Влияние перемежаемости горных пород по твердости на процесс искривления скважин

В исследовании влияния перемежаемости горных пород по твердости на процесс искривления наиболее известны работы А. С. Станишевского и В. Е. Копылова, которые теоретически рассмотрели основные факторы и закономерности формирования кривизны ствола скважины при пересечении контактов горных пород различной твердости.

Направление искривления скважин на контакте горных пород различной твердости определяется:

  • - величиной угла встречи - у;
  • - чередованием слоев различной твердости;
  • - соотношением твердости контактируемых пород.

При угле встречи 0 и 90 искривление на контакте

горных пород различной твердости не наблюдается.

Об искривлении скважин на участках резкого изменения твердости можно судить по образцам керна,

Схемы, определяющие закономерности процесса искривления ствола скважины на контакте более твердой горной породы с менее твердой

Рис. 2.42. Схемы, определяющие закономерности процесса искривления ствола скважины на контакте более твердой горной породы с менее твердой

скопированного направление и конфигурацию ствола скважины (рис. 2.41). Извлеченный из скважины керн представляет собой искривленный цилиндр, имеющий смещения направления оси скважины вследствие искривлений при пересечении пропластков. При этом каждый новый контакт инструмент отмечает очередным изменением угла между плоскостью его торца и осью скважины. Как можно наблюдать, изучая формы кернов, торец коронки отжимается в сторону за счет появления поперечных отклоняющих усилий, а затем направление искривления может поменяться на противоположное. Для единичного контакта углы искривления могут составлять несколько градусов.

Рассмотрим процесс формирования ствола скважины при встрече инструментом контакта с более твердой горной породой, чем порода предшествующего интервала при угле встречи менее 90 (рис. 2.42). Анализ сил и реакций забоя позволяет установить, что в этом случае на инструмент будет оказывать воздействие реакция со стороны твердого слоя RT, направленная по нормали к плоскости контакта, и реакция со стороны менее твердой породы RM. Определяем соотношение величин этих реакций как равное соотношению упругости контактируемых горных пород:

где ЕТУЕМ- модули упругости твердой и мягкой пород, МПа.

В результате действия этих реакций со стороны твердого слоя на инструмент будет оказывать действие отклоняющая сила FOT, которая определяется разностью горизонтальных реакций RTT и RJ и действием силы трения = Рос р (рис. 2.42, а, б):

где Рос - осевая нагрузка на инструмент, даН; у - угол встречи инструмента и контакта горных пород различной твердости, градус; р - коэффициент внешнего трения бурового инструмента о забой; фт , фм - углы внутреннего трения в деформируемой породе , соответственно, в более твердой и менее твердой, град.

Как следует из формулы (2.44) Рот зависит в первую очередь от величины осевого усилия, соотношения модулей упругости и соответственно твердости контактируемых горных пород, а также угла встречи инструмента и контакта. При малых углах встречи отклоняющая сила будет существенно больше.

Учитывая, что при деформировании горной породы упругие реакции снижаются вследствие внутреннего трения в деформируемом объеме породы, в формулу (2.44) включены выражения для расчета коэффициентов внутреннего трения - тангенсы углов внутреннего трения. Для твердых горных пород коэффициенты внутреннего трения ориентировочно могут быть равны 0,5-0,6, для средних по твердости горных пород - 0,7-0,8 и 0,9-1 - для достаточно пластичных пород средней твердости.

Коэффициент внешнего трения твердосплавных и алмазных коронок о забой определяется на контакте торцов этих инструментов с забоем и обычно составляет значения 0,1-0,4. Для шарошечных долот и особенно двухшарошечных, коэффициент трения в формуле (2.44) принимается равным коэффициенту трения в опорах шарошек долота, т.к. шарошечное долото способно «откатываться» в направлении действия отклоняющей силы. В этом случае коэффициент трения может быть на порядок ниже, что определяет более значительное отклонение шарошечных и особенно двухшарошечных долот в направлении действия отклоняющей силы.

Действие вертикальных реакций забоя RMB и RTB преобразуется в действующий в вертикальной плоскости изгибающий момент Мв, который в общем виде можно определить из зависимости :

где Рс - упругая реакция забоя, даН; хс - расстояние от геометрического центра инструмента до точки приложения упругой реакции забоя, м.

Формула для расчета изгибающего момента Мв получена А. С. Станишевским [14]:

где Л„ ш - наружный и внутренний радиусы торца породоразрушающего инструмента, м;

а-Ов) - разность напряжений в твердой и мягкой контактируемых породах, МПа х - текущая координата перемещения контакта под

торцом инструмента на интервале пересечения Рис'2-43гРаФические

г „ зависимости Рот и Мв на

контакта горных пород различной твердости от интервале пересечения контакта

0 до 2R, м; А, — коэффициент, равный 1 при х < буровым инструментом с торцом г, равный 0 при х > г. радиусом RH

Как следует из формулы (2.45) Мв зависит от диаметра бурового инструмента и площади его торца - будет меньше для коронок в сравнении с долотами и инструментов меньшего размера. Значительное влияние на величину изгибающего момента оказывает разность напряжений под торцом инструмента, которая определяется твердостью контактируемых горных пород и величиной осевого усилия. В соответствии с формулой А. С. Станишевского максимальное значение изгибающего момента наблюдается при положении контакта горных пород строго по центру торца бурового инструмента. А. Г. Калининым уточнен закон изменения изгибающего момента и получена несколько иная зависимость расчета Мв для долот [7].

Таким образом, искривление ствола скважины при пересечении контакта горных пород (в направлении мягкая-твердая породы) в плоскости зенитного искривления происходит под действием отклоняющей силы Рот и изгибающего момента Мв. При забуривании инструмента с радиусом торца Ru в твердую породу на интервале пересечения контакта горных пород наблюдается изменение величин основных силовых факторов, представленное в виде графиков (рис. 2.43).

Отклоняющая сила Рог максимальна в момент встречи инструментом контакта с твердой породой, но резко снижается при проникновении инструмента в твердую породу и становится равна нулю до достижения центром торца инструмента контакта горных пород.

Изгибающий момент напротив минимален в начале пересечения контакта и максимален при приближении центром торца инструмента к контакту горных пород.

Таким образом, на первом этапе пересечения контакта горных пород различной твердости ствол скважины искривляется по направлению падения

Схемы перехода инструмента из мягкой (1) в твердую (2) породу (а) и наоборот (б)

Рис. 2.44. Схемы перехода инструмента из мягкой (1) в твердую (2) породу (а) и наоборот (б):

3 - участок скалываемой твердой породы и образование уступа

контакта под действием отклоняющей силы Рот, затем доминирует изгибающий момент Мв и скважина меняет направление искривления, стремясь пересечь контакт в направлении твердой породы.

Физический смысл возникновения и действия изгибающего момента Мв состоит в том, что породоразрушающие элементы бурового инструмента под действием осевого усилия внедряются в мягкую породу на большую глубину, чем в более твердую породу, что в результате и приводит к неравномерному разрушению забоя и перекосу инструмента в сторону более твердой породы (рис. 2.44, а).

Схема распределения усилий на резцах усилий при разбуривании контакта пород различной твердости

Рис. 2.45. Схема распределения усилий на резцах усилий при разбуривании контакта пород различной твердости (а) и фото бурового инструмента в скважине (б) на интервале пересечения контакта различной твердости (пластина гранита в бетоне)

При пересечении контакта горных пород различной твердости забой скважины разделен контактом на две части, каждая из которых образована менее твердой и более твердой горными породами (рис. 2.45, б). При вращательном бурении резцы инструмента преодолевают лобовое сопротивление в процессе разрушения породы на забое. Векторы сил лобового сопротивления оказывают действие на резцы в плоскости забоя в направлении противоположном направлению вращения инструмента. При разрушении забоя, включающего одновременно две породы различной твердости, упругости и пластичности, сопротивление твердой породы разрушению FT закономерно выше, чем сопротивление менее твердой породы FM. Если просуммировать единичные силы FT и FM, возникающие при работе каждого резца на частях торца, взаимодействующих с более твердой и менее твердой породами, то можно получить две противоположные по направлению силы, результирующая которых даст силу AF, которая действует в плоскости забоя со смещением от геометрического центра торца на расстояние хг в сторону более твердой породы.

Произведение (AF • хг) дает в общем виде значение отклоняющего момента Мг , который стремится увести инструмент от центра забоя и вызывает фрезерование стенки скважины. В результате действия момента Мг инструмент фрезерует ствол скважины в направлении простирания контакта, увеличивая радиальный зазор А/ . Проявление усилия AF по своей природе аналогично дестабилизирующему усилию, возникающему при бурении анизотропных горных пород (зависимость 2.40).

На рис. 2.45, а представлен фотоснимок инструмента в скважине в блоке бетона с пропластком гранита.

После экспериментов по разбуриванию блока различными долотами блок разделили на составные части (блоки бетона и пропласток гранита с пробуренными стволами), что позволило определить форму и величину локальных искривлений, полученных при пересечении контактов гранитной плиты с бетоном. В случае пересечения контакта при входе в гранит при неравенстве сил резания- скалывания FT и Fm, ствол скважины подрабатывается с одной стороны в направлении простирания контакта горной породы и бетона более интенсивно, на что указывает одностороннее увеличение радиального зазора Af.

Наибольшие значения отклонений под действием моментов Мг и Мв были зафиксированы при бурении в блоке алмазным долотом, что указывает на большую фрезерующую способность этого долота в сравнении с шарошечными. Под действием отклоняющего усилия Р наибольшие отклонения получены при бурении двухшарошечным долотом ДДА, меньшие значения отклонения при бурении трехшарошечным долотом и минимальные алмазным долотом.

Анализ зависимости момента Мг показал, что закон его изменения на интервале пересечения контакта горных пород различной твердости близок к зависимости изменения изгибающего момента Мв, а его величина определяется разностью прочностей контактируемых горных пород и размерами торца

Схема формирования ствола (а) и соответствующие графики силовых величин, воздействующие на инструмент, при входе (б) и выходе (в) при пересечении пропластка твердой горной породы

Рис. 2.46. Схема формирования ствола (а) и соответствующие графики силовых величин, воздействующие на инструмент, при входе (б) и выходе (в) при пересечении пропластка твердой горной породы

инструмента. Этот момент

существенно выше для долот в сравнении с коронками и для инструментов большего диаметра.

Исследование условий и силовых факторов, определяющих формирование ствола скважины при пересечении твердого

пропластка в массиве более мягкой породы, позволяет выделить следующие характерные участки ствола, сформированные под действием определенных сил и моментов сил (рис. 2.46), и сделать выводы о направлении искривления ствола скважины при пересечении массива перемежающихся по твердости горных пород.

Участок I (рис. 2.46, а) формируется в основном под действием Рот. При этом инструмент отклоняется в направлении падения контакта под действием Рот, но по мере внедрения в твердую породу нарастает также тенденция к подработке стенки скважины в направлении простирания контакта и одновременно в направлении вращения инструмента, что уже является следствием проявления момента Мг. По мере внедрения инструмента в твердый слой усилие Рот резко убывает и при заглублении в твердую породу на четверть диаметра инструмента уже очень незначительно. Искривленность же в направлении падения слоя твердой породы определяется протяженностью участка I , который формируется под действием силы Рот, определяющей процесс фрезерования породы в направлении падения контакта пород различной твердости. Как следует из формулы (2.44), отклоняющая сила будет существенно выше при малых углах встречи у. Поэтому интервалы искривления в направлении падения контакта и углы искривления в этом направлении будут возрастать по мере уменьшения у, а скважина - отклоняться в направлении падения пропластков.

На участке II доминирует изгибающий момент Мв и отклоняющий момент Мг. Если первый определяет переход участка I в участок II в части преодоления силы Рот и изменение направления локальной кривизны ствола вкрест простирания контакта пород, то второй обеспечивает подработку ствола в направлении простирания контакта. Графики усилия Рот и моментов Мв и Мг с привязкой к интервалу ствола скважины даны на рис. 2.46, б.

При выходе из твердого пропластка (участок III) доминируют моменты Мв и Мг, но уже противоположного направления в сравнении с участком И. Участок ствола III (рис. 2.46) заканчивается продавливанием твердого пропластка в более мягкий и податливый слой (рис.2.44, б) и потому практически всегда при выходе из твердого слоя в более мягкую породу в скважине образуется уступ, ширина которого определяется прочностными и деформационными характеристиками пород, слагающих контакт, осевым усилием и формой торца инструмента. Из-за продавливания забоя моменты Мв и Мг полностью не реализуются, что определяет преимущественное искривление ствола скважины вкрест простирания и по простиранию твердого пропластка.

Таким образом, при малых углах встречи, меньше критической величины (у < Укр ), доминирующей силой при пересечении контакта горных пород различной твердости является отклоняющее усилие Рот и скважина искривляется, пересекая контакты горных пород в направлении их падения, одновременно отклоняясь в направлении простирания контактов по направлению вращения инструмента.

При углах встречи больше критической величины (у > укр) доминирует изгибающий момент Мв и скважины под действием этого силового фактора выходят под прямым углом к контактам горных пород различной твердости, одновременно отклоняясь по направлению простирания контактов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >