Комбіноване руйнування гірських порід при бурінні глибоких свердловин

Размещено на http://www.allbest.ru/

28

|

УДК 622.026

БУРIННЯ НАФТОВИХ I ГАЗОВИХ СВЕРДЛОВИН

КОМБІНОВАНЕ РУЙНУВАННЯ ГІРСЬКИХ ПОРІД ПРИ БУРІННІ ГЛИБОКИХ СВЕРДЛОВИН

¹Е.М.Барановський, ²В.М.Мойсишин

¹ Комплексна лабораторія технології буріння та кріплення свердловин ПВ УкрДГРІ; 79018, м. Львів, вул. Тургенєва, 33; к. 45; тел. (032) 2373126; e-mail: pvukrdgri@mail.lviv.ua

² ІФНТУНГ; 76019, м. Івано-Франківськ, вул. Карпатська, 15; тел. (03422) 42123; e-mail: math@nung.edu.ua

Рассматривается возможность снижения энергоемкости разрушения горных пород в глубоком бурении за счет использования энергии горного массива. Установлено, что на определенной глубине скважины эта энергия достигает таких размеров, что дает возможность осуществлять эффективное разрушение породы. Предложены формулы для определения составляющих баланса энергии данного процесса, который положил начало комбинированному разрушению породы при бурении глубоких скважин. Результаты проведенных расчетов по данным формулам показали, что его эффективность зависит от соотношения удельной механической энергии разрушения и удельной потенциальной энергии изменения объема. Анализ формулы для определения удельной механической энергии разрушения, а также проведенные расчеты показали, что эта энергия может быть мерой эффективности работы породоразрушающего инструмента в конкретных породах

руйнування гірський буріння свердловина

The possibility of lowering of energy output of corrupting of rocks in deep drilling is considered at the expense of usage of energy of the mountain array. It is installed that on the defined well depth this energy reaches such sizes, that enables to realize effective corrupting of rock. The formulas for definition of components of balance of the given process are proposed, which one has put a beginning to combined corrupting of rock at deep well. The outcomes of the held accounts on datas to the formulas have shown. That its efficiency depends on a relation of specific mechanical energy of corrupting and specific potential energy of change of size. The analysis of the formula for definition of specific mechanical energy of corrupting, and also the accounts held on it have shown that this energy can be a measure of an overall performance of the rockdestroying tool in concrete rocks.

Основою сучасної техніки, що застосовується в глибокому бурінні, є механічне руйнування гірських порід. Оскільки механічне руйнування здійснюється за допомогою породоруйнівних інструментів, то їх роль як засобу дії на гірську породу є важливою і поки що вирішальною. Однак будь-який інструмент має межу міцності та стійкості проти спрацювання і не може ефективно використовуватися для руйнування широкої гами міцності гірських порід.

З метою зниження енергоємності процесу руйнування порід найбільш перспективними є комбіновані методи, при яких фізична дія на них використовується для зниження міцності порід до величини, яка дозволяє здійснити ефективне механічне руйнування. Це зумовлено такими чинниками [1]:

- руйнування порід механічними способами можливе тільки дуже міцними зносостійкими робочими органами, які заглиблюються в породу при прикладанні до них великих зусиль;

- механічне руйнування пов'язане з поверхневою дією на породу, в результаті чого в останній переважають сили стиснення на відміну від фізичних способів, при яких в процесі руйнування, як правило, основну роль відіграють розтягуючі напруження;

- з метою досягнення руйнівних напружень при механічному руйнуванні скельних порід використовують енергію вибуху, що ускладнює технологію виконання робіт;

- енергоємність руйнування порід механічними способами залежить від їх міцності, в той час як для фізичних методів міцність взагалі може не впливати на величину роботи руйнування.

Практика і експерименти засвідчують, що механічне руйнування ефективне тільки при роботі руйнування не більше 10⁵ Дж/м³, фізичне - при роботі руйнування 510⁸ Дж/м³ і менше [2]. Таким чином, з метою зниження енергоємності процесу руйнування порід фізичними способами найбільш перспективні комбіновані методи, в яких фізична дія використовується тільки для зниження міцності породи до величини, яка дозволяє здійснити ефективне механічне руйнування.

Проведений аналіз енергетичної оцінки стану гірського масиву [3, 4] показав, що він володіє енергією, яка активно проявляється у вигляді деформації і руйнувань в зонах, де породи перебувають в граничному стані. Отже, за наявності відповідної кількості енергії можна отримати принципово новий спосіб комбінованого руйнування, в якому проходять два процеси - саморуйнування породи, яке викликане накопиченою енергією в гірському масиві і механічне руйнування, яке спрямоване на подрібнення породи.

Вперше цей спосіб було використано при проведенні гірничих виробок комбайновим способом у викидонебезпечних породах [5]. Однак пряме перенесення даної технології в практику глибокого буріння неможливе. Це пов'язано з суттєвою різницею бурової свердловини від шахтних стовбурів, яка полягає в тому, що на напружено-деформований стан гірських порід можна діяти не тільки зміною конструкції і часу її проводки, але й протитиском бурового розчину та регулюванням фізико-хімічних процесів його взаємодії з гірськими породами.

Розглянемо процес руйнування гірських порід, який проходить в гірничій виробці. Встановлено, що частина енергії, яка накопичується в гірській породі в процесі буріння, витрачається на зміну об'єму, а частина - на зміну форми [3].

Таким чином можна вважати, що повна питома потенціальна енергія деформації дорівнює

, (1)

де: - питома потенціальна енергія, яка накопичується за рахунок зміни об'єму;

- питома потенціальна енергія формозміни, яка накопичується за рахунок зміни форми елемента.

При розрахунках стійкості вибою свердловини до саморуйнування взято співвідношення, яке є умовою міцності породи до саморуйнування при дії питомої потенціальної енергії зміни об'єму [4]

(9124)

. (2)

За даними, розрахованими для Кольської надглибокої свердловини (СГ-3) побудовано графік (рис. 1), на якому показано характер залежності саморуйнування породи на вибої свердловини від співвідношення питомих потенціальних енергій зміни об'єму при лінійному і об'ємному напружених її станах. Як бачимо, початок саморуйнування гірської породи на вибої знаходиться на глибині 2000 м при = 10⁵ Дж/м³, що значно нижче його ефективного значення.

На основі експериментальних даних зміни буримості породи із зростанням глибини свердловини СГ-3 побудовано графік (рис. 2), на якому представлено вплив питомої потенціальної енергії зміни об'єму на механічну швидкість буріння. Характер її зміни проходить поступово до значення = 10⁶ Дж/м³. При подальшому зростанні питомої потенціальної енергії зміни об'єму саморуйнування породи на вибої проходить в ефективному режимі, що спричинює різке збільшення механічної швидкості буріння.

Для оцінки питомої роботи саморуйнування гірської породи на вибої можна використати залежність [4]

[], (3)

де: - модуль Юнга;

- коефіцієнт Пуассона;

- допустиме значення нормального напруження, прийняте для лінійного розтягу або стиснення.

Якщо гірські породи володіють пластичною деформацією, то питома робота саморуйнування породи на вибої може визначатись за формулою [1]

[], (4)

де - коефіцієнт пластичності породи.

При оцінці стійкості гірської породи до саморуйнування можна розглядати її як здатність матеріальної системи зберігати свій стан в умовах збурюючих чинників технологічної дії. Кількісну оцінку стійкості () з врахуванням енергії гірського масиву можна визначити за формулою

, (5)

де: - прискорення вільного падіння;

- глибина свердловини;

, - густина породи і рідини відповідно.

За даною формулою зроблено розрахунки, результати яких подано у вигляді графіка (рис. 3). Отримана залежність зміни коефіцієнта стійкості породи до саморуйнування на вибої свердловини від коефіцієнта пластичності порід носить лінійний характер.

Для визначення питомої енергії, затраченої на механічне руйнування породи, скористаємось формулою [6]

, (6)

де: - осьове навантаження на долото;

- частота обертів долота;

- діаметр долота;

- механічна швидкість буріння.

Формула (6) подана у метричній системі. У системі СІ вона буде мати вигляд

. (7)

Однак дана формула не враховує основні фізико-механічні властивості породи, тип і конструкцію долота. При розрахунках за нею питома енергія механічного руйнування породи перевищує питому енергію її саморуйнування, що є неможливим. Після внесення відповідних змін перепишемо її у вигляді

, (8)

де - коефіцієнт, який залежить від властивостей породи, типу і конструкції долота.

При бурінні кільцевим вибоєм формула набуває вигляду

, (9)

де - діаметр керна.

На підставі наведених формул зроблено розрахунки для свердловини СГ-3, ефективності комбінованого руйнування гірської породи від співвідношення питомої механічної енергії руйнування породи і питомої потенціальної енергії зміни об'єму. Як видно з графіка (рис. 4), процес ефективного комбінованого руйнування породи починається з глибини >5500 м, так як у цьому випадку > .

Незважаючи на те, що руйнування носить різний характер, принцип керування ним у всіх випадках зберігається одним і тим же і полягає в регульованій дії на поверхню, що дає змогу цілеспрямовано використовувати енергію гірського масиву. У зв'язку з цим набуває вагомого значення величина питомої механічної енергії руйнування залежно від типу і конструкції долота. Із рівняння (7) видно, що для кожного конкретного типу долота питома енергія u_р може бути постійною при будь-якій комбінації величин G і n. Зміна величини добутку може дати збільшення механічної швидкості буріння. Для доліт кожного типу існує певне раціональне співвідношення величин і . Отже, питома енергія являє собою міру ефективності роботи долота в конкретних відкладах.

В табл. 1 наведено розраховані дані зміни питомої енергії механічного руйнування породи для різних типів доліт діаметром 140 мм при відробці їх в крейдяних відкладах в інтервалі 2500-4000 м [7]. Отримані результати підтверджують викладені вище міркування.

Таблиця 1 -- Питома енергія механічного руйнування породи різними типами доліт

Література

1. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - Изд.3-е. - М.: Недра, 1978. - 390 с.

2. Ржевский В.В. Физико-технические параметры горных пород. - М.: Наука, 1975. - 211 с.

3. Зорин А.Н. Управление динамическими проявлениями горного давления. - М.: Недра, 1978. - 175 с.

4. Барановський Е.М. Енергетична оцінка стану гірського масиву при бурінні глибоких свердловин // Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. Вип. 1(14). - Івано-Фран-ківськ, 2005. - С.34-39.

5. Зорин А.Н., Халимендик Ю.М., Колесников В.Г. Механика разрушения горного массива и использование его энергии при добыче полезных ископаемых. - М.: Недра, 2001. - 413 с.

6. Рабиа Х. Технология бурения нефтяных скважин: Пер. с англ. - М.: Недра, 1989. - 413 с.

7. симонянц Л.Е. разрушение горных пород и рациональная характеристика двигателей для бурения. - М.: Недра, 1966. - 226 с.

Размещено на Allbest.ru