Тема : Горные породы нефтяных и газовых месторождений и их свойства.. Доклад 1. 1Механические свойства пород
 Скачать 64.44 Kb.
|
|
Содержание Введение Разрушение горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин происходит при следующих механических воздействиях на них породо-разрушающего инструмента: удар, вдавливание, резание. Под действием ударной нагрузки в горной породе, прилегающей к забою скважины, распространяются волны напряжений, которые приводят к росту по-вреждаемости горной породы. При вдавливании породоразрушающих элементов вооружения долота в горную породу разрушение последней происходит в условиях реализации под площадкой давления трехосного неравнокомпонентного напряженного состояния сжатия. Тангенциальное усилие (сила резания) со стороны инструмента обеспечивает возник-новение состояние сжатия перед передней гранью породоразрушающего элемента вооружения и в зависимости от механических свойств горной породы при данном давлении и температуре вызывает либо резание, либо скалывание горной породы. Резание - непрерывный процесс отделения слоя горной породы с поверхности забоя. Породоразрушающий инструмент производит резание только высокопластичных и сильнопористых горных пород. С возрас-танием упругих свойств горной породы ее разрушение под действием усилия резания происходит в результате скалывания. Скалывание – диск-ретный процесс отделения частиц горной породы забоя под воздействием сдвигового усилия со стороны предварительно внедрившегося в горную породу забоя инструмента. 1/Механические свойства пород Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на бурение, являются: механическая прочность, упругость, пластичность, хрупкость, твёрдость, абразивность, плотность, пористость, водопроницаемость, плывучесть и устойчивость. Механическая прочность - способность пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, разрыве и изгибе их. Для различных пород предел прочности на сжатие изменяется от 0,1 - 0,2 до 500 МПа (1МПа ≈ 10 кгс/см2). Прочность горных пород на скалывание, разрыв и изгиб значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при одноосном сжатии за 1,0, то предел прочности её на скалывание будет равен 0,2 - 0,08; на растяжение - 0,07 - 0,04. Прочность горных пород зависит от минералогического состава, структуры и пористости, характера связи между зернами, твердости и размера частиц и т. п. Например, мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые. Упругость - способность деформируемого тела восстанавливать первоначальную форму и объём после снятия нагрузки. Упругость также характеризуется отскакиванием ударяющего инструмента (долота) от породы. Упругие свойства в той или иной степени присущи всем породам. Пластичность - способность пород изменять свою форму (деформироваться) под воздействием приложенных сил, без разрыва сплошности; при этом порода получает остаточную деформацию. Большинство минералов и твердых скальных пород практически не дает остаточной деформации, так как разрушение их происходит раньше, чем начинают проявляться пластичные свойства. Хрупкость - способность породы разрушаться на отдельные куски при ударе, без заметной пластической деформации. Проявление хрупких свойств зависит от времени приложения нагрузки. При медленном приложении нагрузки в породе могут развиваться остаточные пластические деформации, и, наоборот, при весьма быстром приложении нагрузок даже вязкие тела могут проявлять себя как хрупкие. Твёрдость - способность горной породы оказывать сопротивление проникновению в неё другого твердого тела, не получающего остаточных деформаций. Твердость можно считать частным случаем прочности на вдавливание. Это одно из наиболее важных свойств горных пород, определяющее величину внедрения резцов бурового инструмента и существенно влияющее на механическую скорость бурения скважины. Различают агрегатную твердость (твердость породы в целом) и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Абразивность - способность горных пород влиять на износ забойного инструмента при бурении скважин. Абразивными свойствами обладают породы, сложенные зернами твердых минералов, сцементированными менее прочным материалом. Наиболее высокими абразивными свойствами обладают кварцевые песчаники. В меньшей степени абразивность зависит от окатанности зерен. С увеличением частоты вращения бурового снаряда износ породоразрушающего инструмента обычно растет быстрее, чем скорость бурения. Плотность породы и средняя плотность. Плотность породы определяется как отношение массы к её объему или как степень заполнения некоторого объема минеральным веществом. Наименьшей плотностью обладают осадочные породы, наибольшей - изверженные. Плотность горных пород зависит от минералогического состава зёрен и связывающего их цемента. Отношение массы образца к его полному объему характеризует среднюю плотность породы, зависящую от вещественного состава и пористости. Эти свойства играют важную роль в буровых процессах, так как определяют условия транспортировки частиц разрушенной породы на поверхность. Пористость, характеризуемая наличием в горной породе пустот, имеет существенное значение, так как от нее непосредственно зависят: механическая прочность, абразивность, влагоёмкость и другие свойства горных пород. Пористость определяется отношением объема пор к объему породы. Пористость изверженных пород наименьшая и измеряется долями или небольшим количеством процентов от объема. Только некоторые излившиеся породы (трахиты, туфовые лавы и др.) обладают высокой пористостью (до 60%). Пористость осадочных пород различна; у доломитов и известняков она изменяется от нескольких до 30%, у песчаников - до 40%, у мела - от 5-7 до 40-45%, у песков - около 30-40%, у глинистых пород колеблется в значительных пределах и может достигать 50% и более. В твердых породах выделяют пористость открытую и закрытую. В первом случае поры сообщаются друг с другом и с наружной поверхностью образца, во втором - поры изолированы друг от друга. Это влияет на водопоглощение и водопроницаемость горных пород. В пористых твердых породах скорость бурения и износ резцов увеличиваются. Трещиноватость, характеризуемая совокупностью систем трещин в горных породах, осложняет работу породоразрушающего инструмента на забое, увеличивает водопроницаемость, ведёт к снижению процента выхода керна, уменьшает устойчивость пород в стенках скважин, вызывает самозаклинивание керна и т. д. Водопроницаемость - способность горных пород пропускать воду. Водопроницаемость зависит от размеров и характера пор или трещин. Это свойство горных пород имеет большое значение при бурении с промывкой, так как часто определяет потерю промывочной жидкости. Плывучесть - свойство пород течь при вскрытии. Таким свойством обладают насыщенные водой мелкозернистые пески с примесью илистых и глинистых частиц. Таким же свойством могут характеризоваться суглинки и даже глины при сильном увлажнении. Подвижность пород вызывается или движением воды, перемещающей частицы пород, или переходом породы в состояние вязкой жидкости вследствие сильного насыщения водой. Устойчивость - поведение горных пород при обнажении их в массиве. Породы устойчивые при этом не обрушаются, стенки скважины не требуют закрепления. В породах неустойчивых или слабоустойчивых требуется проводить крепление стенок скважины. При бурении по таким породам часто разрушается керн, что снижает качество буровых работ. Устойчивость горных пород зависит целиком от характера связи между частицами, слагающими горную породу, от трещиноватости и степени выветрелости. 2.Давления и напряжения в горных породах Напряжения, возникающие в массиве горных пород, окружающих выработку, под действием силы собственного веса породы, тектонических сил и разности температур, называют горным давлением, а различные механические явления, происходящие в результате воздействия на горные породы этих напряжений, - проявлениями горного давления, которые могут быть в виде: 1) упругого или упруговязкого смещения пород без их разрушения; 2) вывалообразования (местного или регулярного) в слабых, трещиноватых и мелкослоистых породах; 3) разрушения и смещения пород (в частности, вывалообразования) под влиянием предельных напряжений в массиве по всему периметру сечения выработки или на отдельных его участках; 4) выдавливания пород в выработку вследствие пластического течения, в частности, со стороны почвы (пучение пород). Напряженное состояние нетронутого массива, созданное гравитационными силами, является исходным силовым полем, в значительной степени предопределяющим поведение боковых пород в обнажениях при проведении подземных горных выработок. В нетронутом массиве горных пород (до проведения выработок) имеет место равновесное объемное напряженное состояние. Обычно делается допущение, что напряжения обусловлены только плотностью толщи пород, а массив условно принимается как однородный и изотропный. 3. Особенности разрушения горных пород при бурении Разрушение горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин происходит при следующих механических воздействиях на них породо-разрушающего инструмента: удар, вдавливание, резание. Под действием ударной нагрузки в горной породе, прилегающей к забою скважины, распространяются волны напряжений, которые приводят к росту по-вреждаемости горной породы. При вдавливании породоразрушающих элементов вооружения долота в горную породу разрушение последней происходит в условиях реализации под площадкой давления трехосного неравнокомпонентного напряженного состояния сжатия. Тангенциальное усилие (сила резания) со стороны инструмента обеспечивает возник-новение состояние сжатия перед передней гранью породоразрушающего элемента вооружения и в зависимости от механических свойств горной породы при данном давлении и температуре вызывает либо резание, либо скалывание горной породы. Резание - непрерывный процесс отделения слоя горной породы с поверхности забоя. Породоразрушающий инструмент производит резание только высокопластичных и сильнопористых горных пород. С возрас-танием упругих свойств горной породы ее разрушение под действием усилия резания происходит в результате скалывания. Скалывание – диск-ретный процесс отделения частиц горной породы забоя под воздействием сдвигового усилия со стороны предварительно внедрившегося в горную породу забоя инструмента. Породо-разрушающие инструменты, используемые в бурении, по основным своим функциям делятся на три группы: долота - для бурения сплошным забоем, бурильные головки и коронки - для бурения кольцевым забоем с образованием кернов, вспомогательный инструмент - пикообразные и зарезные долота, фрезеры, расширители, калибраторы и пр. По принципу взаимодействия с горной породой породоразрушающие инструменты первой и второй групп делят на три подгруппы: 1) режуще-скалывающие (РС), разрушающие горную породу лопастя-ми (лопастные долота), 2) дробящие, разрушающие горную породу с помощью ударного воз-действия, 3) дробяще-скалывающие (ДС), разрушающие горную породу зубьями, расположенными на шарошках (шарошечное долото). Заметим: в породоразрушающих инструментах первой подгруппы иной раз выделяют подгруппу инструментов истирающе-режущего (ИР) действия (алмазные и твердосплавные долота, разрушающие горную породу алмазными зернами или твердосплавными штырями, распо-ложенными в торцевой части долота). Разрушение горных пород инструментом первой подгруппы обеспечивается вдавливанием и резанием, второй подгруппы – дина-мическим приложением нагрузки (ударом), третьей - ударом, вдавли-ванием, резанием. Поскольку породоразрушающий инструмент дробящего действия при бурении нефтяных и газовых скважин практически не используется, то основное внимание мы уделим рассмотрению работы инструмента первой и третьей подгрупп. Схемы взаимодействия с горной породой породоразрушающих эле-ментов вооружения бурового инструмента приведены на рис. 1.  Рис.унок 1 - Схемы взаимодействия инструмента с горной породой: а - резание-скалывание, б - дробление, в - дробление-скалывание Породоразрушающий инструмент подгрупп РС и ИР характеризуется выполнением вооружения в виде лопастей или секторов. Породоразрушающий элемент долота называется лопастью, если его высота значительно превосходит толщину, и сектором, если его высота меньше или равна толщине. Породоразрушающий инструмент РС и ИР действия вращается вокруг своей оси с угловой скоростью n (dim n = рад/с = с-1), при этом инструмент непрерывно вдавливается в горную породу осевым усилием F, производя разрушение породы под пятном контакта, а сила резания T обеспечивает разрушение горной породы перед передней гранью породо-разрушающего элемента долота, срезает слой горной породы толщиной h (рис.1). Долотом дробящего действия массой m наносятся удары по поверхности забоя. Динамическое разрушение описывается уравнением для кинетической энергии Wk инструмента и потенциальной энергии U деформирования породы. Закон сохранения энергии Wk = U является основной для анализа ударного взаимодействия долота с горной породой. Породоразрушающий инструмент ДС действия отличает размещение вооружения в виде инденторов (зубьев) на вращающихся деталях – шарошках. Каждый зуб долота дробяще-скалывающего действия вначале наносит удар по горной породе забоя скважины, затем вдавливается в породу силой F и одновременно с этим участвует в обусловленных кинематикой долота скольжении со скоростью V и вращении с угловой скоростью, величина которой определяется угловыми скоростями вращения шарошки вокруг оси долота n д и вокруг своей оси n ш. Общим для первой и третьей групп инструментов является внедрение породоразрушающих элементов вооружения долот в горную породу под действием осевого усилия F и вращение инструментов. На забое скважины разрушение горной породы осуществляется при одновременном действии не только осевого усилия, но и тангенциальной силы T. Появление силы резания при использовании инструмента третьей группы обеспечивается конструктивными особенностями этих долот. В бурении характеристикой вращения бурового оборудования (буро-вой колонны, породоразрушающего инструмента) чаще является число оборотов n или равноценная ей характеристика - частота оборотов f. Обе эти величины характеризуют число оборотов в единицу времени (dim n = dim f = об/с = с-1). Традиционно число оборотов в бурении измеряется в оборотах в минуту (об/мин) = 1/мин. Величина, обратная числу оборотов, определяет продолжительность одного оборота, т.е. период T = n-1 = f-1. Величина линейной скорости при вращательном движении точки, находящейся на траектории диаметром d, определяется выражением V = d/2 = dn. Возможность использования той или иной подгруппы инструментов для бурения скважины определяются механическими свойствами горных пород, главным образом величиной их твердости и абразивности. В пределах каждой подгруппы (РС, ИР, ДС) инструменты имеют особенности в зависимости от того, для пород какой абразивности и твердости они предназначены. Соответствие абразивности горных пород отражает класс инструмента, а твердости – тип инструмента. Породо-разрушающие инструменты изготавливают двух классов: инструменты первого класса cо стальным фрезерованным вооружением предназначены для разбуривания неабразивных горных пород, второго класса с вставным твердосплавным вооружением – абразивных пород. Тип инструмента оп-ределяется величиной твердости горной породы. Заключение Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на бурение, являются: механическая прочность, упругость, пластичность, хрупкость, твёрдость, абразивность, плотность, пористость, водопроницаемость, плывучесть и устойчивость. Механическая прочность - способность пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, разрыве и изгибе их. Для различных пород предел прочности на сжатие изменяется от 0,1 - 0,2 до 500 МПа (1МПа ≈ 10 кгс/см2). Прочность горных пород на скалывание, разрыв и изгиб значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при одноосном сжатии за 1,0, то предел прочности её на скалывание будет равен 0,2 - 0,08; на растяжение - 0,07 - 0,04. Прочность горных пород зависит от минералогического состава, структуры и пористости, характера связи между зернами, твердости и размера частиц и т. п. Например, мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые. Список литературы 1. Близнюков, В. Ю. Б 69 Компоновки низа бурильной колонны для бурения вертикальных и наклонных скважин [Текст] : метод. указания / В. Ю. Близнюков. – Ухта : УГТУ, 2014. – 30 с.: ил. 2. Кейн, С. А. К 33 Современные технические средства управления траекторией наклонно- направленных скважин [Текст] : учеб. пособие / С. А. Кейн. – Ухта : УГТУ, 2014. – 119 с. 3. Справочник бурового мастера \ Под общей редакцией В. П. Овчинникова, С.И. Грачёва, А.А. Фролова. Учебно-практическое пособие в 2-х томах. – М.: «Инфра-Инженерия», 2006. – 608 с. 4. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учеб. для вузов. – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. – 679 с. |