Влияние забойной гидродинамики на процессы разрушения горных пород ПРИ бурении скважин

При углублении скважин, пробуренных в различных районах нашей страны, от 1000 до 5000 м механическая скорость проходки v_m иногда снижается в 25 раз, а коммерческая - более чем в 30 раз. Основная причина падения технико-экономических показателей бурения с ростом глубины заложена в изменении забойных условий разрушения горных пород, под которыми понимается совокупность давлений:

· горное р_г,

· поровое р_ц,

· пластовое р_пл,

· дифференциальное ∆р_р (∆р),

_· угнетающее р_у,

· суммарное на забое скважины р_с,

а также качество бурового раствора, частота вращения и динамика работы породоразрушающего инструмента.

Природа влияния дифференциального давления на v_m, по мнению ряда исследоввателей, заключается в ухудшении буримости горных пород за счет роста их прочности на сжатие и возникновения усилий, прижимающих частицы породы (шлам) к забою. Прижимающие силы имеют статическую и динамическую природу и являются сложной функцией почти всех известных показателей, характеризующих процесс бурения.

Рассмотрим механизм разрушения горных пород вдавливанием как основного вида разрушения при бурении скважин шарошечным инструментом с учетом забойных условий.

Согласно последним исследованиям процесс разрушения горных пород вдавливанием протекает в три этапа: упругие деформации, остаточные деформации и отделение части породы от массива, - зарождение и распространение трещин, формирующих лунку выкола, условно названных магистральными.

Первые два этапа, когда создаются предпосылки для зарождения магистральных трещин, называют инкубационным периодом разрушения.

В зависимости от свойств породы и условий разрушения известный исследователь P.M. Эйгелес выделяет три механизма разрушения.

По первому при внедрении индентора (зуба долота) после выхода породы из упругого состояния разрушение в виде трещины начинается в зоне контура контактной площадки при сравнительно малой нагрузке на зуб. Трещина в массиве породы имеет вид расходящегося кругового или эллиптического конуса. Коническая трещина разделяет верхнюю часть полупространства на две области: усеченный конус и окружающую его консоль. Последняя стадия процесса разрушения заключается в отломе консоли путем передачи на нее части давления штампа через материал конуса. Отлому консоли предшествует полное или частичное разрушение материала конуса, приводящее к увеличению доли внешнего давления, передаваемого на консоль. Это давление со стороны конуса приводит к изгибу консоли и появлению на внутренней поверхности растягивающих напряжений, под действием которых образуется трещина отрыва (магистральная трещина), чаще всего нормальная к конической трещине. При выходе магистральной трещины на поверхность консоль отламывается, и первый скачок процесса разрушения вдавливанием завершается.

В ряде пород первый механизм разрушения либо совсем не развивается, либо, начав развиваться, затухает и в дальнейшем действует второй механизм разрушения, при котором наблюдаются некоторые отличия в инкубационный период разрушения. Однако, какова бы ни была физическая природа структурных изменений в ядре, результатом является то, что полупространство, как и при первом механизме разрушения, разделяется на две части: предразрушенное ядро и окружающую его упругую консоль. На заключительной стадии процесс разрушения протекает по первому механизму.

По третьему механизму породы разрушаются при наличии высокого всестороннего давления (всестороннего сжатия). С увеличением р_с уменьшается объем предразрушенной зоны и растет необходимая для ее образования нагрузка, но характер этой стадии процесса разрушения качественно остается таким же, как при втором механизме в атмосферных условиях. Однако в заключительной стадии процесса разрушения наличие всестороннего сжатия может привести к решающим качественным изменениям.

Высокое всестороннее давление практически полностью подавляет развитие конической трещины и препятствует отлому консоли. Для завершения процесса разрушения в этом случае требуется значительное увеличение осевой нагрузки.

При внедрении зубца шарошечного долота в массив породы в атмосферных условиях образуются радиальные и магистральные трещины.

Первоначально зарождаются они практически перпендикулярно к поверхности образца, обтекая ядро уплотненной породы, распространяются в глубь массива радиально, облегчая последующее разрушение. Магистральные трещины зарождаются в глубине породы и при выходе на поверхность образуют лунку выкола (рис. 2.2.), т.е. их размеры (L_Т) предопределяют эффективность разрушения породы за каждое поражение забоя и в целом - механическую скорость проходки.

Первоначально образуются радиальные трещины, траектория которых не зависит от значения р_с. Однако от действия р_с в скелете породы возникают дополнительные напряжения, которые препятствуют зарождению и распространению трещин. В момент продвижения магистральных трещин возникает угнетающее давление р_у, затрудняющее продвижение магистральных трещин и влияющее на траекторию и величину L_T (см. рис. 2.2.). Длина магистральных трещин и соответственно объем разрушенной породы резко уменьшаются.

Рис. 2.2. Характер развития трещин в породе при вертикальном внедрении индентора (I, III) и зуба долота (II) под действием силы G₃:

1 — породный клин; 2 — магистральные трещины; 3 — главные трещины; 4 — радиальные трещины

В процессе бурения в проницаемых горных породах под действием положительного перепада давления (р_с > р_пл ) в системе «скважина – пласт» фильтрат бурового раствора проникает в породу. При фильтровании дисперсная фаза раствора, частично кольматируя слой породы, отлагается на ее поверхности в виде слоя осадка, образуя фильтрационную (глинистую) корку, которая совместно с породой оказывает дополнительное сопротивление движению фильтрата. Фильтрат, проникая в породу, вызывает перераспределение давления на глубине зарождения магистральных трещин (в дальнейшем - на глубине разрушения δ₀) и, как следствие, напряжений в скелете породы ∆R. В результате по трассе магистральной трещины будет действовать не пластовое, а иное давление, равное давлению на глубине разрушения р_р. Поскольку р_с > р_р, возникает дифференциальное давление (статический перепад давления)

∆р = р_с - р_р, (2.11)

При разрушении непроницаемых горных пород давление на глубине разрушения р_р будет равно поровому (р_р = р_п).

В процессе развития магистральной трещины первоначально давление в ее полости р_t практически равно нулю. Так как р_с > р_t, то над частицей по длине l _Т возникает динамический перепад давления, который прижимает частицу к массиву породы (см. рис. 2.2), т.е. угнетает ее. Во избежание путаницы, в отличие от дифференциального давления, этот перепад давления предложено именовать угнетающим давлением р_у. В общем случае под угнетающим давлением р_у, в отличие от представлений о динамическом перепаде давления, понимается разность между суммарным давлением на забое р_с и давлением в трещине:

р_у = р_с – р_t = р_с - Θр_{р ,} (2.12)

где Θ = р_t/р_р — коэффициент восстановления давления в полости трещины.

Для заполнения полости трещины жидкостью и восстановления в ней давления нужно определенное время. Поэтому в зависимости от времени контакта зубца долота с породой t_к величины р_t и р_у будут различными. Если t_к меньше времени заполнения t₃ объема трещины флюидом, то р_t → 0 и в соответствии с выражением (2.12) получаем р_у ≈ р_с. При t_к больше суммы времени t_c = t₃ + t_в, где t_в — время восстановления давления в трещине до уровня давления жидкости на глубине разрушения р_р, давление в трещине р_t ≈ р_р, а р_у ­≈ р_с - р_р, т.е. р_у будет равно дифференциальному давлению. В общем случае с учетом t_к имеем: р_с - р_р ≤ р_у ≤ р_с.. Следовательно, угнетающее давление в зависимости от условий разрушения проницаемых пород может изменяться от значения дифференциального давления до полного давления на забое скважины р_с. При разрушении непроницаемых горных пород диапазон изменения р_у несколько меньше.

Из сказанного выше следует, что для расчета дифференциального и угнетающего давлений необходимо знать закономерности образования глинистой корки, эпюру распределения давления в приповерхностном слое разрушаемой породы, время заполнения объема магистральной трещины флюидами и время восстановления давления в трещине до уровня р_р. Перераспределение давления в зоне разрушения проницаемой породы на забое и по пласту обусловливается фильтратом бурового раствора, поступающего под давлением из скважин.

Вместе с фильтратом в пласт поступают мелкие частицы раствора, кольматируя его с последующим образованием фильтрационной корки. В то же время, как показывают эксперименты, при определенных условиях бурения фильтрационная корка не успевает формироваться и процесс фильтрации сопровождается только кольматацией горной породы.

Уменьшение эффективной пористости по мере продвижения фронта суспензии приводит к изменению начального значения коэффициента проницаемости среды k₀.

Как показали эксперименты, длина зоны кольматации невелика по сравнению с координатой фронта суспензии к началу стабилизации.

За временные промежутки между двумя последовательными поражениями забоя зубцами долота (десятые доли секунды) фильтрация не выходит за рамки мгновенной. В этом случае фронт фильтрата продвинется на глубину значительно меньшую возможной зоны кольматации. Нетрудно убедиться, что даже при фильтрации однородной жидкости за

указанный промежуток времени координата фронта весьма мала даже в высокопроницаемых породах.

Итак, при бурении проницаемых горных пород на забое образуется фильтрационная корка и соблюдается соотношение р_с >р_р > р_пл.

При разрушении непроницаемых горных пород дифференциальное давление определяется по формуле:

∆р = р_с - р_п(р_пл), (2.13)

Дифференциальное давление существенно зависит от параметров режима бурения и фильтрационных свойств разрушаемых пород и может изменяться практически от 0 до ∆р, т.е. 0< ∆р_р ≤ ∆р.

Горные породы на глубине находятся в напряженном (сжатом) состоянии. При разрушении непроницаемой горной породы на забое скважины действие р_с проявляется идентично горному давлению вышележащей толщи осадочных пород. При вскрытии пласта, сложенного проницаемой горной породой, фильтрат бурового раствора при р_с > р_пд, проникая в пласт, вызывает перераспределение давления до уровня р_р и соответственно напряжения в скелете породы. Следовательно, слой горной породы, в котором зарождаются и распределяются магистральные трещины, в отличие от атмосферных условий в первом случае находятся в сжатом состоянии без дренирования, во втором - в сжатом состоянии с дренированием при постоянном давлении р_р.

Напряжения в скелете проницаемой породы ∆R, препятствующие зарождению и распространению магистральных трещин, зависят не только от горно-геологических условий залегания пород р_пл, но и от параметров режима бурения, механических и фильтрационных свойств разрушаемых пород. Характер изменения ∆R от параметров режима бурения и фильтрационных свойств пород качественно подобен изменению ∆р_р от этих параметров. Более сложное влияние на ∆R оказывает проницаемость породы. Первоначально с увеличением k_о напряжения уменьшаются, а затем возрастают. В зависимости от условий бурения при одном и том же ∆р_р напряжения в скелете породы могут быть различными.

При разрушении непроницаемых горных пород ∆R зависит только от р_с. Однако во всех случаях дифференциальное давление является составной частью напряжений ∆R, которые в зависимости от условий разрушения могут превышать ∆р_р на 5 - 7 МПа.

Для расчета угнетающего давления в момент распространения магистральных трещин необходимо определить давление в полости трещины.

В зависимости от условий бурения угнетающее давление может изменяться практически от значений дифференциального давления до полного давления на забое скважины р_с.

Проведенные исследования указывают на сложное влияние качества бурового раствора и параметров режима бурения на значения ∆р_р, ∆R, t₃, t_B и р_у. Однако они не вскрывают природы влияния забойных факторов на показатели работы шарошечных долот.

Для анализа процесса разрушения и расчета осевых нагрузок, обеспечивающих объемное разрушение горных пород на забое, необходимо использовать значения ∆R, а не дифференциальное давление, как принято в настоящее время. Только при разрушении малопрочных, слабосцементированных горных пород можно ориентироваться на дифференциальное давление, так как в этом случае ∆р_р(∆р) ≈ ∆р.

Из изложенного видно, что если действующая осевая нагрузка на долото С_д обеспечивает нагрузку меньше его значения, то магистральные трещины вообще не будут зарождаться, а при отрывающем усилии G_p также меньше его значения магистральные трещины будут останавливаться. При этом эффективность разрушения v_m снижается.

При внедрении зубца долота в породу только часть осевой нагрузки "задалживается" непосредственно на развитие трещин. Отношение этой части нагрузки G₀ к общей осевой, обеспечивающей зарождение магистральных трещин G₃, называется коэффициентом передачи осевой нагрузки λ. Для определения λ предложена следующая зависимость:

где λ_р, λ₀ - соответственно текущее и начальное значения коэффициента передачи осевой нагрузки, R_о – прочность горной породы, fз – величина перемещения фронта буровой суспензии (раствора) в породу на забое скважины.

Выражение (2.14) иллюстрирует зависимость коэффициента передачи осевой нагрузки от механических и фильтрационных свойств разрушаемых пород, давлений р_с, р_пл и ∆р_р, а также от качества бурового раствора и частоты вращения долота.