Общие сведения о горных породах

Земная кора сложена главным образом изверженными и метаморфическими горными породами, на которых прерывистым покровом лежат осадочные породы. В строении нефтяных и газовых месторождений принимают участие только осадочные горные породы.

Большинство осадочных пород сложено рыхлыми сцементированными минеральными обломками различных размеров, имеющими неправильные очертания. Основная структурная особенность осадочных пород, характеризующая их механические свойства, структура цементов, связывающих отдельные обломки.

Текстура горной породы указывает на особенности строения всей породы в целом и выявляет взаимное пространственное расположение минеральных частиц. Основными особенностями текстуры осадочных пород считаются слоистость, сланцеватость (способность породы раскалываться по параллельным плоскостям на тонкие пластинки) и пористость (отношение объема всех пустот к объему всей породы, выраженное в процентах).

По природе сил сцепления между частицами осадочные породы подразделяют на три основные группы: скальные, связные (пластичные) и сыпучие. Силы сцепления скальных пород (песчаники, известняки, мергели и другие) характеризуются молекулярным притяжением частиц друг к другу, а также наличием сил трения.

Силы сцепления пластичных пород (глинистых пород) характеризуются взаимодействием коллоидных частиц адсорбирующих на поверхности обломков, а также наличием сил трения.

Сыпучие породы (песок) не обладают сцеплением ни в сухом состоянии, ни при полном насыщении водой. Только при ограниченном насыщении водой у сыпучих пород наблюдаются силы сцепления, обусловленные трением.

Всем породам присущи, кроме сил сцепления, силы внутреннего трения, зависящие от давления, прижимающего частицы друг к другу.

§ 2. Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс их разрушения

Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на процесс бурения, считаются их упругие и пластические свойства, твердость, абразивность и сплошность.

Упругие свойства горных пород. Все горные породы под воздействием внешних нагрузок претерпевают деформации, исчезающие после удаления нагрузки или остающиеся. Первые из них называются упругими деформациями, а вторые - пластическими. Большинство породообразующих минералов являются телами упругохрупкими, т.е. они подчиняются закону Гука (при простом растягивании или сжатии упругого бруска относительное удлинение или сжатие пропорциональны нормальному напряжению: σ = Eе, где σ-напряжение, Е- модуль Юнга) и разрушаются, когда напряжения достигают предела упругости.

Горные породы также относятся к упругохрупким телам, но в отличие от минералов они подчиняются закону Гука только при динамическом приложении нагрузки.

Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости (модуль Юнга) Е и коэффициентом Пуассона μ (μ = ε_х/ε_у), где ε_х-поперечная деформация, E_у-продольная деформация). Модуль упругости горных пород зависит от их минералогического состава, вида нагружения и величины приложенной нагрузки, структуры, текстуры и глубины залегания пород, состава и строения цементирующего вещества у обломочных пород, степени влажности, песчанистости и карбонатности пород.

Коэффициент Пуассона для большинства пород и минералов находится в пределах 0,2-0,4 и только у кварца он аномально низок - примерно 0,07, что обусловлено особенностями строения его кристаллической решетки.

Пластические свойства горных пород (пластичность). Разрушению некоторых горных пород предшествует пластическая деформация, которая начинается, как только напряжения в породе превышают предел упругости. Пластичность зависит от минералогического состава горных пород и уменьшается с увеличением содержания кварца. Полевого шпата и некоторых других минералов. Высокими пластическими свойствами обладают глины и породы, содержащие соли. При определенных условиях некоторые горные породы подвержены ползучести. Ползучесть проявляется в постоянном росте деформации при неизменном напряжении. Значительной ползучестью характеризуются глины, глинистые сланцы, соляные породы, аргиллиты, некоторые разновидности известняков.

Твердость горных пород. Под твердостью горной породы понимается ее способность оказывать сопротивление проникновению в нее (внедрению) породоразрушающего инструмента.

В геологии большое распространение имеет шкала твердости минералов Мооса, по которой условную твердость минералов определяют методом царапания; по этой шкале твердость характеризуется отвлеченным числом (номером).

На основании многочисленных исследований Л. А. Шрейнер предложил классификацию горных пород, отличающуюся от шкалы твердости Мооса тем, что она наиболее полно учитывает основные физико-механические свойства горных пород, которые влияют на процесс бурения.

К I группе относятся породы, не дающие общего хрупкого разрушения (слабо сцементированные пески, суглинки, известняк-ракушечник, мергели, глины с частыми прослоями песчаников, мергелей и т. п.). Ко II группе относятся упругопластичные породы (сланцы, доломитизированные известняки, крепкие ангидриты, доломиты, конгломераты на кремнистом цементе, кварцево-карбонатные породы и т. п.). К III группе относятся упругохрупкие, в основном изверженные и метаморфические породы.

Как правило, по твердости породы, участвующие в сложении нефтяных залежей, относятся к первым восьми категориям.

Абразивность горных пород. Под абразивностью горной породы понимается ее способность изнашивать контактирующий с ней породоразрушающий инструмент в процессе их взаимодействия. Абразивность пород проявляется в процессе абразивного (преимущественно механического) изнашивания и является его характеристикой. Поэтому показатели абразивности можно рассматривать как показатели механических свойств горных пород.

Абразивность горной породы, как и любой другой показатель механических свойств, отражает ее поведение в конкретных условиях испытания или работы. Понятие об абразивной способности тесно связано с понятием о внешнем трении и износе. Абразивные свойства горных пород изучены недостаточно. На трение существенно влияет среда. Коэффициент трения о породу, поверхность которой смочена глинистым раствором, меньше, чем тот же коэффициент при трении о породу, смоченную водой, и значительно ниже, чем коэффициент трения о сухую породу.

Среди горных пород наибольшей абразивностью обладают кварцевые и полешпатовые песчаники и алевролиты (сцементированные обломочные породы с обломочными зернами размером от 0,01 до 0,1 мм). Разработано несколько классификаций по абразивности горных пород.

Сплошность горных пород. Понятие «сплошность горных пород» предложено для оценки структурного состояния горных пород, которые, исходя из степени пригодности внутриструктурных нарушений (трещины, поры, поверхности рыхлого контакта зерен и т. д.) для передачи внутри породы давления внешней жидкостной или газовой среды. Разделяют четыре категории сплошности.

К первой категории сплошности относятся горные породы, внутрь которых может проникнуть исходный глинистый раствор.

Ко второй категории сплошности относятся породы, внутрь которых проникает не только жидкость, но и твердые (глинистые) частицы.

К третьей категории сплошности относятся породы, внутрь которых передается давление только маловязкой жидкости (типа воды).

К четвертой категории сплошности относятся породы, внутрь которых внешнее гидравлическое давление не передается.

Определение механических свойств горных пород. В лабораторных условиях механические свойства горных пород определяются методом, предложенным Л. А. Шрейнером и его учениками. Сущность метода заключается во вдавливании в испытуемый образец цилиндрического или имеющего форму усеченного конуса пуансона с плоским основанием, в замере нагрузок, деформации до разрушения, параметров зоны разрушения и вычислении показателей механических свойств.

Большое влияние на прочность горных пород оказывает внешняя среда. Прочность и твердость горных пород при насыщении водой значительно снижается. Так, твердость известняка, пропитанного водой, составляет примерно 0,7 от твердости сухого известняка.

Определение механических свойств горных пород по методу Л. А. Шрейнера очень трудоемко, так как требуется много времени, сложное дорогостоящее оборудование и высокая квалификация работников. В промысловых условиях практически невозможно пользоваться этим методом. Для определения механических свойств горных пород в промысловых условиях во ВНИИБТ под руководством Б. В. Байдюка созданы малогабаритные приборы, предназначенные для определения по шламу или другим обомкам горных пород показателей твердости, пластичности, абразивности, сплошности, набухаемости, плотности. При помощи этих приборов можно определять показатели горных пород вполне приемлемы для инженерных расчетов.

Указанные малогабаритные приборы пока не нашли широкого раcпространения, поэтому рекомендуется пользоваться РД 39-2-52-78 «Комплексная методика классификации горных пород геологического разреза, разделения его на характерные пачки пород и выбора рациональных типов и конструкций шарошечных долот для эффективного разбуривания нефтяных и газовых месторождений» (1980 г.), по которому можно определять категории сплошности, твердости и абразивности горных пород по специальным таблицам, помещенным в РД.

§ 3. Основные закономерности разрушения горных пород

Основной вид деформации, под действием которой породы в процессе бурения разрушаются, - вдавливание. Рассмотрим явления, происходящие в породе при действии постепенно возрастающей местной нагрузки, передающейся через штамп. Первоначально порода уплоняется в непосредственной близости от площади контакта. Затем, когда нагрузка достигает некоторого критического значения, в породе образуется конусообразная трещина, вершина которой обращена к вдавливаемому телу. При дальнейшем увеличении нагрузки трещина продолжает развиваться вглубь. При этом образуется система хаотически расположенных трещин, порода в вершине конуса раздавливается в порошок, передающей давление во все стороны.

Под влиянием этого давления порода продолжает разрушаться до образования лунки. Описанный процесс внедрения штампа составляет один полный цикл разрушения. При дальнейшем нагружении штампа процесс во всех трех фазах повторяется. Такая цикличность разрушения свойственна хрупким, прочным горным породам. В хрупких, но менее прочных горных породах, разрушение также носит цикличный, но менее скачкообразный характер. Разрушение малопрочных пород носит плавный характер.

Рассмотрим действие динамического вдавливания (ударов) на породу. Исследованиями установлено, что в результате ударов горные породы могут разрушаться при напряжениях, меньших, чем критические, соответствующих пределу прочности. Механизм разрушения аналогичен описанному выше. Число ударов по одному и тому же месту может быть значительным. С увеличением силы удара число их уменьшается, и при некотором значении силы разрушения наступает после первого же удара. Таким образом, горная порода может разрушаться как при действии статических, так и динамических нагрузок. Сила удара в процессе динамического разрушения зависит от нагрузки и скорости ее приложения. Эффект разрушения зависит от формы твердого тела, которым разрушают горную породу. Все эти и некоторые другие факторы оказывают влияние на объемную работу разрушения. Значение объемной работы разрушения находят по формуле

A_v = A/V, (3.1)

где A-работа; V- объем разрушенной породы.

Удельная контактная работа As_k определяется отношением полной работы А к площади контакта S_k разрушающего инструмента.

Аs_k = A/S_k (3.2)

Объемная работа разрушения при динамическом вдавливании в несколько раз выше, чем при статическом.

Порода, составляющая поверхность забоя и подлежащая разрушению находится в условиях неравномерного всестороннего сжатия, создаваемого давлением столба бурового раствора, заполняющего скважину, и боковым давлением горных пород. Поверхность забоя неоднородна и не представляет гладкую поверхность: отдельные частицы породы возвышаются над общим уровнем поверхности.

При действии разрушающего инструмента на породу эти частицы первыми воспринимают давление и передают его другим соседним частицам. Некоторые из них дробятся, другие выламываются, третьи почти прямолинейно проталкиваются в направлении движения разру-шающего инструмента.

При бурении нефтяных и газовых скважин основной инструмент, при помощи которого происходит разрушение горной породы, - долото. Долото проникает в породу и разрушает ее вследствие перемещения:

1) поступательного сверху вниз под действием нагрузки на долото, создаваемой массой нижней части колонны бурильных труб (эта нагрузка называется осевой нагрузкой);

2) вращательного, осуществляемого гидравлическим забойным двигателем, электробуром или ротором посредством бурильных труб.

Горная порода разрушается долотом резанием, скалыванием или дроблением. При резании осевая нагрузка действует непрерывно и ее можно считать статической. В процессе скалывания и дробления приложенное усилие действует на забой прерывно, что вызывает дополнительные динамические нагрузки на забой (удары). Резание может осуществляться лопастными долотами. Скалывание происходит при использовании лопастных или шарошечных долот. Дробление может осуществляться только шарошечными долотами. Алмазные долота разрушают породу путем истирания и резания.

Наибольшее распространение получили шарошечные долота, которые используют при бурении пород различной твердости (от мягких до самых крепких).

Рассмотрим процесс разрушения забоя скважины шарошечным долотом. Работа долот протекает в буровом растворе или газе (если в качестве бурового раствора применяется воздух или природный газ), содержащих обломки выбуренной породы. Шарошки долот вращаются вокруг своей оси и вокруг оси вращения бурильных труб (при роторном бурении) или вала гидравлического забойного двигателя (электробура). Вращаясь вокруг своих осей, шарошки попеременно упираются в забой то одним, то двумя зубьями (рис. 3.1). Иначе говоря, шарошка при своем вращении то поднимается, то опускается, при этом часто ударяя о забой.

Рис. 3.1. Положение шарошек на забое

Благодаря такому характеру перемещения зубья шарошки оказывают на породу не только статическое, но и динамическое воздействие. В зависимости от формы шарошек и положения их осей относительно оси долота происходит или чистое дробление или дробление со скалыванием. Определим амплитуду СО' поступательно-возвратного движения шарошки. На рис. 3.1 видно, что СО¹= АО¹ — АС. Из треугольника 0¹АО следует АО = АО¹ = R, a AC = R cos φ/2, тогда

СО¹= R - Rcos φ/2 = R(1-cosφ/2),

где R-радиус наружной поверхности шарошки; φ- центральный угол, соответствующий одному зубу шарошки.

Из тригонометрии известно, что 1 -cos 2ά = 2Sn²α. Приняв (φ/2 = 2α, получим α = φ/4; тогда 1 -cos φ/2 == 2Sn² φ/4, следовательно, СО¹ = R2Sn²φ/4. Так как угол φ = 2π/z (z -число зубьев шарошки), окончательно будем иметь

СО¹ =2RSn²2π/4z

или

CO¹=D_шSn²π/2z, (3.3)

где D_ш- диаметр шарошки, равный 2R.

Из формулы (3.3) следует, что амплитуда поступательно-возвратного движения шарошки прямо пропорциональна диаметру шарошки и увеличивается с уменьшением числа ее зубьев.

Определим количество ударов шарошки в минуту при диаметре долота D_д, числе оборотов долота в минуту n_д и числе зубьев шарошки z.

Число оборотов шарошки в минуту определим из выражения

πD_дn_д=πD_шn_ш,

откуда

n_ш=D_д/D_шn_д

Число ударов в минуту т шарошка о забой вычисляем по формуле

m=n_шz=D_д/D_шn_дz. (3.4)

Из выражения (3.4) следует, что число ударов шарошки по забою в 1 мин прямо пропорционально диаметру долота, чистоте его вращения за 1 мин, числу зубьев шарошки и обратно пропорционально диаметру шарошки.

Одной из важных характеристик вооружения шарошечных долот считается коэффициент перекрытия n, представляющий собой отношение суммы длины зубьев, одновременно воздействующих на породу, к длине линии контакта шарошки с забоем. Этот коэффициент для различных долот неодинаков и колеблется в пределах: общий коэффициент - от 1,1 до 1,7, а для зубьев, расположенных на основных конусах шарошек - от 0,6 до 0,96. Коэффициент перекрытия для двухлопастных долот η = 2.

Интенсивность проскальзывания зубьев для данного шарошечного долота оценивают коэффициентом скольжения, который равен отношению суммы площадей, описываемых за один оборот долота кромками зубьев, скользящих по породе, к площади забоя скважины. В том случае, когда образующие конуса шарошки будут лежать на мгновенной оси вращения и, следовательно, пересекаться на оси долота, коэффициент скольжения равен нулю. Во всех других случаях он равен 0,01-0,15.

Буровой раствор, подаваемый на забой скважины через отверстия в долоте, должен обеспечивать очистку шарошек долота, вынос разбуренной породы (шлама), охлаждение долота и очистку забоя, исключающее вторичное дробление породы долотом.

Увеличение гидравлической мощности, превращаемой в промывочных отверстиях долота в кинематическую энергию струи жидкости, ведет к увеличению проходки на долото и механической скорости бурения.

Гидростатическое давление столба промывочной жидкости уменьшает механическую скорость бурения, так как оно стремится удерживать частицы породы на первоначальном месте и тем самым помогает породе сопротивляться разрушению.

Выводы

В строении нефтяных и газовых месторождений принимают участие только осадочные горные породы. Основные физико-механические свойcтва горных пород, влияющие на процесс бурения, - упругие и пластические, твердость, абразивность и сплошность.

Основной вид деформации, под действием которой породы в процессе бурения разрушаются, - вдавливание. При бурении нефтяных и газовых скважин основным инструментом, при помощи которого происходит разрушение горной породы, - долото. Горная порода разрушается долотом резанием, скалыванием или дроблением. Долото проникает в породу и разрушает ее вследствие перемещения:

1) поступательного сверху вниз под действием нагрузки на долото (осевой нагрузки);

2) вращательного

Наибольшее распространение при бурении нефтяных и газовых скважин получили шарошечные долота. Число ударов шарошки при перекатывании по забою в 1 мин. Прямо пропорционально диаметру долота, частоте его вращения за 1 мин., количеству зубьев шарошки и обратно пропорционально диаметру шарошки. Буровой раствор, подаваемый на забой скважины через отверстия в долоте, должен обеспечивать очистку шарошек долота, вынос разбуренной породы (шлама), охлаждение долота и очистку забоя скважины.