Содержание к диссертации
Введение
I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОМЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ СТЕНОК СКВАЖИН . 8
1.1. Современные представления о напряженном состоянии массива горных пород 8
1.2. Анализ основных направлении и методов исследования проблемы с целью обоснования постановки темы 14
П. ВОПРОСЫ ДИАГНОСТИКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОРОД В ПРИСТВОЛЬНОЙ ЗОНЕ И УПРАВЛЕНИЯ ГОРНЫМ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН 31
2.1. Условие предельного напряженного состояния и оценка устойчивости глинистых пород на стенках скважины 31
2.2. Исследование деформации стенок скважин в условиях их взаимовлияния 46
2.3. О динамических проявлениях горного давления при бурении скважин на площадях Азербайджана 66
2.4. Оценка напряженного состояния массива по деформационным свойствам пород 81
2.5. Исследование влияния напряженного состояния
пород на формирование керна 89
Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗУПРОЧНЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД С "ЦЕПЬЮ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ СОСТАВОВ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ .' 100
3.1. Исследование особенностей деформирования глинистых пород в среде ингибированных буровых растворов 100
3.2. Усовершенствование методики выбора буровых растворов по кривым ползучести 120
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 137
ПРИЛОЖЕНИЕ
- Современные представления о напряженном состоянии массива горных пород
- Условие предельного напряженного состояния и оценка устойчивости глинистых пород на стенках скважины
- Исследование особенностей деформирования глинистых пород в среде ингибированных буровых растворов
Современные представления о напряженном состоянии массива горных пород
Основная концепция современной механики горных пород /62/ состоит в том, что напряженное состояние земной коры в целом и верхней ее части, непосредственно являющейся объектом рассмотрения механики горных пород, в общем случае определяется действием в земной коре двух независимых силовых полей. Одно из них - гравитационное поле - обусловлено действием закона всемирного тяготения Ньютона. Другое - тектоническое поле - обусловлено неравномерным распределением в пространстве скорости тектонических движений и скорости деформаций земной коры, т.е. наличием градиента тектонических движений.
Если напряженное состояние пород обусловлено только гравитационными силами, т.е. действием веса налегающей толщи над рассматриваемой точкой, то в этой точке упругого изотропного массива на некоторой глубине Н от земной поверхности вертикальная составляющая гравитационного поля напряжений равна где J - средний объемный вес вышележащих пород массива.
Напряжения (о1 являются активными, реактивными же являются главные нормальные напряжения 2и 63 » Действующие в горизонтальной плоскости массива.
Принимая во внимание, что Ь2= О з общее выражение бокового давления или горизонтального напряжения принимает вид где - коэффициент бокового распора; /4 - коэффициент Пуассона.
Коэффициент Пуассона для горных пород изменяется в пределах от 0,08 до 0,5. Следовательно, коэффициент бокового распора может изменяться от ОД до I.
Максимальные значения / = 0,5 и f - соответствуют условию гидростатического распределения напряжений в массиве.
Гипотеза 6 гидростатическом распределении напряжений, впервые высказанная швейцарским геологом А.Геймом, является частным случае» гипотезы А.Н.Динника, выражаемой формулами і I ) и ( 2 ) и может иметь место при пластическом состоянии горных пород.
Тектоническое силовое поле отличается от гравитационного значительно большей сложностью. Градиент тектонических движений обусловливает появление горизонтальных тектонических сил, которые в сейсмологии и геотектонике оценивают по максимальным касательным напряжениям.
Условие предельного напряженного состояния и оценка устойчивости глинистых пород на стенках скважины
Для решения этого спорного вопроса нами разработана методика, учитывающая изменение начальных физических свойств образцов при моделировании различных глубин. Образцы изготавливались по известной методике /61/ в толстостенной матрице из порошка пон-тической глины, просеянной через сито с диаметром отверстий 2 мм, влажностью 3% при скорости прессования -1,0 МПа с. Значения давлений прессования, соответствующие имитируемым глубинам, и некоторые характеристики полученных образцов, приведены в табл.2.1
Размеры полых цилиндрических образцов - моделей скважины: наружный диаметр 0и= 60 мм, внутренний диаметр СІ= 12 мм и высота И - 60 мм выбирались на основании условий подобия (Б.В.Бай-дюк,Н.С.Тимофеев и др.).
Эксперименты проводились на установке, сконструированной нами по схеме "е" на рис.1.3 и подробно описанной в /61/.
Из-за острого дефицита кернового материала из глинистых отложений пригодного для изготовления моделей скважины требуемых размеров в этом параграфе и далее эксперименты проводились на искусственных образцах. Вследствие максимальной идентичности и однородности получаемых образцов погрешность результатов, оцениваемая коэффициентом вариации, невелика (15$) и согласно приведенным ниже данным позволяет использовать для получения достоверных данных показатели эксперимента на трех моделях.
Коэффициент вариации, % Т5 20 25 30
Минимальное число образцов 3 4 6 9
Следует отметить, что в опытах с искусственными образцами соблюдается частичное подобие вследствие различий искусственных и естественных образцов по структуре, молекулярным связям и т.д. Как показали исследования /61,66/, такой вид подобия позволяет получать надежную качественную оценку.
Скважину принято рассматривать в качестве полого цилиндра бесконечной толщины, находящейся под действием вертикального горного давления fij , направленных параллельно оси скважины, горизонтальной составляющей горного давления Р3 со стороны остальной части массива пород и внутреннего давления Рг бурового раствора. Соотношение составляющих горного давления в гравитационном поле напряжений описано в і А .
Исходя из анализа опытов, проведенных Терцаги, коэффициент бокового распора для глин равен 0,7-0,75. Поэтому нами принято значение /И = 0,42, при котором коэффициент бокового распора принимает значение J = 0,7.
Исследование особенностей деформирования глинистых пород в среде ингибированных буровых растворов
В связи с преобладанием в разрезах месторождений Азербайджана глинистых пород, активно взаимодействующих с буровыми растворами на водной основе, выбор системы химической обработки циркулирующей жидкости имеет чрезвычайно важное значение для обеспечения устойчивости стенок скважины. С этой целью применяются специальные ингибированные растворы - хлоркальциевые, гипсовые, малосиликатные, известковистые, нефтеэмульсионные и др. К числу ингибированных растворов относятся и калиевые растворы, заимствованные из зарубежной практики бурения /85,86/. Эффективность использования этих растворов связывают с положительным влиянием их на устойчивость стенок скважин при концентрации ингибитора Кс в пределах 3-6$.
По данным /86/ при бурении на калиевом растворе в интервалах глинистых сланцев (штаты Нью-Мексико и Вайоминг) не только исключаются осложнения, связанные с разбуханием и диспергированием частиц, механической эрозией стенок скважины, поглощениями, но и увеличивалась механическая скорость проходки.
Авторы /86/ считают, что концентрация кс в буровом растворе зависит от минералогического состава вскрываемых глинистых пород. Преобладание в глине таких минералов,как каолинит, хлорит, иллит требует для стабилизации ствола меньшей концентрации (от -.101 до Ъ% весовых) чем монтмориллонита. В объединении АзНЕФТЬ промышленного использования этих растворов в осложненных условиях бурения не осуществлялось. Известен /48/ опыт внедрения ингибированного калиевого раствора в скважине Ш 923 площади Кю-ровдаг. Однако условия бурения в базовой скважине $ 834 были также нормальными и,кроме того, помимо ингибитора КС6 было использовано столько окзила и КМЦ-500, что состояние ствола могло улучшиться и без \(с. При этом сделан вывод, что оптимальная концентрация КОС, необходимая для поддержания реологических свойств раствора и сохранения устойчивости глин, составляет 5-7$.
Для выяснения влияния калиевых растворов на деформацию гидрослюдистых и монтмориллонитовых глин в сравнении с рядом других ингибированных растворов, уже нашедших применение в практике бурения в Азербайджане, нами были проведены эксперименты на установке, показанной на рис.3.1.
Установка создана на базе лабораторного копра 2М0-30 с использованием его прямого назначения - получения из формовочных материалов (путем уплотнения) стандартных образцов. Копер состоит из следующих деталей:станины П, подъемного кулачка 4, груза 7, кулачка подъема груза для удара 8. К нему изготовили рабочие камеры и штампы, а также кронштейн для крепления индикатора часового типа.
