Аннотация

В статье рассматривается возможность использования энергии горного массива при решении проблемы стойкости ствола скважины. Для определения начала саморазрушения породы в стенке скважины использована теория постоянной упругой энергии формоизменения. Предложена формула для оценки стойкости ствола скважины с учётом энергии горного массива. Установлен характер зависимости её от глубины скважины и соотношения . Для условий глубокого бурения подтверждена гипотеза о том, что разрушение породы вокруг горной выработки проходит до тех пор, пока она не примет форму эллипса или в её стенке не образуется полость близкая по форме к шаровой.

Abstract

In the article possibility of the use of energy of mountain range is examined at the decision of problem of firmness of trunk of mining hole. For determination began destructions of breed the theory of permanent resilient energy of change of form is used in the wall of mining hole. A formula is offered for estimation of firmness of trunk of mining hole taking into account energy of mountain range. Character of dependence of it is set from the depth of mining hole and correlation of scopes of durability of mountain breed on compression and tension. For the terms of the deep boring drilling a hypothesis is confirmed that destruction of breed round the mountain making passes until it will not take form of ellipse or in its wall a cavity does not appear near in a due form to the ball.

Проблема стійкості стовбура свердловини була і залишається актуальною, так як від її вирішення в значній мірі залежить результативність основного виду геологорозвідувальних робіт - буріння глибоких свердловин. Непередбачена поведінка розбурюваних порід нерідко є причиною ускладнень при бурінні свердловини, які супроводжуються дороговартісними простоями бурової, а іноді ведуть до часткової або повної втрати пробуреного стовбура. Незадовільний стан стінок свердловини, змінює кільцеву зону породи, яка за формою може бути значно модифікована, що проявляється в розвитку еліпсності в одному напрямку, зменшенні діаметра в іншому і утворенні майже круглих каверн на стінці свердловини [1,2]. Різке зростання в кавернозному стовбурі з еліпсною формою перерізу сил опору осьовому переміщенню і обертанню бурильної колони приводять до невизначеності зміни її довжини і навантаження на гаку, які фіксуються на денній поверхні, що вкрай затруднює керування процесом буріння.

Зашламування привибійної зони, наявність в стовбурі застійних кавернозних ділянок, в яких проходить зменшення ефективного перерізу висхідного потоку промивальної рідини і накопичення шламового матеріалу, також в значній мірі затруднюють керування процесом буріння. При розширенні пробурених інтервалів стовбура можливі випадки втрати основного стовбура, що може призвести до перебурювання значних інтервалів. Не знайшла підтвердження гіпотеза про те, що після релаксації напружень в пристовбурному масиві в процесі розширення повинен формуватися стовбур з круглою формою перерізу діаметром близьким до номінального [3]. свердловина опір гірський буріння

Існуючі методи вирішення цих проблем, які реалізуються в сучасній практиці буріння, інколи можуть бути недостатніми. Так збільшення густини бурового розчину досить часто приводить до протилежного ефекту - зниження стійкості стінок свердловин. Інші рішення, наприклад закачування в свердловину спеціальних сумішей для зменшення опору повздовжнім переміщенням бурильної колони чи використання в її компоновці спеціальних пристроїв (амортизаторів, стабілізаторів) інколи також можуть виявитися неефективними. Додаткові витрати, пов'язані з цими ускладненнями, вимагають прийняття невідкладних рішень, однак отримана на даний момент інформація відносно поведінки порід часто буває недостатньою для коректного діагностування фактичних їх причин і прийняття відповідних дій по усуненню.

Насправді проблема полягає в тому, щоб знати і бути здатним прогнозувати реакцію породи на механічне навантаження: руйнування під долотом і руйнування на стінці свердловини. Це класична задача геомеханіки, але вирішити її не так просто. Для вирішення цих питань вибрано комбінований метод, який базується на спостереженнях і виявленні реальних ускладнень в свердловині та перевірці теоретичних моделей, з метою пояснення розходжень, що зумовлені несприятливою поведінкою гірських порід.

Питання стійкості стовбура свердловини теоретично розглядались в багатьох публікаціях. В деяких із них йдеться про практичне застосування теорії в конкретних ситуаціях [4,5]. Проблема стійкості була досліджена додатково з врахуванням вказаних труднощів і невирішених питань, при цьому малось на увазі наступне:

- критерії пружно-пластичного руйнування порід іноді дають занижені оцінки умов, які визначають стійкість стовбура свердловини;

- існуючі традиційні технології і засоби проведення гірничих виробок, які грунтуються на руйнуванні гірської породи як інертного матеріалу, є джерелом і причиною активації сил гірського тиску;

- отримані аналітичні дослідження свідчать про те, що в напруженому масиві відбувається накопичення величезних запасів потенціальної енергії, яка може реалізуватись у вигляді різних проявів.

В ряді робіт було запропоновано використовувати поняття біфуркації порід (роздвоєння), для того щоб правильно описати початок руйнування породи в процесі лабораторних випробувань під дією трьохосьових навантажень, а в реальних умовах на стінці свердловини. Однак проведені дослідження відносно початку біфуркації в змодельованих стовбурах свердловин чи в товстостінних порожнистих циліндрах ніколи не виходили за межі експериментальних даних, аналізів класичного шару зсуву і розвантаження тріщин чи поверхневої нестійкості, які являються лише етапами переходу від результатів лабораторних досліджень зразків під дією одноосьових і трьохосьових навантажень. Про те ці спостереження не можуть слугувати підтвердженням використання теорії біфуркації до гірської породи [1].

В даному дослідженні зроблена спроба використати накопичену енергію в масиві гірських порід для визначення початкового або кінцевого стану біфуркації. Проведені теоретичні дослідження, які підтвердженні промисловим матеріалом при бурінні Кольської надглибокої свердловини (СГ-3), Шевченкове-1, Синєвидне-1 дають можливість стверджувати, що біфуркація порід є не що інше як їх саморуйнування в результаті дії накопиченої гірським масивом енергії. Для визначення початку саморуйнування породи скористаємось теорією Губер-Мізеса-Генкі (теорією постійної пружної енергії формозміни) [6]. Руйнування не відбувається, якщо

, (1)

де: - питома енергія пружної деформації формозміни;

- постійна матеріалу, яка характеризує напруження, що викликають руйнування матеріалу чи перехід за межу текучості при одноосьовому розтягу (стисненні);

- модуль зсуву, який визначається за формулою:

.

Питома енергія пружної деформації формозміни представляє собою повну енергію одиниці об'єму за відрахуванням енергії об'ємного розширення, тобто:

= , (2)

де: , , - головні напруження.

У випадку , , тобто коли мова йде про простий розтяг (стиснення):

= .

На підставі вищесказаного для умов гірничої виробки формулу (1) можна представити у вигляді

,(3)

де: - питома потенціальна енергія формозміни при об'ємному напруженому стані породи;

- питома потенціальна енергія при лінійному напруженому стані породи.

За даними, розрахованими для свердловини СГ-3 [7] побудовано графік (рис. 1), на якому показано залежність саморуйнування породи від співвідношення питомих потенціальних енергій формозміни при лінійному і об'ємному напружених її станах. Як видно із графіка на глибині 5000 м >, що свідчить про початок саморуйнування гірської породи.

Розробка науково обґрунтованих методів прогнозування проявів гірського тиску в загальному пов'язана з вирішенням проблем стійкості виробки в процесі її проведення і експлуатації. Стійкість її можна розглядати як здатність матеріальної системи зберігати свій стан в умовах збурюючих чинників (технологічної дії). Кількісну оцінку стійкості () з врахуванням енергії гірського масиву можна визначити із формули (3)

.(4)

На основі експериментальних даних зміни коефіцієнта стійкості стовбура з ростом глибини Кольської свердловини і отриманих за розрахунками побудовано графік залежності його від глибини свердловини (рис. 2). Рівень збіжності експериментальних і аналітичних даних свідчить про правомірність прийнятої методики для розрахунків коефіцієнта стійкості стовбура свердловини.

Стійкість гірських порід, які по різному чинять опір розтягу і стисненню, визначається границею міцності на стиснення і його відношенням до границі міцності на розтяг. Чисельний розрахунок стійкості породного масиву біля вибою виробки, в залежності від зміни співвідношення представлено на графіку (рис. 3). Розрахунок показав, що із збільшенням вказаного співвідношення коефіцієнт стійкості знижується. Такий результат узгоджується з відомим в механіці фактом про те, що із зростанням співвідношення границі міцності на стиснення до границі міцності на розтяг підвищується схильність порід до крихкого руйнування, тобто знижується їх стійкість при деформуванні [8].

Лабораторними і аналітичними дослідженнями встановлено, що суттєвий вплив на стійкість гірничих виробок чинять форма перерізу і нерівності його контуру. Найменша величина напружень і найбільш рівномірний їх розподіл досягається при криволінійній формі перерізу виробки, яка є найбільш сприятливою з точки зору її стійкості [9].

Розглянемо гірничу виробку еліптичного поперечного перерізу, проведеній в пружному ізотропному середовищі. Найбільше тангенціальне напруження, що має місце на контурі виробки визначається за формулою:

=+ -

,(5)

де: - вертикальне напруження;

- бічний опір;

a і b - відповідно мала і велика півосі еліпса;

- полярний кут.

Аналіз формули і розрахунки даних [10] показують, що якщо відношення півосей еліптичної форми виробки рівне відношенню компонентів напружень незайманого масиву, то розподіл тангенціальних напружень на контурі виробки буде оптимальним з точки зору її стійкості. Натурні спостереження і виміри показали, що порожнина утворена при руйнуванні породи може охоплювати цілий контур гірничої виробки наближуючись по формі до кульової поверхні або частини її. В цьому випадку форма порожнини близька до еліпсоїда.

На основі викладеного можна припустити, що руйнування породи довкола виробки буде проходити до тих пір, доки вона не прийме форму еліпса. Для перевірки цієї гіпотези в умовах глибокого буріння нами проведено розрахунки, в яких використано типові форми перерізу стовбура свердловини СГ-3. Результати їх подано у вигляді графіка (рис. 4), що дає можливість визначити глибину вибою, на якій відсутнє саморуйнування породи, а також залежність вказаного процесу від співвідношення питомих потенціальних енергій формозміни при лінійному і об'ємному напружених станах породи. Як видно із графіка на глибині 4000 - 7000 м <, що свідчить про відсутність процесу саморуйнування породи.

При проведенні вертикальних стволів [11], руйнування будуть проходити до утворення порожнини за формою близькою до кульової, оскільки в цьому випадку величина напружень буде нижче їх величини на контурі циліндричної виробки. В цьому легко переконатися, порівнюючи відомі формули для тангенціальних напружень циліндра і кулі:

, (6)

.

При і , маємо:

, (7)

.

З метою перевірки викладеного положення для умов свердловини СГ-3 проведені розрахунки, результати яких подано у вигляді графіка (рис. 5). З отриманої графічної залежності видно, що при наявності в стінці свердловини кульових каверн в інтервалі глибин 4000-7000 м процесу саморуйнування породи не відмічено, що підтверджує зроблені вище припущення.

Таким чином при відомих значеннях компонент питомої потенціальної енергії формозміни (при лінійному і об'ємному напружених станах породи) можна визначити коефіцієнт стійкості стовбура свердловини та початок саморуйнування породи на конкретній глибині. Отримані дані дають можливість спрогнозувати найбільш прийнятну форму і розміри виробки, яка проводиться в даному інтервалі поглиблення свердловини.

Рисунок 1 - Залежність саморуйнування гірської породи в стінці свердловини від співвідношення питомих потенціальних енергій формозміни при лінійному і об'ємному напружених станах породи

1 - питома потенціальна енергія формозміни при лінійному напруженому стані породи; 2 - питома потенціальна енергія формозміни при об'ємному напруженому стані породи

Рисунок 2 - Залежність коефіцієнта стійкості стовбура від глибини свердловини

1 - для ізотропних порід (експериментальні дані); 2 - для анізотропних порід (експериментальні дані); 3 - розрахункові дані

Рисунок 3 - Залежність коефіцієнта стійкості стовбура від співвідношення границь міцності породи на стиснення і розтяг

Рисунок 4 - Залежність саморуйнування гірської породи в стінці свердловини від ступеня еліпсності перерізу стовбура

1 - енергія формозміни при лінійному напруженому стані породи; 2 - енергія формозміни при об'ємному напруженому стані породи (циліндрична форма перерізу стовбура); 3 - енергія формозміни при об'ємному напруженому стані породи (еліпсна форма перерізу стовбура)

Рисунок 5 - Залежність саморуйнування гірської породи в стінці свердловини від утворення порожнини за формою близькою до кульової

1 - енергія формозміни при лінійному напруженому стані породи; 2 - енергія формозміни при об'ємному напруженому стані породи (циліндрична форма порожнини); 3 - енергія формозміни при об'ємному напруженому стані породи (кульова форма порожнини)

Література

1. Мори В., Фурментро Д. Механика горных пород применительно к проблемам разведки и добычи нефти: Пер. с франц. и англ. - М.: Мир, 1994. - 416 с.

2. Сеид-Рза М.К., Фараджев Т.Г., Гасаев Р.А. Предупреждение осложнений в кинетике буровых процессов. - М.: Недра, 1991. - 272 с.

3. Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследований. - М.: МФ «Технонефтегаз», 1998. - 260 с.

4. Локтєв С.В., Мельник М.П., Філь В.Г., Яремійчук Я.С. Урахування напружено- деформованого стану гірського масиву при виборі траєкторії свердловини // Нафт. і газова пром-сть. - 1998. - №5. - С.18-21.

5. Проницаемость горных пород и эффективность поддержания устойчивости ствола глубоких и сверхглубоких скважин давлением бурового раствора / Ставрогин А.Н., Тарасов Б.Г., Ширпес О.А., Мехнецов И.А., Савицкий С.Т. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1992. - №5. - С.7-17.

6. Ершов Л.В., Либерман Л.К., Нейман И.Б. Механика горных пород. - М.: Недра, 1987. - 192 с.

7. Кольская сверхглубокая. Исследование глубинного строения континентальной коры с помощью бурения Кольской сверхглубокой скважины. -- М.: Недра, 1984. -- 490с.

8. Управление состоянием горного массива. / Зорин А.Н., Колесников В.Г., Минав С.П., Прусова А.А., Ковтун Е.Д. / - К.: Наук. Думка, 1986. - 212 с.

9. Айзаксон Э. Давление горных пород в шахтах. - М.: Госгортехиздат

10. Черепанов Г.П. Равнопрочная выработка в горном массиве. - В.кн.: Проблемы механики горных пород. Алма-Ата: Наука, 1966. - С.471-497.

11. Зорин А.Н. Управление динамическими проявлениями горного давления. М.: Недра, 1978.- 175 с. Размещено на Allbest.ru