Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

К числу основных забойных и режимных параметров, ко­торые могут оказать серьезное влияние на характеристики со­противляемости горных пород внедрению в них породоразру­шающих элементов, относятся давление на поверхность породы промывочного раствора и изменяющаяся скорость взаимодейст­вия этих элементов с забоем. Выше, в главе 2, при описании экспериментальных зависимостей силы сопротивления породы от глубины внедрения индентора, кратко был описан общий характер влияния дифференциального давления и скорости взаимодействия на характеристики P(z). Рассмотрим эти во­просы несколько подробнее.

Наличие определенной величины давления промывочнот раствора в призабойной зоне, его взаимодействие с жидкостью, заполняющей поры горной породы, боковое горное давление окружающего массива могут оказывать значительное влияние на качественные и количественные характеристики процесса разрушения породы и на механизм этого процесса.

Выше были рассмотрены два основных типа механизмов, разрушения горных пород, встречающихся при атмосферных ус­ловиях. При наложении всестороннего сжатия на разрушаемую область хрупкое разрушение в ряде случаев сменяется пласти­ческим. Вместо растягивающих напряжений основную роль на­чинают играть касательные. Следовательно, любая порода, дающая разрушение по первому механизму в атмосферных условиях, на забое глубокой скважины начнет разрушаться по второму механизму. Изменение типа механизма разрушения весьма невыгодно, так как образование конической трещины облегчает осуществление заключительной стадии — отделение породы от массива. Таким образом, можно сказать, что при некоторой величине всестороннего давления существует только второй механизм, связанный с образованием более или менее значительного ядра предразрушения. Следует иметь в виду, что термин «всестороннее давление» или «всестороннее сжатие» является условным. Под ним понимается комбинация давления раствора, порового и бокового давлений. Очевидно, что значи­тельную роль при этом играет перепад между давлением раст­вора в призабойной зоне скважины и давлением поровой жид­кости, который растет с увеличением всестороннего давления.

При дальнейшем возрастании всестороннего сжатия в ходе протекания второго механизма разрушения возникают сущест­венные изменения. Они в основном сводятся к некоторому из­менению конфигурации ядра предразрушения. Это изменение неодинаково для разных пород и при разных комбинациях компонентов всестороннего сжатия, но общий его характер сводится к тому, что глубина ядра предразрушения умень­шается, а диаметр увеличивается. Иными словами, ядро как бы сплющивается к поверхности. При этом существенно уве­личивается удельная нагрузка на индентор, необходимая для формирования этого ядра. Так, для мрамора «коелга» нагруз­ка, образующая замкнутое ядро предразрушения, увеличива­ется с 1930 кгс/см2 при атмосферном давлении до 4720 кгс/см2 при всестороннем давлении, соответствующем забою скважины глубиной 5000 м при плотности раствора 1,2 г/см3. Для более крепких горных пород изменение необходимой удельной нагруз­ки не столь существенно. Так, для золенгофенского известняка нагрузка соответственно составляет 7810 и 10 170 кгс/см2. Эти цифры получены расчетным путем с использованием прочност­ного анализа области породы, непосредственно примыкающей к контактной площадке. Однако этот метод не позволяет иссле­довать развитие процесса разрушения вплоть до отлома кон­соли и образования лунки. Ясно, что с увеличением всесторон­него давления уменьшается объем предразрушенной зоны и растет необходимая для ее образования нагрузка, но общий характер этой стадии процесса разрушения качественно оста­ется таким же, как при втором механизме при атмосферных условиях. Зато в заключительной стадии процесса разрушения наличие всестороннего сжатия может привести к решающим
качественным изменениям. Когда давление на консоль, окру­жающую контактную площадку, оказывается достаточным для ее вылома, действие этих внутренних сил подавляется диффе­ренциальным давлением, т. е. перепадом между забойным и поровым давлениями. В связи с этим становится очевидной роль проницаемости призабойного слоя породы, обусловленной как естественной пористостью, так и трещиноватостью, возник­шей в процессе взаимодействия с индентором. Разумеется, во­прос о действительной величине перепада давлений с внешней и внутренней сторон консоли в большой степени зависит от свойств промывочного агента.

Экспериментальные исследования убедительно показыва­ют, что лишь небольшая часть нагрузки на индентор передается через раздробленную породу на упругую консоль и выламы­вает ее. Но чтобы произвести вылом консоли, поддерживаемой перепадом давлений, нужно значительно увеличить внешнюю нагрузку на индентор. В процессе этого возрастания нагрузки ядро предразрушения увеличивается и становится больше, чем

при атмосферных услови — р ях. Индентор заметно

внедряется в массив по­роды, и вытесняемый им раздробленный материал приподнимает все еще уп­ругую консоль (рис. 31).

В сущности, при весь­ма высоком всестороннем давлении возникает тпе — тий механизм разруше­ния, при котором инден­тор глубоко внедряется в породу, вокруг него и под

Рис. 31. Схема третьего механизма ним развивается неболь-

разрушения шая зона раздробленного

материала и в конце кон­цов может произойти вылом консоли. Но для этого требуется весьма значительная осевая нагрузка. Правда, и размеры вы­ломанной консоли должны быть очень велики, так как она на­чинается довольно глубоко, ниже основания внедрившегося ин­дентора.

Практически в большинстве реальных вариантов бурения не представляется возможным осуществить нагрузку на долото, достаточную для того, чтобы его зубцы осуществляли третий механизм разрушения. Поэтому вместо отделения породы от массива на забое образуются более или менее глубокие отпе­чатки зубцов долота, ибо при каждом отдельном акте взаимо­действия процесс разрушения не достигает реализации первого скачка разрушения.

Нетрудно понять, что и динамические характеристики гор­ных пород при наложении всестороннего сжатия должны пре­терпеть серьезные количественные и качественные изменения. Поскольку при высоком всестороннем давлении первый скачок разрушения отнюдь не всегда достигается, то и сравнение по показателям силы, необходимой на разрушение, и объема раз­рушенной породы, видимо, неосуществимо.

Покажем изменение динамических характеристик на приме­ре разрушения мелкозернистого слюдистого песчаника. При вдавливании в эту породу плоскодонного цилиндрического1 индентора в атмосферных условиях развивается первый меха­низм разрушения с образованием конической трещины. Удель­ное давление, равное 2500 кгс/см2, приводит к образованию лунки разрушения. Переход к равномерному всестороннему дав­лению жидкости на образец, рав­ному 1000 кгс/см2, приводит к из­менению формы и размеров лун­ки, а также характера кривых P{z). На рис. 32 представлены зги характеристики для атмос­ферных условий, а также при всестороннем давлении воды и глинистых растворов с водоотда­чей 33 и 1,8 см3 за 30 мин. Вы­сокое всестороннее давление практически полностью подавля­ет развитие конической трещины, и разрушение происходит по схеме второго механизма. При контакте с водой порода разру­шается практически при той же нагрузке, что и при атмосфер­ном давлении. При контакте с глинистым раствором с высокой водоотдачей кривая P(z) может быть разделена на два участ­ка. На первом, соответствующем удельной нагрузке на инден­тор до 3500 кгс/см2, индентор интенсивно внедряется в породу. В конце этого участка образуется лунка разрушения при углуб­лении индентора около 4 мм. На втором участке увеличение нагрузки более чем в 3 раза приводит лишь к незначительному внедрению индентора.

Переход при высоком всестороннем давлении к раствору с. низкой водоотдачей приводит к значительному увеличению со­противления породы внедрению инструмента, видимого разру­шения не получается, в породе остается отпечаток индентора. Кривая Р (z) имеет монотонно возрастающий характер.

Приведенный пример подтверждает, что комплекс давлений
в призабойной зоне оказывает в ряде случаев огромное влия­ние на характеристики и показатели процесса разрушения. Это влияние имеет в неодинаковых случаях весьма различный ха­рактер. Поэтому практически нет возможности вносить какие — либо поправки в характеристики, полученные в атмосферных условиях с целью оценить их изменение при переходе к все­стороннему давлению. Следовательно, при проведении лабора­торных испытаний кернов горных пород величины действующих забойных давлений и состав глинистого раствора должны быть сохранены без изменений и этой цели должны полностью от­вечать методика получения динамических характеристик и кон­струкция соответствующей лабораторной установки.

Рассмотрим теперь влияние скорости взаимодействия зубцов долота с породой на характеристики процесса разрушения. Этот фактор имеет немаловажное практическое значение, по­скольку в практике бурения встречается довольно широкий диапазон изменения скоростей вращения долота. Кроме того, в силу особенностей конструкции зубцы различных венцов име­ют неодинаковые скорости встречи с поверхностью забоя. По­этому важно знать, сколь существенно изменение фактора ско­рости повлияет на динамические характеристики, используемые при моделировании процесса бурения. Как и в других разде­лах настоящей главы, при исследовании влияния скорости учи­тывается возможность одновременного варьирования некоторых других факторов.

Предварительными экспериментами было установлено не­значительное влияние скорости, по сравнению с влиянием все­стороннего давления. Учитывая это, а также то, что фактор скорости выражается количественно (что невозможно, напри­мер, при исследовании влияния состояния поверхности образ­цов), изучение соответствующих зависимостей проводилось ме­тодом линейного планирования экспериментов [1, 37].

В качестве зависимых переменных, т. е. показателей процес­са разрушения, примем силу сопротивления породы при первом скачке разрушения, объем разрушенной породы и удельную энергоемкость разрушения. Все эти показатели определяются при обработке экспериментальных зависимостей P(z). Незави­симым переменным, или влияющим фактором, является прежде всего скорость взаимодействия индентора с породой.

Варьируются также и другие факторы с главной целью оп­ределить влияние их уровней на характер зависимости показа­телей разрушения от скорости. К числу таких факторов в раз­личных вариантах исследования относятся форма и размеры контактной площадки, всестороннее давление и т. д., а кроме того, качественные факторы, такие, как горная порода, тип ин­дентора.

Условия экспериментов предусматривают постоянную ско­рость внедрения индентора в образец горной породы и задан­ную глубину этого внедрения. При такой методике глубина проникновения индентора в образец является не показателем разрушения, а фактором, потенциально влияющим на показа­тели удельной энергоемкости и объема лунки. В частности, та­кая постановка позволяет определить влияние скорости удара на характер важной зависимости V(z).

Введем следующие обозначения:

А — скорость взаимодействия индентора с породй (в м/с):

В — заданная глубина внедрения индентора в породу (в мм);

С — соотношение длинной и короткой сторон площадки при­тупления индентора (в мм/мм).

Уровни варьирования этих показателей сведены в табл. 9.

Таблица 9 Уровни Кодиро вен­ное обсз — н-чепие л в с Верхний…………………………………… + 2,0 4,0 10,0/0,50 Основной…………………………………… 0 1,1 2,5 7,9/0,63 Нижний……………………………………. — 0,2 1,0 5,0/1,00 Интервал варьирования…………………… 0,9 1,5 6,1/0,82

Примечание. Варьи давание показателя С производится при сохранении постоянства площади контакта.

Рассмотрим один из примеров использования методики пла­нирования экспериментов для установления регрессионных за­висимостей показателей процесса разрушения.

В табл. 10 приведены матрица планирования и средние ре­зультаты экспериментов по определению усилия первого скачка

Таблица 10 Кодированные уровни факторов и средние значения показателей разрушения J4s вариан­тов Кодирован­ный уро­вень А Кодирован­ный уро­вень В Кодирован­ный уро­вень С Среднее значе­ние усилия пер­вого скачка Р1, кгс Среднее значе­ние объема лунки V, см3 Среднее значе­ние удельной энергоемкости £уд, кгс-м/см3 1 850 0,061 11,6 2 — + — 867 0,280 11,4 3 + — 1150 0,040 25,4 4 + + — 1133 0,231 15,9 5 + 775 0,065 12,6 6 .— + + 833 0,350 10,6 7 + + 1200 0,046 22,1 8 4- + + 1333 0,283 13,7 9 0 0 0 1045 0,147 15,4

разрушения мрамора в атмосферных условиях индентором с прямоугольной площадкой притупления, а также удельной энер­гоемкости процесса и объема образующихся лунок.

Обработка результатов испытаний в соответствии с теорией планирования экспериментов позволяет получить следующие уравнения регрессии:

Рг = 1018 + 186Л + 245 + 18С + ЬАВ + 45ЛС + 245С;

V = 0,169 — 0.019Л + 0,1165 + 0,016С — 0.009Л5 —

— 0.002ЛС + 0.0145С;

Еуд= 15.4 + 3.9Л —2,55 —0,7С— 1.9Л5 —0,7ЛС—0.15С.

В эти уравнения величины Л, 5 и С следует подставлять в кодированном виде, где эти факторы на верхнем, основном и нижнем уровнях соответственно равны +1; 0 и —1. Промежу­точные значения определяются линейной интерполяцией.

После статистической обработки и отсеивания незначимых факторов и эффектов их взаимодействий уравнения регрессии примут вид

/>!= 1018+ 186Л;

V = 0,169 + 0,1165;

Еуд = 15,4 + 3,9Л — 2,55.

Таким образом, в данном конкретном случае усилие перво­го скачка разрушения характеристики P(z) зависит только от скорости взаимодействия индентора с горной породой, причем характер влияния положителен, т. е. с увеличением скорости усилие первого скачка растет. Из уравнения регрессии очевид­но, что, поскольку эффекты взаимодействия незначимы, харак­тер влияния скорости на силу Р не зависит от формы контакт­ной площадки и заданной глубины внедрения. Объем лунки разрушения, напротив, от скорости взаимодействия существен­но не зависит, а зависит только от глубины лунки. Следова­тельно, в данном конкретном случае не проявилось значимое влияние скорости на характер зависимости Viz).

Удельная энергия разрушения оказалащ существенно зави­симой как от скорости, так от глубины внедрения.

Интересно отметить, что в рассмотренном примере форма контактной площадки значимо не влияет ни на один из выб­ранных показателей процесса разрушения. Этот вывод вполне сходится с тем, который был сделан при изучении влияния формы и размеров площадки контакта на различные показа­тели, поскольку отношение размеров не выходит за пределы а/Ь = 54-20.

Аналогично были произведены исследования значительной группы различных горных пород при разрушении их разными

инденторами призматической и полусферической форм при ат­мосферных условиях и при высоком всестороннем давлении. Полученные при этом выводы могут быть сформулированы сле­дующим образом. ^

— В большинстве случаев увеличение скорости взаимодей­ствия индентора с горной породой в диапазоне 0,2—2 м/с при­водит к возрастанию силы сопротивления карбонатных пород разрушению в среднем на 35—40% и удельной энергоемкости на 60%- Объем разрушенной породы при заданной глубине внедрения меняется незначительно.

— Эффект влияния скоростного фактора остается неизмен­ным для исследованных конфигураций контактных площадок призматических инденторов.

—При увеличении контактной площади призматического индентора эффект влияния скоростного фактора уменьшается.

— Изменение радиуса полусферического индентора не влия­ет заметно на проявление скоростного фактора.

— Повышенное всестороннее давление в пределах до 300 кгс/см2 не оказывает существенного влияния на зависимо­сти силовых показателей от скорости взаимодействия.

На основании изложенного можно заключить, что скорость взаимодействия индентора с образцом горной породы в ряде случаев может оказать влияние на характеристику сопротив­ляемости горных пород. Хотя это влияние всегда однородно, т. е. направлено на повышение сопротивляемости пород, и срав­нительно невелико, все же весьма желательно при выполнении лабораторных испытаний сохранять скорость взаимодействия близкой к скоростям встречи с забоем зубцов моделируемого долота.

Экспериментальная установка, позволяющая реализовать по­лучение динамических характеристик горных пород с соблю­дением требований, вытекающих из материалов настоящей гла­вы, кратко описана в следующем параграфе.

Комментарии запрещены.