Влияние температуры

В процессе бурения скважин горные породы на забое испытывают температурные напряжения из-за проявления геотермического градиента(равного в среднем 0,03 град/м), трения разрушающего инструмента по породе и возникновения перепадов температуры при циркуляции бурового раствора.

Температура на забое скважины в 5000 м за счет геотермического градиента может быть 100 - 200⁰, а за счет трения породоразрушающего инструмента о породу температура на забое может быть 800⁰ и более.

Температуры растворов на входе в скважину t_вх и на выходе из устья t_у в среднем связаны соотношением:

t_у = 1,5t_вх ,

а температура циркулирующего раствора на забое может быть определена по формуле:

t_з = 0,012Н + t₀ ,

где Н - глубина скважины в м;

t₀ - среднегодовая температура воздуха (14,5₀ С).

Резкое изменение температуры циркулирующего бурового раствора способствует охлаждению забоя и тем самым возникновению дополнительных термических напряжений.

Эти напряжения возникают в результате неравномерного расширения или сжатия пород, представленных в основном полиминералами с различными теплофизическими свойствами. Величину напряжений можно определить по формуле теории упругости:

;

где Е - модуль Юнга;

- коэффициент Пуассона;

а - коэффициент температурного расширения горных пород. Установлено, что модуль Юнга большинства горных пород с повышением температуры до 1000⁰ уменьшается в несколько раз.

Для каждой породы существует критическая температура, выше или ниже которой прочность пород падает или возрастает. Например, твердость Р_ш и предел текучести Р₀ кварцита, гранита, песчаника (и микрогаббро) увеличиваются при возрастании температуры до 400⁰ С, а при более высоких температурах вновь снижаются.

Чем же объяснить увеличение Р_ш и Р₀ с ростом температуры ? Увеличение твердости и текучести с ростом температуры объясняется повышением интенсивности сил молекулярного взаимодействия по границам зерен, а уменьшение - образованием микротрещиноватости или химическими процессами.

Таким образом, действие температуры на различные горные породы носит сложный характер и по-разному влияет на их механические свойства. Высокая температура на забое скважины, особенно в месте контакта разрушающего инструмента с породой, при трении значительно снижает его стойкость.

Поверхностные слои металла претерпевают отпуск или вторичную закалку. Твердость отпущенного слоя много меньше, а вторично закаленного слоя больше, чем твердость исходной структуры.

Кроме того, цикличность термических воздействий приводит к развитию усталостных термических трещин. В связи с этим в процессе бурения скважин вопросы охлаждения разрушающего инструмента приобретают (первостепенное) важное значение.