Разрушение горных пород


            A. H. Попов













                РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД





Учебное пособие


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 622.24(075.8)
ББК 33.36я7
     П58

                  Утверждено редакционно-издательским советом Уфимского государственного нефтяного технического университета





Рецензенты:
генеральный директор ООО «Азимут» (г. Уфа) канд. техн. наук X. И. Акчурин; директор НИОКР ООО «Перфобур» (г. Уфа) д-р техн. наук А. В. Лягов








     Попов, А. Н.
П58     Разрушение горных пород : учебное пособие / А. Н. Попов. - Москва ;
     Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 184 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0762-5

         Рассмотрены горные породы нефтяных и газовых месторождений, их геологические и механические свойства с точки зрения бурения нефтяных и газовых скважин. Большое внимание уделено устройству и механике породоразрушающих инструментов, их взаимодействию с забоем и изнашиванию в процессе бурения. Описаны принципы выбора породоразрушающих инструментов для конкретных условий бурения и их рациональной отработки.
         Для студентов нефтегазовых направлений подготовки. Может быть полезно студентам, изучающим горное дело.

УДК 622.24(075.8)
                                                      ББК 33.36я7







ISBN 978-5-9729-0762-5

     © Попов А. Н., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

            ВВЕДЕНИЕ


        Предмет и задачи курса «Разрушение горных пород»

     Курс «Разрушение горных пород» имеет своим предметом изучение механических процессов в горных породах при бурении скважин, а также конструкций и механики породоразрушающих инструментов. Он предшествует «Технологии бурения нефтяных и газовых скважин» и другим дисциплинам, профилирующим специальность будущих специалистов в области бурения нефтяных и газовых скважин. Поэтому задача курса - создать необходимую теоретическую и экспериментальную базу для их изучения. Теоретической базой для изучения курса являются фундаментальные положения физики твердого тела, дающие представление о физической сущности процессов, а также механики сплошных сред, теоретической механики и деталей машин.
     Основными задачами курса являются изучение механических свойств горных пород нефтяных и газовых месторождений, а также конструкций, работы и изнашивания породоразрушающих инструментов для бурения скважин.
     При бурении скважин человек вторгается в довольно хрупкую экологическую среду поверхностных образований земной коры, поэтому, как и в медицине, основным девизом должно быть «Не навреди!»
     Вторым девизом буровиков должны быть слова Паскаля: «Предвидеть -значит управлять». При бурении этот девиз приобретает особую значимость, т. к. механические процессы в скважине и ее окрестностях часто не поддаются непосредственному контролю, и многие технические решения специалисты принимают в условиях весьма ограниченной информации.
     Сущность процессов в горных породах и породоразрушающих инструментах и параметры соответствующих моделей изучаются и определяются при их физическом моделировании. Особенности горных пород как твердых тел и неучтенные факторы при моделировании их деформирования и разрушения обусловливают значительные колебания выходных параметров испытаний. Для обобщения результатов таких испытаний широко применяются методы математической статистики.

3

            Тема 1


            ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ



        1.1. Осадочные горные породы

     По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, осадочные и метаморфические.
     Магматические породы образовались из магмы в результате ее застывания на глубине или лавы, излившейся на поверхность.
     Осадочные породы образовались в результате химико-физического преобразования ранее существующих пород с последующим их переносом и отложением в виде пластов (слоев). Они покрывают практически всю поверхность Земли. В эту группу также входят породы, образованные в результате жизнедеятельности организмов (органогенные осадочные породы).
     Метаморфические породы образовались в результате преобразования магматических и осадочных пород под действием высоких давления и температуры.
     Нефть и газ залегают преимущественно в осадочных породах, поэтому ниже рассматриваются только осадочные горные породы.
     Осадочные горные породы делятся на две большие группы: обломочные и хемогенные кристаллические. Описанием пород по составу занимается наука литология. В свою очередь обломочные горные породы делят на три подгруппы. Некоторые характеристики пород приведены в таблице 1.1.


Таблица 1.1

Осадочные горные породы

   Подгруппы        Вид связей                 Примеры             
  Обломочные         Связные       Глины                           
   глинистые     Сцементированные  Аргиллиты, глинистые сланцы     
    (54 %)                                                         
  Обломочные                                                       
 мелкоземистые        Рыхлые       Алевриты, пески                 
  и песчаные     Сцементированные  Алевролиты,песчаники            
    (21 %)                                                         
Кристаллические                    Карбонаты (известняки, доломиты)
  хемогенного                      Сульфаты (ангидриты, гипсы)     
и органогенного Кристаллизационные Галоиды (каменная соль, калийная
 происхождения                     соль, бишофит)                  
    (24 %)                                                         

4

      В скобках показано осредненное содержание рассматриваемых горных пород в разрезах нефтяных и газовых месторождений.
      С точки зрения бурения скважин являются следующие геологические характеристики пород: минералогический состав, строение и неоднородность.
      Строение горных пород описывается двумя основными признаками -структурой и текстурой.
      Структура породы обусловлена размером, формой и характером поверхностей слагающих породу обломков и кристаллитов.
      Текстура породы характеризует особенности сложения породы (слоистость, сланцеватость, пористость, трещиноватость).
      Важнейшими характеристиками строения горных пород являются их пористость и проницаемость. Пористость обусловлена наличием пустот в горной породе и выражается в долях единицы или в процентах от общего объема горной породы:

                                т = Утр /Уг.„.,                     (1.1)

где m - пористость; Vпор - объем пор; Vт.п.- объем горной породы. Величина пористости в долях единицы изменяется от нуля до 0,45.
      Проницаемость характеризует сообщаемость пор, которая обеспечивает перемещение флюидов в пласте при наличии перепада давления. Перемещение жидкости в пласте описывается формулой Дарси:

k dP ,
                                v = -•—, м/с,                       (1.2)
ц dL

где v - скорость движения флюидов по пласту; k - коэффициент проницаемости; р - вязкость флюида; dP/dL - градиент давления в пласте.
      Месторождения нефти и газа приурочены к пористым проницаемым горным породам, которые называют коллекторами.
      В нормативных документах по технологии бурения находит применение обобщенная характеристика строения породы, названная категориями сполшно-сти, которая характеризуется способностью пропускать через стенки скважины промывочную жидкость:
      первая, категория - горная порода пропускает через себя промывочную жидкость вместе со шламом (выбуренными обломками), т. е. поры и трещины в породе стенки скважины имеют достаточно большие размеры;
      вторая категория - в горную породу может проникать вся промывочная жидкость, т. е. как дисперсионная среда, так и дисперсная фаза;
      третья категория - в породу может проникать только маловязкая дисперсионная среда, например, вода;
      четвертая категория - горная порода не пропускает жидкость и не передает гидравлическое давление.
      Горные породы в условиях их залегания находятся в сложном напряженном состоянии, обусловленном весом вышележащих пород и тектоническими


5

процессами в данной геологической области (рисунок 1.1). Совокупность этих напряжений называется горным давлением, которое характеризуется вертикальной составляющей - геостатическим давлением - и горизонтальной составляющей - боковым давлением:


Рг = Рgz;


р б = X рг,


(1.3)

(1.4)

шж

  |Рг %гЧй "~т/Г

                   где р - плотность горных пород (р = 1900...3000 кг/м³); g - ускорение силы тяжести; X - коэффициент бокового распора, зависящий от упругих свойств горной породы и ее вязкости; z - глубина залегания горной породы.
     Поры, каверны и трещины горных пород заполнены жидкостями или газами, для которых используется общее понятие - флюиды.


Рисунок 1.1 ₋ Флюиды в горных породах также находятся под давле-Компоненты нием, называемым пластовым. Для описания давлений ши-горного       роко используется понятие относительного давления, рав   давления     ного отношению действующего давления к давлению столба
воды на той же глубине. Например, относительное пластовое давление рп' равно:


р« = рп /рв,


(1.5)

где рп и рв - пластовое давление и давление столба воды на глубине залегания пласта. Величину рп' нередко называют индексом давления, а также коэффициентом аномальности, что одно и то же.
     Аномалии давления. В среднем пластовое давление изменяется по гидростатическому закону. Но если величинарп' < 0,8, то говорят, что в пласте имеет место аномально низкое пластовое давление (АНПД), а если рп' > 1,2 - аномально высокое пластовое давление (АВПД). Соответственно, если относительное давление лежит в пределах от 0,8 до 1,2, то такое давление считают нормальным.
     Наличие этих давлений оказывает существенное влияние на сопротивление горных пород разрушению породоразрушающими инструментами и на всю технологию бурения скважин.


        1.2. Структурные модели осадочных горных пород

     Осадочные горные породы двухкомпонентные системы - скелет горной породы (твердая часть) и пластовый флюид в порах породы. В механике грунтов горные породы рассматриваются как зернистые системы, погруженные в жидкость (рисунок 1.2, а).
     Зернистая модель характерна для обломочных несцементированных горных пород с точечным контактом обломков друг с другом. Обломки горной

6

породы 1 находятся во флюиде 2 и теряют часть своего веса в соответствии с законом Архимеда.
      Действие закона Архимеда возможно, если имеет место как горизонтальная, так и вертикальная проницаемость горных пород на всю глубину. При бурении такие условия выполняются только для поверхностных отложений.

Рисунок 1.2 - Схемы зернистой (а) и дырчатой (б) моделей горной породы

      Горные породы представлены как проницаемыми, так и непроницаемыми отложениями. С увеличением глубины уменьшается пористость горных пород, обломочные, особенно глинистые горные породы уплотняются, растет степень их сцементированности. Поэтому допущение о точечном контакте обломков пород с увеличением глубины становится неприемлемым.
      Дырчатая модель пористой горной (рисунок 1.2, б). Согласно этой модели не структурные элементы горной породы погружены во флюиды, а флюиды находятся внутри горной породы.
      Напряжения в скелете дырчатой горной породы. На выделенный элемент горной породы действует геостатическое давление. Если бы все рг воспринималось скелетом породы, то напряжение аз было бы максимальным:


        НЗмах = Рг /С,


(1.6)

где с - доля единичной площади, занятая скелетом в рассматриваемом сечении. Однако флюид, находящийся в порах, воспринимает на себя часть давления, равного р п (1 - с ). Следовательно, вертикальные напряжения аз в скелете


              „ _ Рг - Рп ⁽¹ - С)_„      Рп ⁽¹ - С )_„ рРг - Рп
аз-------------------Hmax----------------Рп Н---------С                    С                 С


(1.7)

7

     Из формулы (4.37) следует, что по мере увеличения пластового давления наблюдается уменьшение вертикальных напряжений в скелете. Если рп = рг, то С3 = рг .
     Нетрудно показать, что для дырчатой модели горизонтальные напряжения ci в скелете равны


С1 = Xрг + рп (1 - с )(1 - X).


(1.8)

     Очевидно, что доля скелета должна существенно зависеть от пористости горной породы. Для установления вида зависимости доли скелета от пористости в расчетном сечении авторами были проанализированы результаты испытаний горных пород на гидроразрыв, на основании которых для песчано-глинистых пород предложена следующая формула

c = exp (-19,2 m²),


(1.9)

где m - пористость горной породы в долях единицы.
      График зависимости (1.9) приведен на рисунке 1.3, из которого видно, что при нулевой пористости с = 1, а при увеличении пористости доля скелета быстро уменьшается и асимптотически приближается к нулю Уплотнение пород по мере увеличения глубины их залегания характерно для всех подгрупп горных пород. Но особенно оно велико у глинистых горных пород. По мере уплотнения снижается пористость пород и растет их плотность (рисунок 1.4).
      Из рисунка 1.4 видно, что по мере увеличения глубины залегания пори
    Рисунок 1.3 - Зависимость с от m стость глин монотонно уменьшается ⁽в
  в расчетном сечении горной породы  рассматриваем случае в ⁴,5 раза⁾, а
                                     плотность глины растет. Уравнения регрессии глубины залегания на названные показатели приведены на самих графиках. Такое уплотнение является нормальным и характерно для случаев, когда пластовое давление изменяется монотонно. При наличии в отдельных пластах аномального пластового давления приводит к нарушению этих закономерностей. Например, при АВПД степень уплотнения горной породы будет существенно ниже, чем при нормальном давлении. Это явление используется на практике для прогнозирования АВПД в ниже лежащих пористых проницаемых горных породах, вскрытие которых скважиной без обеспечения соответствующего противодавления со стороны скважины может привести к притоку в скважину пластового флюида и даже к ее открытому фонтанированию.


8

Рисунок 1.4 - Зависимости пористости (а) и плотности (б) глин от глубины их залегания в Притеречном прогибе (по данным Ю. А. Мельникова)


        1.3. Геостатическая температура горных пород.
        Многолетнемерзлые породы

     На территории России широко распространены мерзлые горные породы. В зависимости от того, как долго они находятся в мерзлом состоянии, различают сезонно-мерзлые (месяцы) и многолетнемерзлые горные породы (годы, сотни и тысячи лет). В северных и северо-восточных районах России многолетнемерзлые породы имеют сплошное распространение, и их толщина измеряется сотнями метров, а температура достигает -7.-12 °C.
     Температура горных пород определяется двумя источниками: теплом, получаемым от Солнца, и тепловым потоком, идущим из недр Земли.
     Солнечное тепло проникает на глубину 8.30 м. Ниже этой границы температура горных пород в рассматриваемой точке практически постоянна, что позволяет говорить о геостатической температуре. С увеличением глубины температура горных пород возрастает со средним градиентом 0,03 °С/м. Геотермический градиент зависит от геологического строения региона и теплофизических свойств горных пород и для разных районов Земли меняется в широких пределах. На больших глубинах температура горных пород может достигать значительных величин. Например, температура на западном склоне среднего Урала на глубине 15 км составляет около 200 °C, в Прикаспийской впадине на глубине 12.14 км - до 300 °C, а на Курильских островах на глубине 15 км - до 600 °C. Многолетнемерзлые горные породы могут быть как кристаллические, так и обломочные. Кристаллические породы при отрицательных температурах мало изменяют свои свойства. Наоборот, обломочные водонасыщенные рыхлые и

9

слабосцементированные породы при замерзании и оттаивании резко изменяют свои свойства. При замерзании такие породы цементируются льдом и отличаются существенной прочностью (асж до 2,5 МПа) и непроницаемостью, а при оттаивании они переходят в разжиженное состояние.
     Мерзлые горные породы имеют особую текстуру (рисунок 1.5): массивную (рисунок 1.5, а), когда вся вода в порах находится в виде льда-цемента; слоистую (1.5, б), когда ледяные включения входят в состав породы в виде параллельных льдообразных слоев; сетчатую (рисунок 1.5, в), когда ледяные включения образуют пространственную сетку.


Рисунок 1.5 - Текстуры мерзлых горных пород (по В. Е. Копылову): а - массивная; б - слоистая; в - сетчатая

     В мерзлых горных породах не вся вода замерзает даже при значительных отрицательных температурах. Соотношение льда и воды существенно влияет на физико-механические свойства мерзлых пород. Если свободная вода кристаллизуется в порах при температуре около 0 ОС, то капиллярная вода - при температуре -6...-18 ОС, а физически связанная вода - при температуре -75...-80 ОС. Поэтому прочность мерзлых песчаных пород значительно выше, чем прочность мерзлых глинистых пород.


10