Влияние глубины залегания горных пород и дифференциального давления на сопротивление разрушению

Виды и области разрушения горных пород при бурении скважин

Нагружение элементов вооружения для создания разрушающих напряжений в горной породе под породоразрушающими инструментами при бурении создается осевой нагрузкой G, например, весом бурильного инструмента, к которому присоединен породоразрушающий инструмент. Разрушение горной породы охарактеризуем максимальной глубиной внедрения элемента разрушения в горную породу при единичных воздействиях и величиной углубления скважины за один оборот инструмента Н_о при вращательном бурении. Этот показатель называют проходкой за один оборот инструмента или интенсивностью разрушения горной породы породоразрушающим инструментом.

Рис. 7.1. Зависимости интенсивности разрушения горной породы от осевой нагрузки на долото (а) и от глубины бурения (б)

 

В зависимости от осевой нагрузки Л.А. Шрейнер выделил три характерных вида разрушения горной породы, которые на рис. 7.1, а обозначены соответственно I, II, III.

Вид I. Интенсивность разрушения горной породы прямо пропорциональна G и весьма мала. Скважина образуется вследствие истирания породы, а поэтому вид разрушения назван поверхностным истиранием.

Вид II. Прямая пропорциональность между интенсивностью разрушения породы и осевой нагрузкой на долото нарушается. Это связано с развитием усталостных явлений при многократных воздействиях инструмента на горную породу. Такой вид разрушения горной породы назван усталостным.

Вид III. Осевая нагрузка соответствует или превышает необходимую для создания напряжений под вооружением, превышающих сопротивление горной породы разрушению. Интенсивность разрушения горной породы по мере дальнейшего роста G вначале быстро возрастает, а затем темп роста снижается. Такой вид разрушения горной породы назван объемным.

Исследования показали, что в случае хрупких и пластично-хрупких горных пород третий вид разрушения делится на несколько областей объемного разрушения с границами, соответствующими нагрузкам на долото, при которых начинаются соответствующие скачки разрушения пород.

 

Влияние глубины залегания горных пород и дифференциального давления на сопротивление разрушению

Влияние глубины залегания горных пород на сопротивление их разрушению обусловлено тремя основными факторами.

Первый фактор - с увеличением глубины залегания растет уплотнение горных пород (снижается пористость), причем наиболее существенно у глинистых горных пород.

Второй фактор - с увеличением глубины залегания растет геостатическое давление, и соответственно возрастают средние сжимающие напряжения в горных породах, для большинства горных пород с их увеличением растут предел текучести, предел прочности и пластичность пород.

Третий фактор - разность давления бурового раствора р_с на забой скважины и пластового (порового) р_п давления. Эта разность получила название дифференциальное давление р_{д ,} т.е.

 

р_д = р_с - р_п . (7.1)

 

На рис. 7.1, б показано совокупное влияние названных факторов на интенсивность разрушения горной породы на примере нефтяных месторождений Башкирии, из которого видно что интенсивность разрушения горных пород монотонно снижается с ростом глубины их залегания.

Исследования показали, что из трех названных факторов влияние дифференциального давления наиболее существенно.

Механизм влияния дифференциального давления на разрушение горной породы рассмотрим на примере вдавливания притупленного клина (рис. 7.3, а). Под действием силы G на клин 1 в горной породе формируется область предельного состояния 2 (ядро всестороннего сжатия) породы, давление р_я которого передается на окружающую его породу. Под действием увеличивающегося давления р_я по мере роста силы G образуются боковые трещины 3 и происходит хрупкое разрушение окружающей породы. Нетрудно видеть, что образованию трещины и сколу породы мешает разность давлений

 

р_с - р_т = р_у, (7.3)

 

где р_т - давление флюида в трещине; р_у - угнетающее давление. Этот эффект получил название угнетения процесса разрушения породы, а отсюда произошло и название давления р_у.

Рис. 7.3. Схема механизма влияния угнетающего давления в скважине на разрушение горной породы

 

На рис. 7.3, б показана схема формирования угнетающего давления. В плотных непроницаемых породах при отсутствии трещиноватости забоя р_т» 0, т.е. р_у » р_с. В проницаемых горных породах под забоем формируется переходная зона d_п, в которой давление постепенно изменяется от р_с до р_п. При образовании (раскрытии) трещины давление в ней снижается относительно давления переходной зоны, так как мгновенное заполнение трещины невозможно. Возможны три основных случая.

1. В малопроницаемых горных породах заполнение трещин жидкостью слабое. Поэтому | р_у | > | р_д |, а в пределе р_у = р_с. То же имеет место, когда в скважине не фильтрующийся через забой буровой раствор. В этом случае отрицательное влияние угнетающего давление наибольшее.

2. В сильно проницаемых породах заполнение трещины происходит быстро как за счет фильтрата бурового раствора, так и за счет пластового флюида. При этом возможно, что | р_у | < | р_д |, а в пределе возможно р_у» 0. В этом случае отрицательное влияние угнетающего давления будет незначительным.

3. В случае | р_п | > | р_с | будет иметь место отрицательное дифференциальное давление и, как следует из рис. 3.22, а, влияние угнетающего давления будет положительным. Такая ситуация возможна, например, при продувке скважин воздухом.

В общем случае дифференциальное давление занимает промежуточное положение между минимальным и максимальным угнетающим давлением. Точных методик расчета р_у нет, а потому в качестве основных аргументов принимаются величина дифференциального давления для проницаемого забоя скважины и величина давления бурового раствора в скважине для непроницаемого забоя.

Исследования Б.В. Байдюка показали, что с увеличением дифференциального давления имеет место уменьшение угла g_с (рис. 7.3, а) естественного скалывания горной породы при вдавливании инденторов. Это приводит к уменьшению объема разрушенной породы при каждом вдавливании и, следовательно, к увеличению энергоемкости разрушения горной породы.

Из изложенного выше следует, что основными свойствами бурового раствора, определяющими формирование угнетающего давления являются плотность бурового раствора, так как статическое давление жидкости в скважине прямо пропорционально плотности, и фильтруемость (способность бурового раствора отдавать дисперсионную фазу в пористую среду), которая характеризуется показателем фильтрации раствора. Давление бурового раствора на забой во время бурения складываются из статического давления и гидравлического сопротивления движению жидкости от забоя к устью скважины. Последнее существенно зависит от вязкости бурового раствора.

Таким образом, сопротивление и энергоемкость разрушения горных пород на забое скважины существенно увеличиваются с ростом таких показателей свойств бурового раствора как плотность и вязкость и со снижением показателя фильтрации.