Пластичность (коэффициент пластичности)

Аналогично энергетическому коэффициенту упругости, коэффициент пластичности определяется как доля работы пластической деформации А_ПЛ, которая равна площади фигуры АБ'А' в общей работе А_ОБ:

В результате получаем, что

К_У + К_ПЛ = 1

Данные коэффициенты для энергетики разрушения являются наиболее обобщёнными и практичными для бурения. Они объёдиняют в себе все природные явления механики горных пород, в том числе, неоднородность сплошности и пористости с трещиноватостью. Эти явления академическая наука, методом от частного к общему, пытается описать теориями прочности, моделями твёрдых тел, уравнениями обобщённого закона Гука, уравнениями Генки и так далее. Когда-нибудь настанет великий день, и «чистая» наука сможет…

Пористость

Величина пористости ε определяется отношением объёма пор V_ПОР рассматриваемой горной породы ко всему её объёму V_ГП:

Различают пористость общую, открытую, эффективную и закрытую.

Эффективная пористость отличается от открытой тем, что она является меньше, так как не учитывает тупиковые ответвления объёмов открытой пористости, из которых углеводороды не могут быть извлечены при разработке. Причём эффективная пористость может составлять менее 65 % от открытой пористости. Пользоваться термином «эффективная пористость» очень удобно для отчётности, так как если коэффициент нефтеизвлечения считать по открытой пористости, то он составляет, например, 23 % (смотри п. 1.1.2). Но если его считать по эффективной пористости, то он сразу становится больше, например, как у нас в стране, – 33%!

Открытая пористость определяется методом керосиновой пропитки.

 

Классификация способов разрушения горных пород

В настоящее время в бурении различают следующие способы разрушения горных пород:

1. Твёрдомеханические

2. Гидравлические

3. Химические

4. Термобарические

5. Комбинированные

Рассмотрим их по-порядку.

Твёрдомеханические

Твёрдомеханические способы используются для разрушения горных пород на забое скважины, для зарезки боковых стволов и для калибровки ствола скважины. Твёрдомеханические способы получили на практике наибольшее распространение. Дело в том, что они наиболее выгодны по причине наименьших энергетических затрат на единицу разрушенного объёма горной породы, так как при этом образуется наименьшая новая поверхность. В сравнении с другими способами, при твёрдомеханическом разрушении порода разрушается на наиболее крупные частности, например, по среднему эффективному диаметру на миллиметры (10^-3м). При этом количество химических связей горных пород, разрушенных механическим способом, на единицу объёма будет наименьшим, в соответствие с известной формулой, не учитывающей работу на пластические деформации (работу на изменение формы А_F):

где:

А_S – работа, затраченная на разрушение целого тела (твёрдого или жидкого), в результате которой образовалась новая поверхность S, Дж;

σ – удельная работа на образование единицы поверхности, оно же поверхностное натяжение в жидких телах, Н/м;

S – вновь образованная поверхность при разрушении целого тела, м².

Существует обратная пропорциональность между так называемой дисперсностью (раздробленностью) горных пород и затраченной для этого энергией. То есть, чем мельче мы разрушаем породу, тем больше тратим энергии. Поэтому, нужно стремиться к тому, чтобы разрушать горную породу на частички, например, с размерами около 0,5 см. Но если мы попытаемся эту же горную породу сжечь или растворить, то нам при этом придётся затратить энергии на столько порядков больше, на сколько порядков мы уменьшим средний диаметр частиц горной породы. Например, если горную породу разрушить до нанометров (10^-9 м) то новой поверхности образуется больше в 10^-3/10^-9=10⁶ раз!

Энергия и силовые характеристики разрушения зависят не только от величины вновь образовавшейся поверхности, но и от способа разрушения, при котором от энергии инструмента A_И одна часть А_S уходит на образование новых поверхностей, а другая часть A_F ‒ на нагревание и пластические деформации:

Существуют следующие общеизвестные способы твёрдомеханического разрушения:

1.1. Вдавливание

1.2. Дробление

1.3. Сдвиг

1.4. Скалывание

1.5. Кручение

1.6. Изгиб

1.7. Разрыв

1.8. Резание

1.9. Истирание

1.10. Ковыряние

При классификации породоразрушающего инструмента обычно различают только четыре способа, ‒ дробление, скалывание, резание и истирание. Считается, что в литифицированых породах другие процессы невозможны. Особенно последний, типа «ковыряние в носу». Однако западные инженеры не смеялись, и придумали долота типа от фирмы «Стратопакс», вооружённые поликристаллическими и полиалмазными компактами PCC и PDC, которые горную породу именно ковыряют. И в настоящее время долота с PDC повсеместно вытесняют шарошечные долота, ещё недавно господствующие на нашем рынке.

Гидравлические

Гидравлические способы основаны на использовании в бурении струи жидкости.

Гидромониторный

Гидромониторный он же извергающий струю воды способ в бурении используется для очистки забоя скважины от выбуренной породы. Основная его задача заключается в том, чтобы удалять частицы горной породы с забоя раньше, чем их начнёт измельчать вооружение долота. За счёт хорошей промывки можно в несколько раз увеличить скорость механического бурения.

С этой целью в промывочные отверстия в долотах вставляют специальные так называемые гидромониторные насадки, обеспечивающие скорость гидромониторных струй от 60 до 90 м/с. Большее увеличение скорости нецелесообразно, так как при скоростях более 120 м/с вода начинает разрушать горную породу, что энергетически не выгодно.

Гидроэррозионный

Гидроэррозионный способ используется при вторичном вскрытии продуктивного пласта, после крепления скважины. Он основан на добавлении в струю жидкости абразива, ‒ кварцевого песка. При этом в скважину на колонне бурильных труб спускаются гидромониторы, направленные почти в упор на внутренние стенки обсадной колонны. При этом используется направление и инерция гидромониторной струи для придания направления и инерции потоку абразивных песчинок, которые в течении одного или двух дней могут выцарапать в закреплённых стенках скважины отверстия глубиной до 20 и более сантиметров, что, как правило, достаточно для эксплуатации продуктивного пласта. Преимуществом гидроэррозионного способа вскрытия, по сравнению с пулевым или кумулятивным, является щадящий режим разрушения и отсутствие появления сети трещин в обсадных трубах и цементном кольце крепи стенок скважины после перфорации.

Химические

Растворение

Растворение применяется при ликвидации прихватов бурильного инструмента из-за обвалов горной породы и для увеличения пористости продуктивного пласта при освоении скважин. Для растворения карбонатных горных пород используется соляная кислота HCl, а для растворения силикатных (песчаных) и алюмосиликатных (глинистых) пород используется плавиковая кислота HF. При этом в зону прихвата или в призабойную зону закачивают так называемую кислотную ванну расчётного объёма.

Термобарические

В настоящее время практически на используются из-за крайне высокой дороговизны

Плазменный

Применялся в Советском Союзе для быстрого и тайного строительства шахтных стволов под баллистические ракеты в 50-е и 60-е годы 20-го века. Для этого использовался ракетоноситель с недостаточной для полёта рабочей тягой. После зажигания ракета быстро погружалась в образующуюся шахту, у которой образовывались остекленевшие стенки. Испарившаяся горная порода вместе с продуктами сгорания вылетала наверх. На один шахтный ствол, глубиной несколько десятков метров, тратился один ракетоноситель. Для сравнения, ‒ стоимость Кольской сверхглубокой скважины, достигшей глубины 12300 метров приблизительно равнялась стоимости запуска ракетоносителя «Протон».

Электродуговой

Заключается в выжигании горной породы вольтовой дугой. Не применяется из-за крайне высокой дороговизны.

Лазерные

Заключаются в расплавлении горной породы. Не применяются из-за крайне высокой дороговизны.

Взрывной

Заключается в бомбардировке забоя скважины бомбочками, которые транспортируются по бурильной колонне потоком промывочной жидкости. Не используется по целому ряду весьма серьёзных причин. Например, при взрыве горная порода на забое сжимается, а её предел прочности на сжатие в 30 раз больше, чем на растяжение. Строительство наклонно-направленных и горизонтальных скважин связано с риском взрыва бомб внутри бурильной колонны из-за перекоса бомб. Так же велик риск попадания части бомб в руки местного населения.

Комбинированные

Буровзрывной

Буровзрывной способ очень хорошо себя зарекомендовал при добыче твёрдых полезных ископаемых и при проходке тоннелей. Он заключается в том, что сначала бурится скважина небольшого диаметра, а затем в неё закладывается взрывчатка. В этом случае при взрыве горная порода работает на разрыв и разрывается на большие куски с размерами в десятки сантиметров, которые называются бутовым камнем. Буровзрывной способ разрушения горной породы является самым дешёвым из всех существующих.

 

Способы бурения

При бурении существует проблема очистки забоя скважины. В самом деле, породоразрушающий инструмент должен разрушать забой скважины, а не уже разрушенную горную породу между долотом и забоем. В конце концов, буровикам платят деньги за метры пробуренной скважины, а не за истолчённую в пыль горную породу. Поэтому, как только под долотом кусочки горной породы откололись от забоя, так сразу же у нас, буровиков возникает нестерпимое желание убрать этот шлам оттуда подальше, на поверхность.

Для реализации этого желания сначала следует рассмотреть принципиальные способы механического разрушения и удаления разрушенной породы на поверхность. Итак, при механическом бурении можно действовать следующим образом:

1) сверлить;

2) сначала долбить горную породу каким-нибудь долотом в забое скважины, потом извлекать из скважины бурильную колонну, потом спускать в скважину устройство, чтобы извлекать разрушенную горную породу на поверхность;

3) одновременно долбить или сверлить и очищать скважину от разрушенной горной породы с помощью продувки воздухом или промывки водой;

Первый способ – сверление – на небольшой глубине очень эффективен, поскольку при нём горная порода срезается шнеком с забоя и немедленно по винту механически транспортируется на поверхность. Однако при этом породы должны быть достаточно мягкими, и, кроме того, выбуренная и транспортируемая по шнеку порода не может находиться во взвешенном состоянии, поэтому с увеличением глубины растёт угроза прихвата из-за образовавшейся пробки шлама. В результате бурильный инструмент приходится часто извлекать из скважины, что увеличивает время бурения и сводит на нет все преимущества этого способа. В настоящее время такой способ применяется в основном для сверления скважин под столбы для линий электропередач.

Второй способ широко применялся всегда. Существуют письменные источники, что ещё в средние века китайцы бурили на рассол в лёссовых отложениях скважины с помощью бамбуковых штанг. Причём, горная порода забивалась внутрь бамбукового шлямбура, и её извлекали на поверхность вместе с бурильной колонной. Расцвет этого способа приходится на начало прошлого века. Здесь хорошо зарекомендовали себя две разновидности:

– ударно-канатное, когда тяжёлое стальное долото спускается в скважину на забой на канате, после чего долото приподнимают над забоем и роняют обратно, и так далее, пока на забое не образуется много шлама с буровым раствором. Затем долото быстро на лебёдке поднимают, после чего в скважину спускают так называемую желонку, то есть узкую тяжёлую бочку без верхней крышки, со впускным клапаном снизу. На забое желонку несколько раз поднимают и опускают, и в неё снизу через клапан заходит пульпа (густая масса из шлама и раствора). Затем желонку поднимают на поверхность и вытряхивают. Затем опять всё повторяют. Ударно-канатное бурение отличалось дешевизной, но сроки строительства скважин были на порядок большими, чем у третьего способа.

– ударно-штанговое, когда удар производится колонной штанг с наконечником. Это бурение появилось в связи со стремлением увеличить силу удара по забою, а, значит, и скорость проходки. Здесь возникло понятие «бурильная колонна». Однако при этом буровики столкнулись с проблемой потери устойчивости этой самой колонны в момент удара. Например, если стальная бурильная колонна будет длиной более 36 метров (стандартная длина бурильных свечей по три трубы, которые устанавливаются вертикально внутри буровой вышки), то, в результате её падения на забой, бок этой колонны выгнется, колонна спружинит и ударит стенки скважины. В результате, при совершенствовании этого способа стали применять много сложных и дорогостоящих механизмов и приборов, с помощью которых можно создавать и контролировать силу удара бурильной колонны. Способ стал значительно дороже, но позволял бурить глубже и быстрее. Например, при очистке забоя, желонка, толкаемая колонной штанг, наполнялась пульпой сразу, по достижении ею забоя.

Третий способ появился, когда наука и техника смогли соединить полую вращающуюся бурильную колонну с не вращающейся талевой системой и буровым шлангом с помощью хитрого устройства, которое называется «вертлюг». Появление вертлюга совершило революцию в бурении – скорости проходки возросли на порядок, поскольку теперь шлам, по мере образования на забое, немедленно оттуда сдувался или смывался.

В настоящее время выделяются следующие способы бурения:

1) шнековый, с механическим подъёмом горной породы по шнеку;

2) пневмоударный вращательный, с продувкой воздухом, используемый при добыче твёрдых полезных ископаемых;

3) вращательный с промывкой буровым раствором

4) ударно-канатный

5) ударно-штанговый

В нефтегазовом бурении в основном используется способ вращательный с промывкой, а шнековый способ иногда используется при бурении под кондукторы, особенно в многолетнемёрзлых породах.