Если справедливо условие

 

l_x ¹ 1, l_y ¹ 1, l_xy  ¹ l_xz  ¹ l_yz  ¹ 0,

 

то поле напряжений является негидростатическим.

В цилиндрической системе координат условие гидростатичности поля напряжений имеет вид

                                             s_r / s_z = l_r = 1, s_q / s_z = l_q = 1,

l_rz = l_zr = 0.

По способности горных пород к изменению величины коэффициента бокового распора различают релаксирующие, в которых величина l растет, и нерелаксирующие горные породы, в которых l не меняется. К первым относятся осадочные горные породы, глинистые породы, солесодержащие; ко вторым - скальные горные породы, в которых реологические процессы, протекающие в течение геологических эпох, не приводят к значительному изменению геометрии порового пространства.

В осадочных горных породах гидростатичность поля напряжений наблюдается уже на небольших глубинах, а в скальных горных породах гидростатичность поля напряжений наблюдается только на большой глубине. Связано это с ростом пластичности горных пород при увеличении температуры и давления. Например, на Кольском полуострове на глубине 100 м горизонтальные напряжения превышают величину геостатического давления в 20 раз, а на глубине 600 м - уже только в 4 раза.

Установлено, что появление больших горизонтальных напряжений приурочено к зонам тектонических поднятий блоков земной коры, в зонах опускания земной коры, напротив, горизонтальные напряжения меньше вертикальных.

Принято считать, что разбуриваемые горные породы глубоких скважин находятся в гидростатическом начальном напряженном состоянии сжатия. Это связывают с тем, что за длительное время сущест-вования горных пород в условиях больших температур и давлений вследствие релаксации напряжений происходит выравнивание компонент тензора напряжений по величине, и поле механических напряжений из негидростатического становится гидроста-тическим, в котором касательные напряжения равны нулю.

 

                   Дополнительное напряженное состояние

Возникновение цилиндрической полости (скважины) в горной породе приводит к нарушению начального напряженного состояния в той части массива горных пород, которая непосредственно вмещает скважину.

     Компоненты тензора напряжений возникающего дополнительного напряженного состояния определяются следующим образом:

 

s_r = [-n/(1‑n)].gz/r²,

s_q = [n/(1-n)] · gz/r²,

s_z = t_rq = t_rz = t_zq = 0.

 

Если обозначить через h глубину скважины и просуммировать соответствующие компоненты тензоров начального и дополнительного напряженного состояний, то получим тензор напряжений, характери-зующий распределение напряжений в околост-вольном пространстве скважины:

s_r = [n / (1‑n)]gh(1 - 1/r²),

s_q = [n /(1‑n)]gh(1 + 1/r²),

s_z = g×h,

t_{r q} = t_rz = t_zq = 0.

Распределение напряжений в массиве горной породы, содержащем скважину радиусом R, изображено на рис. 1.

Из формул и из рисунка следует, что максимальным напряжением является тангенциальное напряжение s_q. На стенке скважины оно превышает подсчитанное значение геостатического напряжения в 1,2 раза и более. С увеличением расстояния от стенки скважины напря-жение s_q, s_r сближается и на расстоянии5Rвлияние скважины на распределение напряжений в массиве горных пород прекращается: при r > 5R находится нетронутый массив горных пород.

В соответствии с величиной напряжений в горной породе около стенки скважины выделяют следующие области. Область пониженных напряжений располагается непосредственно около стенки скважины. Снижение уровня механических напряжений в этой области происходит вследствие разрушения породы: горная порода увеличивает свой объём и перемещается в ствол скважины. В результате этого и происходит снижение напряжений. Если ствол скважины закреплен обсадной колонной, то на неё начнут действовать дополнительные нагрузки. Если же обсадной колонны нет, то равновесное состояние наступит тогда, когда ствол скважины окажется сужен в результате выдавливания горной породы в скважину.

 Область упругого деформирования горной породы располагается за областью пониженных напряжений. На расстоянии, превышающем пять радиусов пробуренной скважины (от стенки), располагается область нетронутого массива горных пород.

Окончательное напряженное состояние в окрестности забоя скважины формируется при ее бурении, когда на поверхность забоя действуют породоразрушающие элементы вооружения инструмента, а в скважине находится буровой раствор, оказывающий дополнительное силовое воздействие на поверхность забоя и на стенку скважины. Плотность бурового раствора является одним из основных параметров, позволяющим управлять горным давлением в скважине и влиять на разрушение горных пород.

В пористых горных породах в области, непосредственно при-мыкающей к стенке скважины, когда давление промывочной жидкости в скважине превышает пластовое давление, возникает переходная зона, в которой давление насыщающего горную породу флюида изменяется по мере удаления от стенки скважины: от давления промывочной жидкости в скважине до естественого пластового давления на некотором удалении от стенки. В переходной зоне изменение порового давления вызывает изменение напряженного состояния в твердой компоненте горной породы. Это, в свою очередь, изменяет возможность сдвигового разрушения горной породы в переходной зоне.

 С точки зрения предупреждения осложнений и во избежание загрязнения продуктивных пластов переходная зона должна иметь минимальную проница-емость и протяженность. Это достигается управляемой кольматацией стенки скважины при разбуривании проницаемых горных пород. Пассивная или, по-другому, неуправляемая кольматация, происходит уже при применении глинистого раствора с низким показателем фильтрации: происходит закупори-вание пор и трещин горной породы стенки скважины и образование плотной глинистой корки. Но пассивная кольматация далеко не всегда обеспечивает минимальную величину переходной зоны.

В широком смысле под управлямой кольматацией понимается искусственное формирование защитного экрана в стенке скважины. Этот экран должен исключить технологически недопустимое гидродинамическое взаимодействие скважины с продуктивным пластом.