Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Глубоко залегающие породы находятся под давлением вы­шележащей толщи горных пород. Их напряженное состояние, вызываемое горным давлением, является осесимметричным п в цилиндрических координатах (рис. 3.2) может быть охарак­теризовано двумя компонентами главных напряжений:

оь = о3 и ог = о1 = о2. (3.1)

Вертикальное напряжение сжатия

<Ъ= — У. А (3.2)

где уп — средняя плотность пород; £ — глубина залегания пород.

В поперечном направлении породы не могут деформиро­ваться, поэтому из условия

4-[<тг-^-Ьа2)] = 0 (3.3>

Е

находим радиальное напряжение ор = —-—о^, с учетом

1 — р.

Ор = —при Р = ——.

1 — ц

где Р — коэффициент бокового распора.

Вследствие релаксации горных пород происходит выравни­вание напряжений. В этом случае (я—1 /2, а р->-1. Тогда сред­нее нормальное напряжение

о0 = ог = оь (3-4>

т. е. имеет место всестороннее сжатие.

При вскрытии горных пород скважиной напряженное со­стояние пород изменяется. Давление в скважине оказывается ниже бокового сгр.

Кроме того, при бурении стенки скважин подвергаются ме­ханическим и гидравлическим воздействиям и поэтому могут обрушаться.

Упругое напряженное состояние горных пород, вскрытых скважиной, изучено С. Г. Лехницким. Оно характеризуется сле­дующими значениями напряжений:

-‘/-р

-‘ер

(Ртп——Ртп^; = — (Ртм—Ртп£,

(3.5)

I ^ Рис. 3.2. Схема к определению на­пряжений вокруг вертикальной сква­жины

где VI—удельный вес промывочного раствора, заполняющего скважину; гс — радиус скважины; г — текущая координата ра­диального направления, отсчитываемая от оси скважины.

Анализ этой системы уравнений показал, что наибольшее изменение напряженного со­стояния горных пород в скважине, запол­ненной раствором, имеет место на стенке в скважины и обусловлено разностью бокового и гидростатического давлений уЬ. При снижении гидростатического давления умень — с ■шаются радиальные напряжения оГр на стен — ке и возрастают тангенциальные о0р (направ­ленные перпендикулярно к вектору:радиусу). Последние в пределе могут превышать вели­чину горного давления до двух раз (при VI=

= 0 и Р = 1). При охлаждении скважины на­пряжения всех компонентов снижаются.

На напряженное состояние существенное влияние оказы­вает изменение гидростатического давления при работе буро­вых насосов и при проведении спуско-подъемных операций. Изменение напряженного состояния может быть определено следующими уравнениями:

Да1 = 0; До, = агп —

(3.6)

(Ррг—Ргд)(у)2+ррг];

[ л°е = [(Ррг — Ргд) (у)2 + Ррг] .

где ргд — величина гидродинамического давления в скважине на глубине равна

Ргд = 7х^ +Ар, (3.7)

где Ар — приращение давления в скважине.

Из этих уравнении следует, что наиболее неблагопрнятиые — условия для горных пород в стенках скважины будут при

Яpr>YiЈ.

где рг — горное давление.

Таким образом, напряженное состояние в скважине харак­теризуется следующими компонентами:

= °LP +

Or ‘ Пгр! о’гт “(“ &Gr‘y (3.8);

ае = а0Р + авт +

где агт и оет — температурные напряжения.

Под влиянием напряжений в горных породах стенки сква­жин могут потерять устойчивость или в результате хрупкого разрушения, или же пластического течення. Для оценки пре­дельного состояния, определяющего разрушение стенок, можно применять условие текучести Мизеса

(а г — сге)2 + (су—oL)2 + (ое—oL) < 2о?, (3.9)

где сгт — предел текучести горной породы при одноосном сжа­тии образца.

Чтобы предотвратить обрушение стенок скважины, необхо­димо поддерживать определенное гидростатическое давление на ее стенки. Если породы находятся только под влиянием гор­ного и гидростатического давления, то плотность промывочной жидкости для создания противодавления на стенки — скважины определяется из условия

Ti>ЯYn-0,57^. (3.10)

Когда предел текучести сгт существенно зависит от всесто­роннего сжатия, то ат в этом условии заменяют величиной

среднего напряжения

°0 = -7 (oL + <*е 4- or). (3.11)

о

В первом приближении

°о = YiL. (3.12)

О

Как уже отмечалось, при больших гидростатическом и гид­родинамическом давлениях в скважине может произойти гид­родинамический разрыв пласта. При этом на стенке скважины

появляются растягивающие напряжения, которые могут вы­

звать обрушение пород.

Анализ напряженного состояния показал, что растягиваю­щими могут быть только тангенциальные напряжения его.

При г—гс

(3.13)

Сер = РгЯ —2РРг.

Таким образом, при ае>0

(3.14)

РгД>2Ррг.

При значениях коэффициента Пуассона ц=0,1—0,3 р = 0,11— 0,43 и

(3.15)

Рід >(0,22—0,86) рг.

Для нормальных условий пластовое давление рПл=0,4рг. Нагнетание жидкости в пласт возможно, если ргд>рг.

Отсюда

(3.16)

Ргд>(0,4—0,86) рг.

Из этого соотношения видно, что гидроразрыв может воз­никнуть при давлении меньше горного, что указывает на воз­никновение или раскрытие в горных породах вертикальных трещин. Если же произошла пластическая деформация неко­торых пластов и наступило разряжение напряжений вокруг скважины, то в этом случае возможно и раскрытие горизон­тальных трещин.

Существенное значение на снижение прочности горных по­род в стенках скважины может оказать действие ПАВ, содер­жащихся в промывочных ЖИДКОСТЯХ.

Комментарии запрещены.