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. Станишев- ского 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 углах встречи 0 и 90° искривления на контакте горных пород различной твердости не наблюдается.

Рассмотрим процесс формирования ствола скважины при встрече инструментом контакта с более твердой горной породой, чем порода предшествующего интервала при угле встречи менее 90° (рис. 2.36). 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 ЕТ, Ем - модули упругости твердой и мягкой пород, МПа.

В результате действия этих реакций со стороны твердого слоя на инструмент будет оказывать действие отклоняющая сила Рот, которая определяется разностью горизонтальных реакций и R^ и действием силы трения Fw = Рос • ц (рис. 2.36, а, б):

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

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

Рис. 2.36. Схемы, определяющие закономерности процесса искривления ствола скважины на контакте более твердой горной породы с менее твердой

Как следует из формулы (2.52), Р зависит в первую очередь от величины осевого усилия, соотношения модулей упругости и, следовательно, 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 (2.52) 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 0,1-0,4. Для шарошечных долот и особенно двухшарошечных коэффициент трения в формуле (2.52) принимается равным коэффициенту трения в опорах шарошек долота, так как 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 R* и преобразуется в действующий в вертикальной плоскости изгибающий момент Мв, который в общем виде можно определить по 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. Ста- нишевским [14]:

где 7?н, гвн - наружный и внутренний радиусы торца породоразрушающего инструмента, м; (оав) - разность напряжений в твердой и мягкой контак- тируемых породах, МПа; х - текущая координата перемещения контакта под торцом инструмента на интервале пересечения контакта горных пород различной твердости от 0 до 2R, м;Х- коэффициент, равный 1 при х < г и равный 0 при х > г.

Как следует из формулы (2.53), Мъ 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. Ста- нишевского максимальное значение изгибающего момента наблюдается при положении контакта горных пород строго по центру торца бурового инструмента.

Таким образом, искривление ствола скважины при пересечении контакта горных пород (в направлении мягкая-твердая породы) в плоскости зенитного искривления происходит под действием отклоняющей силы Ри изгибающего момента Мв. При забуривании инструмента с радиусом торца RH в твердую породу на интервале пересечения контакта горных пород наблюдается изменение величин основных силовых факторов, представленное в виде графиков (рис. 2.37).

Графические зависимости Ри М на интервале пересечения контакта буровым инструментом с торцом радиусом R

Рис. 2.37. Графические зависимости Р01 и Мв на интервале пересечения контакта буровым инструментом с торцом радиусом RH

Отклоняющая сила Рот максимальна в момент контакта инструмента 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 контакта под действием отклоняющей силы Рох, 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. 2.38, а).

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. 2.38, 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 Af. Проявление усилия AF по своей природе аналогично дестабилизирующему усилию, возникающему при бурении анизотропных горных пород (зависимость (2.46)).

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

Рис. 2.38. Схемы перехода инструмента из мягкой (1) в твердую (2) породу (а) и наоборот (б): 3 - участок скалываемой твердой породы и образование уступа

На рис. 2.39, 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 А/

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. 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 инструмента. Этот момент существенно выше для инструментов большего диаметра.

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

Рис. 2.39. 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)

Анализ представленных материалов показывает, что при бурении скважин в перемежающихся по твердости горных породах при малых углах встречи меньше критической величины (у < укр) доминирующей силой при пересечении контакта горных пород различной твердости является отклоняющее усилие Р 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 >