Влияние анизотропии горных пород на процесс искривления скважин

Оценка анизотропии горных пород

Влияние анизотропии горных пород на искривление скважин можно оценить по степени анизотропии. Оценка степени анизотропии пород производится при лабораторных испытаниях образцов. Показатель степени анизотропии определяется как соотношение одноименных параметров прочности, замеренные вдоль и поперек слоистости, сланцеватости, флюидальности и др.

Например, может быть определен показатель степени анизотропии при испытании породы на сжатие (ГОСТ 21153.4-75)

Для руды КМА (Курская магнитная аномалия) показатель Ксж = 2,94-108 Па/ 2,06-108 Па= 1,42 [30].

В ряде случаев показатель степени анизотропии можно оценить по скорости прохождения звуковых волн различного диапазона частоты. Например, известна методика, в соответствии с которой по результатам сейсмического прозвучивания по скорости прохождения звуковых волн в толще горных пород определяют условия залегания горных пород, возможную степень их анизотропии и прогнозируют возможное направление искривления скважин.

Известны методы оценки анизотропии горной породы по теплопроводности вдоль и поперек слоистости и сланцеватости, по глубине внедрения индентора при равной нагрузке.

Наиболее точно с точки зрения влияния на искривление скважин степень анизотропии горной породы можно оценить в соответствии с показателями анизотропии по твердости и буримости.

Показатель анизотропии горных пород по твердости - соотношение твердостей горной породы, определяемые при испытании образца породы вдоль и перпендикулярно слоистости или сланцеватости:

Показатель анизотропии горных пород по буримости - соотношение механических скоростей бурения горной породы, которые полученны при бурении в направлении перпендикулярному по отношению к слоистости или сланцеватости породы и в направлении слоистости или сланцеватости породы:

Таким образом, представленные выше КТ и Kv - показатели анизотропии по твердости и буримости будут иметь значения больше 1, так как определяются на основании зеркального соотношения параметров твердости и буримости по отношению к текстурным признакам породы. Это связано с тем, что более высокая твердость задает меньшую скорость бурения, и наоборот, - меньшая твердость большую скорость бурения.

Показатель анизотропии горных пород по твердости определяется в соответствии с методикой, предложенной проф. Л. А. Шрейнером (ГОСТ 12288-66).

Как показывают исследования, показатели анизотропии различных горных пород могут варьировать в пределах от 1,05 (слабая анизотропия ) до 1,25 (средняя) и 1,8-2,0 (сильная анизотропия горных пород).

Например, работы по определению степени анизотропии горных пород Лениногорского рудного района (Казахстан), выполненные В. Д. Ларионовым, показали, что анизотропия по твердости максимальна в вулканогенных туфах - туффитах: Кт= 1,22—1,83, а средняя и наименьшая - в осадочных: Кт= 1,17-1,27 и магматических породах: А*т =1,06—1,08 [30].

Анизотропия горных пород может существенно отличаться в зависимости от степени их метаморфизма. На основании выполненных Л. В. Близнецом исследований анизотропии пород, подвергшихся метаморфизму разной степени, , установлено, что все показатели анизотропии (по твердости, упругости) этих групп пород (по степени матаморфизма) в направлении вдоль напластования превышают аналогичные показатели в направлении, перпендикулярном к напластованию в 1,15-1,5 раза. Коэффициенты анизотропии полностью соответствуют изменению прочностных свойств одних и тех же пород, подвергшихся разной степени метаморфизма [9].

В качестве примера рассмотрим результаты исследований анизотропии изверженной горной породы из района Забайкальского эффузивного поля [20,25].

На рис. 2.23 приведены результаты определения твердости анизотропного туфо-дацита. В качестве анизотропной горной породы использован спекшийся туфо-дацит, в котором отдельные пластичные обломки полностью или частично спаяны между собой. Порода является эффузивной, имеющей флюидальную текстуру, которая определяет анизотропию различной

Диаграмма деформирования (а) и полярная диаграмма твердости туфо-дацита (б) в плоскости, перпендикулярной слойкам

Рис. 2.23. Диаграмма деформирования (а) и полярная диаграмма твердости туфо-дацита (б) в плоскости, перпендикулярной слойкам

степени, заданную полосчатым чередованием светло- и темно- коричневых субпараллельных слойков.

Результаты определения твердости туфо-дацита в плоскости, перпендикулярной флюидальности, приведены на рис. 2.23, согласно которому показатель анизотропии по твердости Кт= 1,65, а распределение твердости по отношению к сланцеватости достаточно близко к линии эллипса.

Согласно полученным данным породу можно характеризовать как анизотропную упруго-пластичную породу средней твердости. По диаграммам деформации туфа рассчитаны модули упругости Е и коэффициенты пластичности Кш. Для данной породы определены также предельные значения напряжений на сжатие и растяжение по этим направлениям. Указанные значения параметров составили: 0^=12963,5 кПа, о-*-р= 21658 кПа (показатель Кр = 1,67), 0^*= 12287,2 кПа, а-*-сж= 15190 кПа (показатель Ксж = 1,24). Коэффициент Пуассона v для туфа равен 0,07 и 0,1 при испытании породы вдоль и перпендикулярно флюидальности.

Полученные экспериментально значения параметров позволили рассчитать комплексный показатель, объединяющий все параметры свойств, оказывающих влияние на буримость, - работу, затраченную на упругопластическое деформирование породы в процессе ее разрушения при вдавливании индентора:

где рш - твердость породы, Па; г - радиус торца индентора, м; v - коэффициент Пуассона; Кт - коэффициент пластичности породы; Е - модуль упругости, Па.

Результаты определения параметров физико-механических свойств туфо- дацита и его буримости приведены в табл. 2.3.

Как следует из представленных данных, наибольшие твердость, упругость, коэффициент пластичности, удельная контактная работа разрушения получены при испытании горной породы вдоль слойков флюидальности, а наименьшие перпендикулярно им.

В результате опытного бурения туфо-дацита построены математические модели влияния осевого усилия и частоты вращения на механическую скорость бурения для каждого из направлений относительно флюидальности: у = 12° (v12), 27° (v27), 50° (v50) и 72° (v72):

где Р и to - осевая нагрузка и частота вращения в закодированном выражении с пределами значений от -1 (min) до 1 (шах).

Для условий эксперимента значения осевого усилия варьировались от 750 до 1350 даН, а частота вращения - от 280 до 710 мин'1.

В соответствии с полученными моделями построены графики зависимостей механической скорости бурения от параметров режима бурения (на рис. 2.24, а, б даны графики для моделей vJ2 и v72).

Соотношение механических скоростей в одноименных точках поля эксперимента позволяет получить характеристику анизотропии по буримости в пределах варьирования параметрами режима бурения. На рис. 2.24, в даны графики показателя анизотропии по буримости согласно модели:

На рис. 2.24, г дана диаграмма значений механических скоростей в различных направлениях относительно слоев породы. Приведенные кривые А, В, С, D построены по значениям механических скоростей из одноименных точек на графиках рис. 2.24, а, б. Как следует из графиков, кривые А и D, полученные при минимальной частоте вращения и соответственно при минимальной и максимальной осевых нагрузках, близки геометрически к дугам окружностей. В точках В и С поля эксперимента кривые зависимостей механической скорости бурения от угла встречи со сланцеватостью

Результаты бурения анизотропного туфо-дацита

Рис. 2.24. Результаты бурения анизотропного туфо-дацита: а, б - графики механической скорости бурения в зависимости от осевого усилия и частоты вращения инструмента при угле встречи со слойками породы 12 и 72 град; в - графики показателя анизотропии по буримости Ку туфа в зависимости от осевого усилия и частоты вращения инструмента;

г - полярные диаграммы распределения скорости бурения в зависимости от угла встречи инструмента со слойками породы, полученные в точках А, В, С и D на графиках, представленных на рис. а, 6

аппроксимируются кривыми, которые близки геометрически к четвертям эллипсов при К,=1,52 и 1,7 соответственно.

Из представленных материалов следует, что забайкальский туфо-дацит является анизотропной горной породой, причем показатель анизотропии по

Таблица 2.3

Параметры физико-механических свойств и буримости туфо-дацита под различными углами к плоскостям флюидальности

Угол встречи индентора и слойков породы Y, град

Т вердоегь горной породы Рш, МПа

Модуль упругости горной породы Е, МПа

Коэффициент пластичности горной породы

ТСпл

Удельная контактная работа разрушения Ар, Дж

Механическая скорость бурения V6, м/ч, в точках поля

эксперимента*

В

С

0

1854

10143

4,2

1,473

-

-

12

1747

9528

3,91

1,303

8,3

15,23

27

1568

7948

3,9

1,254

10,1

19,0

45

1440

7000

3,42

1,058

-

-

72

1162

6285

3,2

0,716

12,6

26,0

90

1123

5836

3,1

0,69

-

-

* - См. рис. 2.24, а, б

буримости не постоянен и находится в зависимости от частоты вращения (справедливо для использованного диапазона параметров режима бурения и применяемого инструмента). Отмеченная зависимость очевидно связана с тем, что порода не является твердой и при минимальном, по условию эксперимента, Рис происходило объемное разрушение породы, а потому основной прирост механической скорости бурения связан с ростом частоты вращения. Поэтому распределение значений механических скоростей относительно сланцеватости туфа имеет вид близкий к окружности (порода изотропна) при малых значениях частоты вращения и эллипсу (порода анизотропна) при более значительных частотах вращения (см. рис. 2.24).

Таким образом, показатель анизотропии по буримости горной породы зависит не только от анизотропии физико-механических свойств горной породы, но и таких факторов как тип бурового инструмента, параметров технического состояния, режима бурового процесса и особенностей механизма разрушения горной породы, которые в первую очередь определяются видом разрушения (поверхностно-усталостное или объемное), типом очистного агента, наличием в буровом растворе поверхностно-активных веществ (ПАВ), степенью очистки забоя от шлама.

В табл. 2.4 приведены данные о буримости кварцита и сланца под различными углами к сланцеватости, которые достаточно наглядно отражают связь буримости с анизотропией метаморфизованных горных пород [19].

Таблица 2.4

Результаты бурения анизотропных пород под различными углами к сланцеватости

Горная

порода

Категория

по

буримости

Тип

бурового

инструмента

Скорость бурения Уб, м/ ч, замеренная при бурении под углом к сланцеватости равного:

О

90

вкрест

сланцеватости

О

45

О

0

вдоль

сланцеватости

Кварцит

XI

Алмазная

коронка

8,62

5,9

5,0

Сланец

IX

Алмазная

коронка

11,1

7,35

6,35

Если один из параметров прочности, твердость или буримость горной породы определять в разных направлениях относительно образца, как это сделано при исследовании свойств туфо-дацита (табл. 2.3, рис. 2.23, 2.24), то можно построить соответствующую диаграмму параметра прочности, твердости или буримости - плоскую (рис. 2.23, б, 2.24, г, 2.25, а) в пределах двух взаимно перпендикулярных направлениях или пространственную (рис. 2.25, б) [17, 19].

На рис. 2.25 показаны диаграммы анизотропии горной породы по буримости - двух- и трехмерные соответственно. Диаграмма анизотропии породы по твердости или буримости может соответствовать эллипсу в двухмерном отражении (рис. 2.25, а) или эллипсоиду, если используется трехмерное отображение параметра (рис. 2.25, б).

Направление, соответствующее на схеме вектору ЛНС (линии наименьшего сопротивления), как правило, совпадает с направлением вкрест слоистости, сланцеватости или др. текстурных признаков. В этом направлении наблюдается максимальная скорость бурения [19].

На схеме рис. 2.25, а вектор уизот соответствует случаю изменения скорости бурения для изотропных пород, для которых диаграммой анизотропии является окружность. При трехмерном изображении диаграммы она будет выглядеть как шар, поскольку значения скорости бурения во всех направлениях в данном случае будут равны.

Для анизотропных пород трехмерная диаграмма может быть в виде эллипсоида вращения, если скорости v2 , v3 и V] находятся в следующем соотношении: v2 = v3 < vi (поперечное сечение диаграммы на рис. 2.25, б в этом случае будет иметь форму окружности). Диаграмма будет в виде трехосного эллипсоида, если выполняется условие V]>v2>v3 или V]>v3>v2 (поперечное сечение диаграмм на рис. 2.25, б в этом случае будет иметь вид овала).

Иллюстрацией приведенных диаграмм могут служить результаты исследований по оценке соответствия формы обломков, окатанных в реках горных пород с анизотропией их прочности . При проведении данных работ учитывалось, что в горных реках обломки горных пород подвергаются интенсивной механической обработке и могут получать неравномерно

Диаграммы анизотропии горных пород по скорости бурения

Рис. 2.25. Диаграммы анизотропии горных пород по скорости бурения:

а - в зависимости от угла ф между направлением

окатанную вследствие анизотропии физико-механических свойств, поверхность. В этом смысле окатанные обломки пород содержат информацию об анизотропии прочностных свойств горной породы и являются по сути моделями поверхностей прочности. Например, изометричная форма обломков в виде шара характерна для однородных магматических пород, отличающихся относительной изотропией. Многие обломки имеют форму, близкую к вектора скорости уф и ЛНС; б- эллипсоид анизотропии эллипсоиду вращения, у них по буримости - vi = vmax отмечены слоистость, слан

цеватость, направление которых совпадает с большой осью эллипсоида. Обломки третьего типа напоминают трехосный эллипсоид. Форма обломков пород при их окатывании в реках определяется интенсивностью механической обработки по трем направлениям, которые связаны с ориентировкой слоистости или сланцеватости, а значит, и прочностью образцов. В результате обломки приобретают различный размер по осям, а отношение размеров двух осей отражает в некоторой степени анизотропию породы в данных направлениях.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >