Разрушение горных пород
Лекция 3
Тема:Разрушение горных пород.
План: 1. Горные породы, слагающие разрез нефтяных и газовых месторождений.
2.Механические свойства горных пород.
3.Классификация породоразрушающих инструментов.
1. Горные породы, слагающие разрез нефтяных и газовых месторождений.
Геологическая информация является основой решения практически всех вопросов проектирования сооружения скважин и управления буровыми процессами. Характеристики проходимых скважиной пород и пластовых флюидов во многом обусловливают выбор долот, бурового раствора, методов вскрытия продуктивных горизонтов, крепления стенок скважины и разобщения пластов. Для морского бурения огромное значение имеют сведения о гидрометеорологических условиях, а также характеристики глубин морей, морских волнений, приливов и отливов, морских течений, ветра, ледовой обстановки.
Геология - наука о составе, строении и истории Земли.
Рекомендуемые материалы
Предполагают, что Земля состоит из нескольких различимых по свойствам оболочек: литосферы толщиной 50—70 км; мантии до глубины 2900 км; ядра в интервале глубин 2900-6380 км. Над литосферой находятся водная оболочка - гидросфера, а выше - газовая оболочка - атмосфера. Литосфера сложена горными породами, основу которых составляют различные минералы - природные вещества, приблизительно однородные по химическому составу и физическим свойствам, возникшие в результате физико-химических процессов.
Классификация горных пород по происхождению:
А. Магматические (изверженные) - кристаллические породы, образовавшиеся в результате застывания расплавленного вещества (магмы).
Б. Осадочные — породы, составленные из мельчайших кусочков различных минералов, часто сцементированных между собой, содержащие остатки животных и растительных организмов. По способу накопления в земной коре различают механические осадки, породы химического и смешанного происхождения.
Механические осадки - результат денудационных процессов солнечно-ветроводяного разрушения и переноса осадков магматических пород (валуны, галечник, гравий). Химические породы (и некоторые причисляемые к осадочным породам) образовались путем химических реакций и накопления на земной поверхности сложных солей (каменная соль, ангидрид, гипс). Породы смешанного происхождения включают в себя обломочный материал, вещества органического и химического происхождения (известняки, мел, глины, пески, песчаники).
В. Метаморфические горные породы - это вторично переплавленные осадочные и изверженные породы в результате погружения их в расплавленную часть Земли (кварциты, мраморы, сланцы, гнейсы).
Основной признак осадочных горных пород - их слоистость, т.е. накопление в виде более или менее однородных пластов (слоев). Поверхность, ограничивающую пласт сверху, называют кровлей, а поверхность, ограничивающую пласт снизу, - подошвой.
Кровля нижележащего пласта является одновременно подошвой вышележащего, а подошва вышележащего - кровлей нижележащего. Первично образовавшиеся пласты залегали почти горизонтально, но в результате последующей деформации земной коры форма залегания часто изменялась до существенно наклонной или даже вертикальной.
Пласт характеризуется мощностью и углом падения в данной точке в конкретном направлении Различают истинную (кратчайшее расстояние между кровлей и подошвой), горизонтальную (расстояние между кровлей и подошвой по горизонтали) и вертикальную (расстояние между кровлей и подошвой по вертикали) мощности пластов.
Тектонические движения земной коры привели к образованию складок пластов, их разрывам, разломам и смещениям по плоскостям нарушений.
Различают складки в виде синклинали, антиклинали и моноклинали Синклиналь — это складка, обращенная выпуклостью вниз к центру Земли, в ядре которой более «молодые» породы, чем по краям. Антиклиналь - это складка, обращенная выпуклостью к поверхности Земли, в ядре которой находятся более древние породы. Последовательно расположенные антиклиналь и синклиналь образуют полную складку.
Синклиналь и антиклиналь имеют крылья - боковые части складки, замок - линия перегиба складки (у антиклинали называется седлом, а у синклинали - мульдой). Угол между крыльями называют углом складки. Если у складки только одно крыло, то ее называют моноклиналью
Рис. 1. Складчатые дислокации:
моноклиналь; б—флексура; а —антиклиналь, г — синклиналь; К— крылья; О—ось складок; поверхность земли
2.Механические свойства горных пород.
Под механическими свойствами горных пород понимаются такие особенности, которые определяют характер их деформации и разрушения под воздействием приложенной нагрузки. Иными словами, механические свойства горных пород проявляются в характере изменения внутренних связей и распределении материала в зависимости от изменения интенсивности и структуры полей напряжений. В массиве горных пород и в образце механические свойства проявляются по-разному. В массиве с изменением условий нагружения происходит перераспределение полей напряжений, которое оказывает влияние на состояние горной породы и при определенной концентрации напряжений влечет местное разрушение. В ограниченном объеме образца уже созданы условия для концентрации напряжений, изменение условий нагружения образца приводит к изменению его формы и в конечном счете вызывает его разрушение.
Механические свойства горных пород зависят от их состава, строения, текстуры, структуры и условий залегания глубина залегания, тектоническая нарушенность и т.п.). Состав и строение горной породы в значительной степени определяются ее происхождением.
Условия формирования горной породы накладывают существенный отпечаток на ее строение. Магматические горные породы, образовавшиеся на глубине, имеют, как правило, крупнокристаллическое строение, тогда как эффузивные горные породы, застывшие на поверхности, характеризуются скрытокристаллическим строением. Магматические породы, не затронутые процессами выветривания и метаморфизма и не подвергавшиеся тектоническим нарушениям, составляют в земной коре плотные, достаточно монолитные тела. Породы осадочного комплекса характеризуются слоистым строением, что и обусловливает их анизотропию, т.е. существенное различие механических свойств вдоль напластований и перпендикулярно к ним. Механические свойства осадочных горных пород варьируют в широких пределах. Процессы метаморфизма оказывают существенное влияние на механические свойства горных пород. Например, выветривание значительно снижает монолитность даже наиболее крепких магматических пород, а процессы регионального метаморфизма приводят к повышению монолитности осадочных, первоначально довольно рыхлых, горных пород.
Для характеристики внутреннего строения горных пород введены понятия текстуры и структуры.
Текстура определяется положением и распределением минеральных зерен в горной породе. К текстурным признакам относятся слоистость, сланцеватость и пористость горной породы. Пористостью называется совокупность всех пустот в горной породе между минеральными зернами, образующими минеральный скелет породы. Пористость характеризуется коэффициентом пористости, равным отношением объема пор к объему скелета. Помимо пор в горной породе принято выделять трещины (плоский разрыв сплошности среды) и каверны — полости больших размеров, превышающие размеры минеральных зерен и нарушающие целостность минерального скелета.
Под структурой понимают такие особенности горной породы, которые определяются размерами, формой и характером поверхности минеральных зерен. По структуре различают, например, горные породы кристаллические, аморфные и обломочные. Механические свойства обломочных пород в значительной степени зависят от размера зерен и характера связи между ними, т.е. от состава и структуры цемента, скрепляющего минеральные зерна.
Пластичность — это способность материала к увеличению интенсивности деформирования по мере роста нагрузки и к сохранению остаточной деформации после снятия нагрузки. Для характеристики пластических свойств материала вводится понятие модуля пластичности и коэффициента пластичности. Под модулем пластичности £пд понимается предельный секущий модуль, т.е. отношение прироста напряжений в пластической зоне к полной относительной деформации в этой зоне.
Прочность — это способность материала без разрушения выдержать нагрузку в процессе деформирования. Прочность характеризуется пределом прочности, т.е. максимальным напряжением, которое материал может выдержать, не разрушаясь. Когда напряжения в горной породе превосходят предел прочности, происходит разрушение, т.е. необратимое поражение внутренних связей. Предел прочности определяется характером внутренней связи между частицами в горной породе.
Абразивность — это способность горной породы изнашивать породоразрушающий инструмент (или любое иное тело) при его перемещении в контакте с породой.
В практике бурения используется еще одна характеристика горных пород — буримость. Буримость — это свойство горной породы, которое характеризует ее разрушаемость на ограниченной поверхности забоя скважины. Это относительная характеристика, зависящая от уровня развития техники и технологии бурения. Мера буримости той или иной горной породы — средняя скорость углубления ствола скважины.
Обычно механические свойства горных пород изучаются в условиях простой деформации: при растяжении, сжатии и т.п. Но необходимо учитывать, что на забое скважины горная порода находится в условиях напряженного состояния. На нее действуют давление на контакте с породоразрушаю-щим инструментом, гидростатическое давление столба жидкости в скважине, поровое (или пластовое) давление жидкости, находящейся в порах, и другие факторы, поэтому надо рассматривать сложное деформированное состояние, возникающее при всем многообразии действующих нагрузок.
3.Классификация породоразрушающих инструментов.
ДОЛОТА
Породоразрушающий инструмент предназначен для концентрированной передачи энергии горной породе с целью ее разрушения. В машиностроении трудно найти аналогичный инструмент, условия работы которого были бы такими же жесткими, сложными и трудно контролируемыми, как для буровых долот. Так, реализуемая через долото мощность, приходящаяся на 1 см его диаметра, может достигать 5—10 кВт, статическая осевая нагрузка — 10—15 кН. Динамическая осевая нагрузка может превышать статическую в 1,5 — 2 раза.
Нормальные динамические и статические нагрузки, крутящий момент, продольные, поперечные и крутильные колебания приводят к тому, что элементы долот при бурении испытывают практически все виды напряжений, достигающих иногда предела текучести и прочности материала. Реализуемая механическая энергия при разрушении горной породы и в узлах трения долот практически полностью переходит в тепловую, в связи с чем тонкие поверхностные слои элементов вооружения и опоры разогреваются до 800— 1000 °С.
Для условий работы буровых долот также характерна абразивная и коррозионная активность окружающей среды (разрушаемая горная порода, буровой раствор со шламом и химическими реагентами, минерализованные пластовые воды), повышенные пластовые давления (до 100 МПа) и температура (‰Ó 150-250 °ë).
ДОЛОТА ЛОПАСТНЫЕ
Лопастное долото в качестве рабочего элемента имеет лопасти, которые изготовляют либо с корпусом, либо приваривают к корпусу (рис. 2.1).
Лопастные долота относятся к инструменту режущего или режуще-скалывающего действия. Они предназначены для бурения в породах мягких и отчасти средней твердости.
Рис.2.1. Лопастное долото: 1 - головка с присоединительной резьбой;2 - корпус; 3- лопасть;4-промывочное отверстие;5-твердосплавное покрытие;6 - режущая кромка;
По ГОСТ 26-02-1282 — 75 выпускаются двух- и трехлопастные долота: двухлопастные диаметрами от 76,0 до 165,1 мм и трехлопастные — от 120,6 до 469,9 мм. Для геологоразведочного бурения ОСТ 7918 — 75 также предусмотрены лопастные долота диаметрами от 76 до 132 мм. Простейшим по конструкции является двухлопастное долото (см. рис. 2.1). Оно состоит из корпуса и двух лопастей, в головке корпуса имеется присоединительная резьба, а в нижней части ближе к лопасти расположены каналы для подачи промывочной жидкости к забою. У гидромониторных долот в каналах устанавливают насадки для формирования высокоскоростной струи промывочной жидкости.
На эффективность работы долота наиболее существенное влияние оказывают профиль лопасти долота и правильный подбор его конструкции по свойствам проходимых горных пород.
В профиле режущей части долота различают углы: передний у (может быть положительным и отрицательным), резания 0, приострения р, задний угол заточки а (рис. 2.2).
Чем мягче порода, тем меньше угол резания. По данным B.C. Федорова, для мягких и вязких глинистых пород оптимальный угол резания примерно равен 70°, а для хрупких пород - 90°.
Профиль режущей части лопастного долота отраслевой нормалью не регламентирован.
ИСТИРАЮЩЕ-РЕЖУЩИЕ ДОЛОТА (ДИР)
Истирающе-режущие долота могут быть отнесены к лопастным, но от последних отличаются тем, что, как правило, имеют разновысокие лопасти, армированные мелкими твердосплавными резцами.
Такое долото формирует ступенчатый забой и в зависимости от свойств проходимых пород может работать как режущее долото, т.е. по всей длине лопасти снимать слой с забоя, или как истирающее, когда каждый мелкий резец обособленно взаимодействует с забоем и скалывает очень мелкие частицы горной породы.
Предложены различные конструкции истирающе-режущих долот. Наиболее распространены две конструкции: долота ДИР, разработанные Азинмашем, и ДФЛ, разработанные ГрозНИИ. Нормалью ОН 26-02-88 — 68 предусмотрено 15 типоразмеров долот диаметром от 76 до 269 мм с шифром ИР и ИРГ. Шифр ИРГ присваивается долотам с гидромониторными насадками.
ШАРОШЕЧНЫЕ ДОЛОТА
Шарошечным долотом называется такой по-родоразрушающий инструмент, у которого основным рабочим органом является шарошка — стальная конусообразная деталь, свободно посаженная на ось и несущая на своей поверхности иденторы — зубцы, штыри (рис. 2.3). Оно представляет собой своеобразный механизм, у которого вращение его корпуса преобразуется во вращательное движение шарошек вокруг их оси, в результате чего происходит поражение забоя зубцами, периодически вступающими с ним в контакт.
Долото может иметь от одной до трех и более шарошек. Наиболее распространены трехшарошечные долота; одно- и двухшарошечные долота производят в ограниченном количестве. Одношарошечные долота предназначены для бурения твердых неабразивных пород на больших глубинах, двухшарошечные — в основном для бурения на небольших глубинах в мягких породах с пропластками пород средней твердости.
Рис.2.2. Шарошечное долото: 1 - корпус с резьбовой головкой;2 - лапа с опорой; 3 - шарошка;
Каждая шарошка снабжена множеством резцов, которые располагаются венцами. Венцы соседних шарошек расположены таким образом, что позволяют разрушать породу по всей поверхности забоя. Применяют два способа оснащения шарошки зубцами: фрезерование зубцов из тела шарошки с последующей наплавкой зерненого твердого сплава (релита и т.п.) или установка твердосплавных штырей (резцов) в гнезда методом холодного прессования. У одного и того же долота шарошки могут различаться по виду. Так, у некоторых трех-шарошечных долот только первая шарошка имеет полный
конус, а две (вторая и третья по ходу часовой стрелки с торца) имеют форму усеченного конуса.
Шарошечные долота выпускаются в соответствии с ГОСТ 20692 — 75. Этим документом предусматривается изготовление шарошечных долот 39 различных номинальных диаметров — ÓÚ 46 ‰Ó 508 ÏÏ.
Промышленностью производятся шарошечные долота многих типов, различных по вооружению и по конструкции опоры. По вооружению они отличаются друг от друга конфигурацией и расположением шарошек, размером и формой зубцов, их размещением на шарошке, использованием твердого сплава для армирования шарошек.
Характер взаимодействия зубцов шарошки с забоем, а следовательно, и специфика разрушения горных пород на забое зависят от размеров и плотности размещения зубцов в венце, а также от конфигурации шарошек и расположения их осей.
АЛМАЗНЫЕ ДОЛОТА
В настоящее время алмаз широко применяется в технике как режущий инструмент и высокоабразивный материал. Его абсолютная твердость в 150 раз превышает твердость кварца. Плотность алмазов колеблется в пределах 3100 — 3520 кг/м3. Масса алмазных зерен измеряется в караÚ‡ı (1 кар = 0,2 „).
Тип алмазного долота определяется формой торцовой части и конструкцией промывочных каналов. Форма рабочей поверхности алмазного долота зависит от условий бурения. По форме алмазные долота подразделяются на спиральные, радиальные, ступенчатые с торовидными выступами.
Рис.6.19.Алмазное долото: I - корпус; 2 матрица; 3 - алмазные зерна;
Наиболее распространенная и совершенная технология изготовления алмазных долот в настоящее время базируется на методах порошковой металлургии. В качестве исходных материалов для матрицы используют вольфрам, карбид вольфрама и медь. По этой технологии смесь порошков исходных материалов засыпают в пресс-форму, на дне которой предварительно в определенном порядке разложены зерна алмазов, и производят холодное прессование до давления 30 — 50 МПа, а затем форму помещают в вакуумную или водородную печь, где при температуре около 1100°С порошки спекаются.
На изготовление алмазного долота диаметром 141,3 мм расходуется около 40 — 45 г алмазов, диаметром 188,9 мм — 65 — 80 г, диаметром 214,3 мм — 80 — 90 г, диаметром 267,5
Контрольные вопросы:
1.Что такое абразивность?
2.Классификация горных пород
3.Для бурения каких пород предназначены лопастные долота?
4.Конструкция алмазного долота.
Литература
1. Ангелопуло O.K., Подгорнов В.М., Аваков Б.Э. Буровые растворы для осложненных условий. — М.: Недра, 1988.
2.Аскеров М.М., Сулейманов А.Б. Ремонт скважин: Справ, пособие. — : Недра, 1993.
3. Броун СИ. Нефть, газ и эргономика. — М: Недра, 1988.
4. Броун СИ. Охрана труда в бурении. — М: Недра, 1981.
"Внутренняя и внешняя среды организации" - тут тоже много полезного для Вас.
5. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению: В 3 т.: 2-е изд., перераб. и доп. - М: Недра, 1993-1995. - Т. 1-3.
6.Булатов А.И. Формирование и работа цементного камня в скважина, Недра, 1990.
7.Варламов П.С Испытатели пластов многоциклового действия. — М: Недра, 1982.
8. Геолого-технологические исследования в процессе бурения. РД 39-0147716-102-87. ВНИИпромгеофизика, 1987.
9. Геолого-технологические исследования скважин / Л.М. Чекалин, А.С. Моисеенко, А.Ф. Шакиров и др. — М: Недра, 1993.
10. Городнов В.Д. Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении. 2-е изд., перераб. и доп. — М: Недра, 1984.
