Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин - Учебное пособие

1. ГОРНАЯ ПОРОДА - ОБЪЕКТ РАЗРУШЕНИЯ 1.1 Характеристика сил связи в структуре горной породы 1.2 Классификация горных пород академика Сергеева Е.М 1.3 Твердая компонента горной породы 1.4 Жидкая компонента горной породы 1.4.1 Состояние воды в горной породе 1.5 Пористость и проницаемость горных пород 1.6. Вектор перемещения и деформированное состояние в «точке» 2.2 Инвариантные соотношения для напряжений и деформаций при различных напряженных состояниях 2.3. Энергия изменения формы и объёма при деформировании 2.4 Геометрическая интерпретация напряженного состояния 3. Виды идеальных деформаций 3.2 Сложные реологические тела 3.2.1 Упругопластическое тело Прандтля 3.2.2 Вязкоупругое тело Максвелла, ползучесть и релаксация напряжений 3.2.3 Тело Пойнтинга-Томсона 3.3 Особенности ползучести горных пород 3.4 Реологические параметры, модули деформации и их определение 3.4.1 Модуль Юнга - модуль продольной упругости 3.4.2 Коэффициент поперечной деформации 3.4.3 Коэффициент объемного деформирования 4. ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ 4.1 Механическая теория прочности Кулона 4.2 Механическая теория Кулона-Навье 4.3 Энергетическая теория прочности Гриффита А.А. 4.3.1 Эффект Иоффе А.Ф. 4.3.2 Эффект Ребиндера А.П. 1 4.4 Кинетическая теория прочности 5. ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗЛИЧНЫХ НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЯХ 5.1 Развитие разрушения и определение прочности при одноосном растяжении и сжатии образцов горных пород 5.1.1 Определение прочности при одноосном растяжении 5.1.2 Определение прочности при одноосном сжатии 5.1.3 Влияние трения на торцовых поверхностях на разрушение образцов и их прочность 5.1.4 Влияние жесткости системы нагружения на развитие разрушения 5.2 Разрушение образцов горных пород при трехосном сжатии 5.2.1 Разрушение образцов горных при всестороннем равнокомпонентном сжатии 5.2.2 Разрушение образцов при осесимметричном трехосном сжатии. ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГОРНУЮ ПОРОДУ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ 6.1 Особенности разрушения образцов горной породы при динамическом приложении нагрузки 6.1.1 Локальное импульсное механическое воздействие наповерхность твердого тела 6.1.2 Показатели динамических свойств горных пород 6.1.3 Формы разрушения 6.1.4 Природа динамического действия шарошечного долота 6.1.5 Природа динамического действия лопастного долота 6.2 Разрушение образцов горной породы при статическом вдавливании инденторов 6.2.1 Определение твердости горных пород 6.2.2 Особенности разрушения горных пород при вдавливании инденторов 6.2.3 Дилатансионный механизм разрушения 6.2.4 Стимулирование разрушения горной породы при вдавливании индентора 6.3 Разрушение горной породы забоя скважины сдвигом 7. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА БУРЕНИЯ И ЗАБОЙНЫХ УСЛОВИЙ НА РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД 8.1 Параметры режима бурения и показатели работы долот 8.2 Влияние параметров режима бурения на механическую скорость 8.2.1 Влияние осевого усилия 3 8.2.2 Влияние частоты вращения долота 8.2.3 Влияние интенсивности промывки забоя скважины 8.3 Взаимосвязь параметров режима бурения и технико-экономических показателей 8.4 Влияние забойных условий на разрушение горных пород при бурении 8.4.1 Влияние гидростатического давления 8.4.2 Влияние гидродинамического давления 8.4.3. Влияние дифференциального давления 8.4.4 Влияние угнетающего давления 8.4.5 Влияние параметров бурового раствора на изменение механической скорости бурения ВВЕДЕНИЕ Разрушение горных пород забоя при бурении скважины происходит в условиях действия многочисленных факторов. Сюда же следует отнести и то, что горная порода забоя скважины испытывает различные нагрузки: cтатические, динамические, циклические со стороны бурового раствора и породоразрушающего инструмента. В последнем случае породоразрушающие элементы вооружения (зубцы шарошечного долота, например) не только наносят удар по забою, в результате которого в глубь породы забоя и по его поверхности распространяются различные по природе волны, отражающиеся от многочисленных адгезионных границ, внедряются в него, создавая под пятном контакта сложное напряженное состояние сжатия, срезают слой горной породы забоя тангенциальной нагрузкой. Горная порода - это гетерогенная система, состоящая из частиц твердой фазы, представленной минералами-диэлектриками, полупроводниками, проводниками, жидкой фазы, создающей токопроводящие каналы между частицами твердой, жидкой и газовой фаз, находящихся в порах и полостях трещин. 1.1 Характеристика сил связи в структуре горной породы В гетерогенных системах, какими и являются горные породы, различают силовые взаимодействия как внутри фаз, так и между фазами. Форма поверхности жидкости возле твердого тела (на твердом теле) определяется кривизной поверхности h = (dS/dV) / 2, где S - площадь поверхности тела, V - объём тела, и характером смачивания. Величина капиллярных сил f определяется зависимостью f = 2рrгж, где r - радиус частицы, гж - поверхностное натяжение жидкости. Адгезионная прочность (работа адгезии) Wа характеризует прочность адгезионного соединения и может быть выр