Напряженное состояние пород в приствольной зоне

Напряженное состояние пород в приствольной зоне. В скважине, пробуренной через толщу пород буровым раствором с плотностью ρ_б.р<ρ_п. напряженные состояния в окрестности и вдали от нее отличаются друг от друга.

Распределение напряжений в упругих изотропных беспористых породах (без учета температуры), по С.Г. Лехницкому, описывается системой следующих уравнений (в Мпа):

                 (1.45)

где σ_н - вертикальное нормальное напряжение, вызванное действием сил веса (горного давления); σ_θ - тангенциальное (кольцевое) нормальное напряжение, направленное перпендикулярно к радиусу вертикальной скважины r_c; r - радиус рассматриваемой точки породы в окрестностях скважины.

Деформации и разрушение стенок скважины обусловлены главным образом касательными напряжениями:

                 (1.46)

Радиус несущей зоны, подверженной пластическим деформациям, исчисляется по формуле

            (1.47)

Значения σ_т приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Горная порода	Е·10-4, МПа		υ		σсж, МПа
	II	┴	II	┴	II	┴
Сланцы песчанистые	3,03	2,42	0,25	0,16	52	70
Известняки	6,36	7,25	0,28	0,30	151	152
Песчаники крупнозернистые	1,93	1,73	0,45	0,36	118	142
Песчаники мелкозернистые	3,83	2,64	0,20	0,19	160	157
Алевролиты	2.67	1.72	0,25	0,29	51	68
Примечание. Условные обозначения: II — параллельно слоистости; ┴- перпендикулярно слоистости

Приведенные зависимости позволяют с достаточной для практики бурения точностью прогнозировать устойчивость стенок скважины.

В глубоких скважинах, разрезы которых представлены мощными толщами глинистых формаций (глины, аргиллиты, алевролиты, мергели и глинистые сланцы), проблема устойчивости ствола имеет очень большое значение. Бурение таких пород сопровождается образованием каверн, сужением ствола скважины, прихватами и сложностью сохранения керна.

При вскрытии отложений каменной соли, сужение ствола и пластическая деформация могут произойти при τ>σ_т.

Термические напряжения в горных породах. Выше отмечалось, что температура циркулирующего раствора не равна температуре горных пород. Охлаждение или нагревание стенок при промывке скважины приводит к возникновению термических напряжений в горных породах. При перепаде температур более 10 °С термические напряжения имеют тот же порядок, что и напряжения, обусловленные разностью между боковым давлением породы и давлением в скважине.

Пример 1.13. Оценить главные касательные напряжения, действующие в приствольной зоне скважины (на ее внутренней стенке) в соленосных отложениях для следующих условий: глубина залегания данной точки соленосных отложений Н= 1600м, средняя плотность вышележащих горных пород ρ_п=2500 кг/м3, плотность бурового раствора в скважине ρ_б.р= 1300 кг/м3.

Решение. Нормальное, тангенциальное и радиальное напряжения (при ζ=1) будут соответственно вычислены по формулам:

σ_н=-9,81·2500·1600=-39,2МПа;
σ_θ=-2·9,81·2500·1600+9,81·1500·1600=-58МПа;
σ_r=-9,81·1300·1600=-20,4МПа                   (1.48)

Главные касательные напряжения определяются по формулам:

           (1.49)

Таким образом, максимальные касательные напряжения на стенке скважины достигают τ = -18,8 МПа.

Вывод. Посколькуст, даже наиболее прочного из галогенных минералов галита составляет 20 МПа, можно считать, что на стенках данной скважины соленосные породы находятся в упруго-пластическом состоянии.

Пример. 1.14. Определить радиус несущей зоны, в границах которой высокопластичные глинистые породы с σ_т=60 МПа подвержены пластическим деформациям, если известно, что ρ_п=2300кг/м3; ρ_б.р=1250кг/м3; r_с=6·10-2м;H= 1200м.

Решение. Подставляя данные в выражение (1.47) получаем