Напряженное состояние горных пород на стенках скважины

При бурении скважин наряду с обеспечением эффективного разрушения горных пород на забое необходимо обеспечить устойчивость их стенок. (До сих пор нет единой точки зрения на механизм потери устойчивости пород). Вследствие потери устойчивости горных пород в скважине происходят обвалы (каверны) и сужения (выпучивание) стволов.

Практикой установлено, что каверны образуются, главным образом, в глинистых породах, а сужения - в толщах каменных солей, гипса и глинистых породах.

Главные причины, вызывающие эти осложнения, заключаются в следующем: характер напряженного состояния пород в приствольной зоне скважин и физико-химические свойства буровых растворов.

Рис.21

Рассмотрим напряжения, действующие на элемент породы в приствольной части скважины. На рис.21 показан элемент объема породы на некоторой глубине Н.

Введем следующие обозначения:

r - расстояние от оси скважины.

В данном случае действующие силы будут:

Р_z - вертикальное давление от силы веса;

Р_r - наружное боковое давление;

Р_ж - внутреннее давление промывочной жидкости.

Под действием этих сил возникают нормальные напряжения, представленные в системе цилиндрических координат (показанные на рис.21):

s_z - вертикальное нормальное напряжение;

s_Q - тангенциальное нормальное напряжение;

s_r - радиальное нормальное напряжение.

Рядом исследователей было установлено, что напряжения на внутренней стенке ствола скважины имеют максимальные значения. Это говорит о том, что внутренняя стенка скважины является наиболее опасным местом с точки зрения устойчивости. Нормальные напряжения в горной породе на стенке скважины можно определить по следующим формулам:

;

;

,

где - средний объемный вес горных пород в г/см³,

- удельный вес бурового раствора в г/см³,

- глубина залегания в см,

-коэффициент бокового распора (можно принять =1).

При наличии пластового давления эти напряжения будут определяться по следующим формулам:

;

;

,

здесь - коэффициент, зависящий от структурных особенностей породы и вязкости бурового раствора (от 0 до1).

- давление насыщающей породу жидкости,

, т.е. соответствует гидростатическому давлению столба воды.

Каким же образом можно повлиять на устойчивость горных пород на стенках скважины?

Устойчивость стенок до некоторой глубины Z можно создать буровым раствором определенного удельного веса.

На устойчивость малопрочных пород влияют давление и физико-химический состав жидкостей, насыщающих породу.

Значительное влияние на устойчивость пород оказывает их влажность (особенно увлажнение глинистых пород).

Потеря устойчивости и разрушение горных пород стенок скважины могут произойти при достижении предельного состояния. При действии только разности горного и гидростатического давлений уравнение для выбора удельного веса промывочной жидкости имеет вид

,

где - предел текучести горной породы при одноосном сжатии.

Если величина существенно зависит от величины всестороннего сжатия, то в этом случае в эту формулу необходимо подставить такую величину прочности горной породы ( ), которая соответствовала бы среднему давлению, т.е.

.

В первом приближении можно принять равным

.

При напряженном состоянии горных пород, близком к предельному, существенное влияние на устойчивость горных пород оказывает режим работы скважины. В процессе бурения скважины меняется температура стенок скважины в зависимости от производственного цикла (циркуляция, отсутствие ее). Частота циклов нагрева и охлаждения равна числу рейсов долота в сутки. Циклическое изменение температуры может привести к появлению усталостных явлений на стенках скважины, способствующих снижению прочности пород. К сожалению, эти вопросы изучены очень слабо. Степень уменьшения прочности зависит от амплитуды колебаний давления и температуры, а также наличия перепада температуры между жидкостью и горной породой.

Следует отметить также, что длительная прочность горных пород для условий скважины составляет 0,85¸0,95 от первоначальной.

Лекция № 7