяется.

§ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ^ ПОРОД

В соответствии с изложенной методикой на созданной уста­ новке были изучены механические свойства некоторых горных пород. Исследования проводились в два этапа.

Первый этап. Основная цель работ заключалась в установле­ нии общих закономерностей изменения механических свойств

горных пород при различных схемах нагружения образца,

представленных на рис. 5.

Камера отличается от описанной в работе [35] тем, что шток, на котором крепится пуансон, входит в камеру по скользящей

посадке с зазором 0,003—0,006 мм. Это позволяет избежать утечек без применения специального набора металлических и

полихлорвиниловых колец (как это было в первой конструкции

камеры). Отсутствие специальных уплотнений исключает по­

грешность при определении усилия внедрения индентора

в породу.

Метод вдавливания цилиндрического штампа с плоским основанием [15] дает возможность определить показатели меха-

16

Рис. 5. Схемы нагружения образца горной породы,

о — при воздействии горного давления (бокового и вертикального); б — при воз­ действии комбинированного давления (горного и гидростатического);^ — при все­

стороннем равномерном давлении.

нических свойств горных пород: твердость, условный предел

текучести, коэффициент пластичности, удельную объемную

работу разрушения и др. При внедрении штампа в породе

возникает напряженное состояние, близкое к состоянию под породоразрушающим элементом долота. Поэтому оказывается

возможным устанавливать корреляционные связи между меха­

ническими характеристиками горных пород, режимными пара­

метрами и показателями бурения.

Учитывая, что геологический разрез нефтяных и газовых месторождений представлен главным образом породами упруго­ пластичного класса, эксперименты проводились на белом мра­ море (Коелгинское месторождение, Урал), песчанике (Монаховский карьер, Донбасс) и известняке (Алгетское месторож­

дение, Грузия). Приводим петрографическую характеристику

указанных пород *.

Мрамор — структура гранобластовая, среднезернистая. По­ рода состоит из кристаллических зерен кальцита в основном

изометричной формы размером 0,1—0,2 мм.

Песчаник — структура псаммитовая, равномернозернистая,

мелкозернистая. Размер обломков кварца и полевого шпата преимущественно 0,1—0,3 мм. В обломочной массе встреча­ ются алевритовые частицы.

* Описание шлифов выполнено канд. геол.-мин. наук Э. М;-Винник.

Пластическая часть породы (70—75%) выражена следу­

ющими минералами. Кварц составляет примерно половину

обломочного материала, полевой шпат представлен зернами

плагиоклаза и калиевого полевого шпата, мусковит — топкими

удлиненными зернами, хлорит — единичными лейстами разме­

ром до 0,2 мм, кальцит — единичными окатанными зернами.

Цемент по минеральному составу гидрослюдисто-серицито-

вый. Отдельные участки выполнены окислами железа.

Известняк имеет микрозернистую или афанитовую струк­ туру. Микроструктура органогенно-пелитоморфная. Основная

масса с размером зерен 3—5 мк.

Исследования проводились на сухих образцах, изготовлен­

ных в виде цилиндров. Методика подготовки образцов описана в работе [37].

Чтобы исключить физико-химическое влияние среды (.масло

«Индустриальное 20»), имнтирующей горное давление, образец

помещался в специальную оболочку. Поверхность образца, подвергающуюся воздействию гидростатического давления, изо­

лировали силикатным клеем.

Внедрение штампа велось до первого скачка разрушения.

Каждый опыт повторялся 4 —6 ра'з.

Относительная ошибка определения таких показателей, как

твердость и условный предел текучести, при данном числе опы­

тов приблизительно составляет 5%, а остальных — 10%.

Для мрамора исследования были проведены по всем трем схемам нагружения, а для песчаника и известняка — только по схеме 5 ,а. Необходимо отметить, что при данной конструк­ ции камеры при отсутствии гидростатического давления выдер­

ся изменение вертикальной составляющей, согласно приведен­ ному соотношению.

При исследованиях по схеме 5,6 имело место соотношение

На рис. 6 графически изображены результаты исследования*

зависимости механических свойств пород от горного давления.

* В проведении экспериментов принимал участие В. А. Снитко.

18

нения близки к относитель­

ным ошибкам измерений этих величин, рост их следует

признать несущественным. Для известняка твердость снижает­

ся на 26%, а условный предел текучести '— на 15%.

Установлено, что общая работа разрушения Аобщ для мра­

мора и известняка с ростом горного давления снижается в 1,35 и

1,48 раза, а для песчаника остается прежней. В то же время

удельная объемная работа разрушения практически посто­

янна.

Объем зоны разрушения при внедрении штампа в песчаник остается неизменным, а у мрамора и известняка несколько уменьшается.

На рис. 7 отражены результаты исследований механических свойств мрамора в зависимости от величины комбинированного

и всестороннего давления. Анализ полученных материалов сви­

детельствует о значительном возрастании твердости, условного предела текучести, коэффициента пластичности и работы раз­

Условный предел текучести у мрамора во всем диапазоне постепенно возрастает и при соотношении давлений 560/700 бар

в 1,6 раза превышает величину, определенную в атмосферных

условиях.