Влияние температуры. При бурении скважин разрушение горных пород происходит в основном в жидкой среде, содержащей различные электролиты и поверхностно-активные вещества

Влияние жидких сред

При бурении скважин разрушение горных пород происходит в основном в жидкой среде, содержащей различные электролиты и поверхностно-активные вещества.

Жидкие среды наиболее активны в области усталостного разрушения пород при наличии зон с повышенной микро- и макротрещиноватостью на поверхности забоя. Под действием жидких сред уменьшаются показатели механических свойств горных пород.

Исследователями экспериментально при всестороннем сжатии горных пород установлено то, что с ростом вязкости и удельного веса активность жидких сред значительно снижается.

Установлено также, что некоторые жидкие среды, понижая прочность горных пород, способствуют повышенному износу долот. Поэтому необходимо рассматривать действие жидких сред не только на породы, но и на разрушающий инструмент.

Трудно охарактеризовать все породы с точки зрения воздействия на их механические свойства присутствие жидкости.

Пример: наибольшее понижение прочности Р_ш наблюдается у алевролитов, наименьшее - у песчаников и гранитов.

В процессе бурения скважин горные породы на забое испытывают температурные напряжения из-за проявления геотермического градиента (равного в среднем 0,03 град/м), трения разрушающего инструмента по породе и возникновения перепадов температуры при циркуляции бурового раствора.

Температура на забое скважины в 5000 м за счет геотермического градиента может быть 100 - 200⁰, а за счет трения породоразрушающего инструмента о породу температура на забое может быть 800⁰ и более.

Температуры растворов на входе в скважину t_вх и на выходе из устья t_у в среднем связаны соотношением:

t_у = 1,5t_вх,

а температура циркулирующего раствора на забое может быть определена по формуле:

t_з = 0,012Н + t₀,

где Н - глубина скважины в м;

t₀ - среднегодовая температура воздуха (14,5₀ С).

Резкое изменение температуры циркулирующего бурового раствора способствует охлаждению забоя и тем самым возникновению дополнительных термических напряжений.

Эти напряжения возникают в результате неравномерного расширения или сжатия пород, представленных в основном полиминералами с различными теплофизическими свойствами. Величину напряжений можно определить по формуле теории упругости:

;

где Е - модуль Юнга;

- коэффициент Пуассона;

а - коэффициент температурного расширения горных пород. Установлено, что модуль Юнга большинства горных пород с повышением температуры до 1000⁰ уменьшается в несколько раз.

Для каждой породы существует критическая температура, выше или ниже которой прочность пород падает или возрастает. Например, твердость Р_ш и предел текучести Р₀ кварцита, гранита, песчаника (и микрогаббро) увеличиваются при возрастании температуры до 400⁰ С, а при более высоких температурах вновь снижаются.

Чем же объяснить увеличение Р_ш и Р₀ с ростом температуры? Увеличение твердости и текучести с ростом температуры объясняется повышением интенсивности сил молекулярного взаимодействия по границам зерен, а уменьшение - образованием микротрещиноватости или химическими процессами.

Таким образом, действие температуры на различные горные породы носит сложный характер и по-разному влияет на их механические свойства. Высокая температура на забое скважины, особенно в месте контакта разрушающего инструмента с породой, при трении значительно снижает его стойкость.

Поверхностные слои металла претерпевают отпуск или вторичную закалку. Твердость отпущенного слоя много меньше, а вторично закаленного слоя больше, чем твердость исходной структуры.

Кроме того, цикличность термических воздействий приводит к развитию усталостных термических трещин. В связи с этим в процессе бурения скважин вопросы охлаждения разрушающего инструмента приобретают (первостепенное) важное значение.

Влияние скорости приложения нагрузки

При ударном и вращательном способах бурения разрушение горных пород происходит динамическим нагружением со скоростями соударения разрушающего инструмента с породой до 3 - 5 м/с.

Исследования с мрамором показали, что при увеличении скорости приложения нагрузки до 5 м/с твердость горных пород Р_ш возрастает на 9 %. Такого же порядка увеличения Р_ш можно ожидать и для других упруго-пластичных пород.

При скорости соударения штампа с породой выше 25 ¸ 30 м/с зависимость твердости Р_ш от скорости нагружения V имеет квадратичный характер. С увеличением скорости нагружения V возрастают минимальная энергия, необходимая для разрушения, удельная объемная работа разрушения, а пластичные породы проявляют способность к хрупкому разрушению (даже до V = 2 ¸ 3 м/с).

Механизм разрушения пород при статическом и динамическом нагружении объясняется изменением характера развития трещин.

Н. М. Филимонов детально исследовал механизм разрушения горных пород при нескольких скачках разрушения. Установлено, что сопротивление породы вдавливанию штампа от скачка к скачку увеличивается. Так, например, при третьем скачке сопротивление вдавливанию штампа в 2,2 ¸ 2,4 раза выше, чем при первом скачке.

С ростом скорости нагружения зоны разрушения одних пород (мрамора и некоторых известняков) уменьшаются, некоторых (кварцита) увеличиваются.

Влияние скоростного фактора может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от величины нагрузки, температуры и активности среды.

Применение малых нагрузок может не вызвать разрушения, и фактор времени окажется бессильным.

Литературные данные по влиянию роста скорости нагружения на энергоемкость разрушения пород несколько противоречивы. По данным одних исследователей, энергоемкость при этом увеличивается, а по другим - уменьшается.