Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

t1дев = (s2дев – s3дев) / 2 = 0;

t2дев = (s1дев – s3дев) / 2 = s1 – P;

t3дев = (s1дев – s2дев) / 2 = s1 – P.

Величина (1 - P) называется дифференциальным напряжением. Это напряжение называют и девиаторным, т.к. оно определяет не только величину главных нормальных напряжений тензора-девиатора, но и величину его главных касательных напряжений. Далее в тексте мы будем на

пряжение (1 – P) именовать девиаторным, так как термин «дифференциальное напряжение» используется в бурении для обозначения перепада давления между буровым раствором, находящимся в скважине и поровым давлением в горной породе.

Развитие разрушения образца, происходящее под действием гидростатической нагрузки (1 + 2P) / 3, мы уже рассмотрели ранее.

Действие девиаторного (дифференциального) напряжения (1 – P) коренным образом изменяет развитие разрушения. В первые моменты действия девиаторного напряжения начинают закрываться трещины и поры, присутствующие в образце. Это приводит к уменьшению объёма образца. Увеличение деформаций пр , поп с ростом напряжения (1 – P) постепенно замедляется вследствие сжатия пор и трещин. Соответствующий нелинейный участок ОА деформационной кривой имеет вогнутую форму (рис.25).

При дальнейшем нагружении до уровня напряжений, соответствующих т.Б, для большинства горных пород наблюдается линейная связь между напряжением и продольной и поперечной деформациями. В этой области изменения напряжений происходит уменьшение объёма образца горной породы вследствие упругого сжатия минерального скелета образца.

Рис.25. Особенности деформационного поведения горной породы при ненулевой девиаторной нагрузке

В точке Б намечается отклонение от прямой зависимости между напряжением (1 – P) и поперечной деформацией: отношение поп/пр начинает возрастать. Природа этого отклонения и роста отношения поп/пр связана с образованием в образце трещин нормального отрыва, ориентированных параллельно линии действия девиаторного напряжения. Но зависимость между напряжением (1 – P) и продольной деформацией остается все еще линейной. На участке от т.Б до т.В развитие трещин происходит устойчиво: медленный рост девиаторной нагрузки на некоторую величину вызывает медленное подрастание трещин на величину l. Возникает нелинейный участок на деформационной кривой, отражающей связь продольной деформации пр с девиаторным напряжением. На деформационной кривой, располагающейся выше т.В, растущие трещины выходят на поверхность образца. Образуется система трещин, развитие которой приводит к разрушению образца в точке Г деформациионной кривой при достижении девиаторным напряжением соответствующего значения.

Если испытательное устройство имеет жесткую систему нагружения, то внезапного разрушения не произойдет: реализуется медленное снижение напряжений в образце при одновременном росте деформации (участок ГД на рис. 25).

На кривой зависимости «объёмная деформация – девиаторное напряжение» (рис. 25) видно, что появлению трещин нормального отрыва в точке Б соответствует увеличение объёма образца горной породы. При нагрузке, соответствующей напряжению в точке В, объём образца может быть уже больше своего начального объёма. Такое неупругое увеличение объёма называют дилатансией. Величина напряжения, при котором возникает дилатансия, составляет (1/2 ч 2/3) от величины девиаторного напряжения в точке Г. Часто увеличение объема образца горной породы при действии неравнокомпонентной нагрузки называют отрицательной дилатансией, а под положительной дилатансией понимают уменьшение объема деформируемой горной породы при действии сжимающих напряжений (рассмотренное нами выше снижение объема образца горной породы при его всестороннем равнокомпонентном сжатии и является примером положительной дилатансии).

Наступление дилатансии связано и с соотношением действующих нагрузок в схеме Кармана. Если P/1 > 0,2, то дилатансионное растрескивание не приводит к росту объёма образца, если же справедливо неравенство P/1 < 0,2, то неизбежно наступает дилатансия. Рост дилатансионного растрескивания можно трактовать как увеличение пористости (объема трещин) образца горной породы.

При увеличении обжимающего напряжения P резкое падение несущей способности образца после достижения дифференциальным напряжением максимальной величины в т.Г становится все менее заметным (при неизменной жесткости системы нагружения машины). Пока, наконец, при определенном значении P образец горной породы не начинает вести себя как пластичный: между дифференциальным напряжением и деформацией обнаруживается нелинейная зависимость, указывающая на развитие деформационного упрочнения (рис. 26, кривая OB).

Рис.26. Изменение деформационной кривой при росте гидростатического обжатия образца

Физическая суть деформационного упрочнения заключается в увеличении касательных напряжений, вызывающих сдвиг, при росте гидростатического сжатия горной породы шаровой нагрузкой. Поясним сказанное, привлекая для этого рис. 26.

При малой величине гидростатического сжатия разрушение горных пород происходит в точке A. Однако дальнейший рост гидростатического сжатия (из-за роста бокового давления) и увеличение напряжений, способных вызвать сдвиг, приводит к увеличению прочности образца (т. Б), выполаживанию запредельной части графиков и к отсутствию разрушения (т. B).

Способность к необратимым пластическим деформациям у известняков и алевролитов проявляется уже при всестороннем давлении около 50 МПа, у ангидритов – около 10 МПа, у некоторых песчаников появление остаточной деформации происходит при напряжениях, достигающих 400 МПа.

Разрушение в точках А и Б может произойти в результате развития либо трещин, параллельных сжимающей нагрузке, либо расположенных под некоторым углом к ней. При дальнейшем росте обжимающего давления разрушения образца в обычном понимании этого явления (образование разрывов сплошности образца) уже не происходит. Весь объем образца, нагруженного до т.В, рассечен двумя системами параллельных плоскостей, не приводящими к нарушению сплошности. По другому это можно сказать и так: образец горной породы оказывается раздробленным на мелкие ячейки, величина которых зависит от достигнутого значения P: чем больше обжимающее напряжение, тем меньше размер ячейки. Появление ячеистой структуры в образце породы при больших нагрузках стимулирует возникновение сдвиговой неустойчивости, т.е. разрушение в результате сдвига.

 Скачать реферат