Типы обрушения

Обрушение глинистых пород в скважину может происходить по двум основным причинам -вследствие разрушения из-за чрезмерных напряжений и вследствие ползучести или текучести. Разрушение из-за чрезмерных напряжений происходит, когда нагрузка превышает прочность породы. Ползучестью называют непрерывную пластическую деформацию под неизменной нагрузкой. Когда такие породы как соль и набухающие глины выдавливаются в скважину, происходит их обрушение вследствие ползучести. Напряжения, вызывающие ползучесть, могут иметь механическую или химическую природу.

Разрушение из-за чрезмерных напряжений

Есть шесть типов разрушения горных пород из-за чрезмерных напряжений. Четыре из них относятся к разрушению при сдвиге, и два - к разрушению при растяжении. Напряжения, вызывающие эти разрушения, могут иметь механическую или химическую природу.

Большая часть обрушений происходит вследствие разрушения при сдвиге. Как мы помним из материалов о кругах напряжений, величина максимального касательного напряжения равна половине разности между наибольшим и наименьшим главными напряжениями. Главными напряжениями, действующими на стенках скважины, обычно являются кольцевые напряжения σ_θ, осевые напряжения σ_z и радиальные напряжения σ_r. (рис. 8-33).

Четыре типа разрушения при сдвиге: (рис. 8-64)⁸

• В результате поперечного сдвига при преобладающем действии кольцевых и осевых напряжений

• В результате продольного сдвига при преобладающем действии осевых и кольцевых напряжений

• В результате косого сдвига при преобладающем действии осевых и радиальных напряжений

• В результате поперечного сдвига при преобладающем действии радиальных и кольцевых напряжений

В каждом случае разрушение происходит по полосам сдвига, где инициируется и продолжается скольжение до отделения обломка породы от стенки скважины.

Поперечный сдвиг при преобладающем действии кольцевых и осевых напряжений происходит, когда наибольшее значение при разрушении имеют кольцевые напряжения, а наименьшее -радиальные напряжения: σ_θ > σ_z > σ_r. Такой сдвиг обусловлен разностью между кольцевыми и радиальными напряжениями (это наиболее часто встречающийся тип сдвига).

Продольный сдвиг при преобладающем действии осевых и кольцевых напряжений происходит, когда наибольшее значение при разрушении имеют осевые напряжения, а наименьшее - радиальные напряжения: σ_z > σ_θ > σ_r (этот сдвиг может быть вызван трением бурильной колонны о стенки скважины при спуске).

Как поперечный сдвиг при преобладающем действии кольцевых и осевых напряжений, так и продольный сдвиг при преобладающем действии осевых и кольцевых напряжений происходят в вертикальных скважинах в направлении σ_h вследствие недостаточной плотности бурового раствора или эффекта поршневания при подъеме инструмента.

Косой сдвиг при преобладающем действии осевых и радиальных напряжений происходит, когда наибольшее значение при разрушении имеют осевые напряжения, а наименьшее - кольцевые напряжения: σ_z > σ_r > σ_θ.

Поперечный сдвиг при преобладающем действии радиальных и кольцевых напряжений

происходит, когда наибольшее значение при разрушении имеют радиальные напряжения, а наименьшее - либо кольцевые, либо осевые напряжения: σ_r > σ_z > σ_θ или σ_r > σ_θ > σ_z.

Как косой сдвиг при преобладающем действии осевых и радиальных напряжений, так и поперечный сдвиг при преобладающем действии радиальных и кольцевых напряжений происходят в направлении σ_H вследствие чрезмерной плотности бурового раствора или эффекта поршневания при спуске инструмента.

Два типа разрушения при растяжении - гидроразрыв и отслаивание (рис. 8-64).

Гидроразрыв и обратимое поглощение обусловлены чрезмерно высокой плотностью бурового раствора (см. Радиальные напряжения и рис. 8-30).

Обратимое поглощение - поглощение, при котором буровой раствор медленно уходит в пласт при циркуляции, но возвращается в скважину при прекращении циркуляции. Это происходит, когда гидростатическое давление приближается к давлению гидроразрыва пласта. Гидравлические потери в кольцевом пространстве при циркуляции достаточно высоки, чтобы раскрылись трещины, образовавшиеся вследствие эффекта поршневания при спуске инструмента. После прекращения циркуляции трещины смыкаются, и буровой раствор выдавливается обратно в скважину.

Отслаивание вследствие растяжения обусловлено недостаточной плотностью бурового раствора. Этот тип разрушения встречается обычно в шахтных стволах и в скважинах, бурящихся на депрессии Силовые линии поля напряжений на рис. 8-27А показывают развитие растягивающих напряжений в отсутствие радиальных напряжений, создаваемых давлением бурового раствора.

Ползучесть

Под действием касательных напряжений хрупкие породы разрушаются. Чем больше хрупкость, тем серьезнее разрушение. Пластичные породы, такие как соль и гипс, под нагрузкой не разрушаются, а текут, уменьшая сечение скважины.

Когда порода разрушается, она теряет свою прочность. При пластической деформации породы прочность теряется лишь частично. Чем выше упруго-пластические свойства породы, тем в большей степени сохраняется ее прочность при деформировании. Некоторые горные породы в реальных условиях заметно проявляют свойство, известное как "ползучесть" или текучесть. На рис. 8-65 показаны зависимости между напряжением и деформацией для хрупких и пластичных материалов.

Ползучесть проявляется после начала бурения скважины. Напряжения в материале, удаленном долотом, должны быть восполнены кольцевыми напряжениями и радиальными напряжениями, обусловленными давлением столба бурового раствора. Если кольцевые напряжения слишком высоки, начнется пластическая деформация породы и выдавливание ее в скважину.

Сначала наивысшие кольцевые напряжения действуют непосредственно на стенках скважины. Когда начнется пластическая деформация породы на стенке, она уже не выдерживает полностью кольцевых напряжений, поэтому кольцевые напряжения распространяются в приствольную зону пласта. Таким образом, порода деформируется сначала на стенках скважины, а затем на все большем расстоянии от скважины. Зона деформации распространяется от стенки скважины в пласт на расстояние до трех радиусов (рис. 8-66).

Чтобы избежать прихватов, нужно проработать ствол и удалить попавший в него материал. Этот материал все еще воспринимает какую-то нагрузку, поэтому после проработки ствола процесс продолжится, и максимум кольцевых напряжений переместится дальше в пласт. Со временем в зоне, определяемой максимумом кольцевых напряжений, окажется достаточно материала, воспринимающего нагрузку, и деформация прекратится.

Е сли кольцевые напряжения слишком высоки, начнется пластическая деформация пород и выдавливание породы в скважину. Выдавленная порода все еще воспринимает определенную нагрузку, поэтому после проработки ствола процесс продолжится, и максимум кольцевых напряжений переместится дальше в пласт. Со временем установится равновесное состояние, и выдавливание прекратится.

Наибольшей ползучестью или текучестью характеризуются соль и гипс. Велика ползучесть глинистых пород и песчаников. Песчаники склонны к ползучести на большой глубине или под действием высоких тектонических напряжений. Молодые глинистые породы с тонкими плоскостями напластования более склонны к ползучести, чем более древние породы. Склонность к ползучести возрастает, когда скважина пересекает плоскости напластования под большими углами.

Обрушение, оползание и отслаивание

Говоря о потере устойчивости глинистых пород, часто употребляют термины обрушение, оползание и отслаивание ¹³. К сожалению, по этим терминам специалисты не пришли к единому мнению.

Чаще всего обрушивающимися глинистыми породами называют глинистые породы, которые обваливаются в скважину при недостаточно высокой плотности бурового раствора. Используя этот термин, специалисты имеют в виду один из типов разрушения - поперечный сдвиг при преобладающем действии кольцевых и осевых напряжений. Можно также сказать, что глинистые породы этого типа обрушиваются на забой сразу же после вступления в контакт с буровым раствором.

Оползающие глинистые породы. Обычно считается, что оползающие глинистые породы обваливаются из-за проникновения в них фильтрата бурового раствора и из-за химических реакций с водой. Такие обвалы чаще всего происходят по истечении некоторого времени, на протяжении которого глина находилась в контакте с водой. Многие специалисты в отрасли считают, что эти термины отличаются по типу обрушения. Мне не удалось найти в технической литературе ничего, что однозначно отличало бы эти термины друг от друга.

Термин "отслаивание" не очень широко распространен вне горнодобывающей отрасли. Обычно под отслаиванием понимают отделение породы от стенок скважины вогнутыми концентрическими кусками.

Это неспециальные термины, которые недостаточно полно описывают типы обрушения. Тем не менее, они дают возможность различать напряженные состояния, обусловленные механическим воздействием, и напряженные состояния, обусловленные химическим воздействием. Это по меньшей мере дает буровой бригаде исходную информацию для ликвидации осложнений.