Горные породы – объект разрушения При бурении нефтяных и газовых скважин важно при бурении знать механические процессы, происходящие в горных породах. Для этого используются фундаментальные положения физики твердого тела, механики сплошных сред, теоретической механики и деталей машин. Горные породы неоднородны по составу и строению, часто обладают анизотропными свойствами. Поэтому при математическом моделировании используются частные решения, в основе которых лежат гипотезы о применимости упрощенных моделей, удовлетворительно представленных в конкретном случае горную породу.
Горные породы – объект разрушения при бурении n n Месторождение нефти и газа обычно приурочены к осадочным горным породам, которые делятся на 2 большие группы: кристаллические (25%) и обломочные (21%). Глинистые породы (54%) относятся также к обломочным. Важнейшими геологическими характеристиками пород являются минералогический состав, строение и неоднородность. Минералов известно на сегодняшний день около 2000, из них лишь несколько десятков являются породообразующими. В случае хемогенных пород минералы входят в состав горной породы в виде кристаллитов (зерен неправильной формы), в случае обломочных горных пород - в виде моно- и полиминеральных обломков.
Мономинеральной горной породой называется горная порода, состоящая из одного минерала (доломит, известняк, ангидрит) Полиминеральной называется горная порода, состоящая из нескольких минералов (гранит, глина) Строение горных пород характеризуют структурой и текстурой. Структура породы определяет особенности строения, обусловленные размером, формой и характером поверхностей, слагающих породу кристаллитов или обломков. Текстура породы определяет особенности строения, обусловленные взаимным пространственным расположением кристаллитов или обломков. Текстурными признаками являются слоистость, сланцеватость, пористость и трещиноватость. Сплошность является обобщенной текстурной характеристикой горной
Горные породы – объект разрушения при бурении Сплошность является обобщенной текстурной характеристикой горной породы, определяет способность окружающих скважину пород пропускать через себя промывочную жидкость. 4 категории сплошности: n 1 может уходить промывочная жидкость вместе с обломками (шламом) выбуренной горной породы может уходить. n 2 могут проникать как дисперсная среда (коллоидные глинистые частицы), так и дисперсионная фаза n 3 может проникать только маловязкая дисперсионная среда (типа воды) n 4 внутрь горных пород жидкости не проникают.
Осадочные кристаллические породы являются агрегатами минеральных зерен (кристаллитов), которые образуются в результате выпадения солей из водных растворов или химических реакций, происходящих в земной коре. Органогенные породы также относятся к кристаллическим осадочным породам. Органогенные породы являются продуктами жизнедеятельности организмов. Органогенные породы карбонатная сульфатная галоидная кремнистая подгруппа известняки гипсы каменная диатомиты доломиты ангидриты соль кремний мергели
Обломочные горные породы являются продуктами механического и физико-химического разрушений ранее существовавших горных пород с последующим их переносом водой или ветром и осаждением без растворения и перекристаллизации, а также породы, образовавшиеся на месте разрушения. По размерам обломков обломочные горные породы образуют 4 основные структурные группы: Грубообломочные породы (размер обломков более 2 мм. ). Это в основном обломки магматических и метаморфических пород. Пространство между ними заполнено песчаными, глинистыми и мелкоземистыми породами. В разрезах нефтяных и газовых месторождений имеют незначительное распространение.
Песчаные породы (размер обломков от 0, 1 до 2 мм. ) – пески (рыхлые) и песчаники (сцементированные). В зависимости от состава минеральных зерен бывают кварцевыми и полимиктовыми. Кварцевые состоят из зерен кварца, полимиктовые – из зерен различных минералов (слюды, роговой обманки, пироксена, полевых шпатов и др. ). По размерам зерен пески и песчаники подразделяются на: - грубозернистые (2 -1 мм. ) - крупнозернистые (1 -0, 5 мм. ) - среднезернистые (0, 5 -0, 25 мм. ) - мелкозернистые (0, 25 -0, 1 мм. ) - однородные (размер зерен постоянен) - разнозернистые (размер зерен различный)
Мелкоземистые породы (размер обломков от 0, 01 до 0, 1 мм. ) являются осадками континентального происхождения (супеси, суглинки и лёсс). Широкое распространение имеют сцементированные породы – алевролиты. Цементы по составу подразделяются на: n Кремнистые n Карбонатные n Сульфатные n Железистые n Глинистые n Битумистые и др.
По строению цементы подразделяются на 4 типа: n контактовый – содержится в местах контактов обломков; n пленочный – каждый обломок окружен пленкой цементирующего вещества; n поровый – цемент заполняет поры между обломками; n базальный – обломки породы как бы погружены в цементирующее вещество и не контактируют друг с другом. Глинистые породы (размер частиц менее 0, 01 мм. ) составляют глины, аргиллиты и глинистые сланцы.
Основы механики горных пород Механическими свойствами твердого тела являются упругость, пластичность, вязкость, прочность. В твердых телах основными механическими процессами являются деформирование и разрушение. Деформирование – процесс изменения размеров или формы твердых тел под влиянием внешних сил. Учитывая гипотезу о сплошности, непрерывное тело до деформирования остается непрерывным и после деформирования, т. е. не имеет разрывов и пустот. Деформация – это относительное изменение размера или формы тела. Деформации бывают обратимыми и необратимыми. Обратимой называется деформация, при которой прежние форма и размеры тела полностью восстанавливаются после воздействия внешних сил, а необратимой, если не восстанавливаются. Горные породы имеют ионные и атомные кристаллические структуры. Элементы структуры связаны между собой кулоновскими силами. Прочность – это способность твердого тела оказывать сопротивление разрушению от внешнего воздействия.
Модели твердых тел Существует несколько методов изучения механических процессов: натурные эксперименты, испытания моделей и теоретический. В основе теоретического метода лежит математическое моделирование твердого тела, основанное на фундаментальных положениях механики сплошных сред. Основные модели твердых тел: n упругое тело или тело Гука (деформируется упруго до разрушения); n идеальное упругопластическое тело (деформируется упруго до предельных напряжений, далее пластически деформируется при постоянных напряжениях); n идеальное жестко-пластическое тело или тело Сен-Венана (не деформируется до предельных напряжений, а при равных предельным – происходит пластическая деформация); n вязкое тело, или тело Ньютона (деформируется подобно вязкой жидкости). Наибольшее распространение получила модель упругого твердого тела с линейной зависимостью между напряжениями и деформациями.
Напряженное состояние в точке Допустим, что упругое тело находится под действием внешней нагрузки. Для определения напряженного состояния в точке, окружаем ее элементарным кубом. Для каждой грани куба определяем напряжение. Нормальными называются напряжения, перпендикулярные к граням куба, обозначаются δх, z δу, δz. Касательными называются напряжения дейст. в плоскости грани и обозначаются τху, τxz, τyz Следовательно, напряженное состояние в точке можно описать с компонентами напряжения: δх, δу, δz, τху, τxz, τyz
Обобщенный закон Гука n Согласно закону Гука деформация прямо пропорциональна нормальному напряжению: где - деформация растяжения или сжатия; - нормальное напряжение; Е – модуль Юнга (модуль деформации при растяжении и сжатии).
Составляющие деформации: έх= δz/E, έу = - μ δх/E = - μ έх, έz= - μ δу/Е, μ коэффициент Пуассона, характеризует упругие свойства тела, связывает деформации по взаимно перпендикулярным направлениям. Тогда, просуммировав полную деформацию по заданному направлению, получим: έz = έх' + έу" + έz'" = δz/E - μ δх/E - μ δу/E, где = - μ έх", έх" = δх/E έz"' = - μ έу", έу" = δу/E έ z"
Существуют еще и деформации сдвига, обозначаемые γ и пропорциональные соответствующим касательным напряжениям. где G – модуль деформации при сдвиге, причем: Действие внешних сил приводит к изменению не только линейных размеров и форм тела, но и объема.
Объемная деформация пропорциональна среднему напряжению: где ΔV – изменение объема элементарного куба под действием внешней нагрузки; V – начальный объем элементарного куба; К – модуль объемной деформации.
Тогда, обобщенный закон Гука записывается в виде:
Зависимость напряжения от деформации различных тел: δс – предел прочности хрупкого тела, δs' , δs" - пределы текучести Соответственно, зависимости δ от деформации έ различают: • хрупкие тела, • упрочняющиеся тела, • идеально упруго-пластические тела.
Хрупкие (1) деформируются упруго вплоть до разрушения. Упрочняющиеся (2) тела до предела текучести деформируются упруго, а после происходит пластическая деформация. Идеально упругопластические (3) до предела текучести также упруго деформируются, затем пластическая деформация увеличивается при постоянном напряжении. Основными видами разрушений является отрыв и срез. Отрыв характерен для хрупких тел, пластические деформации незначительны, поверхность разрушения перпендикулярна к напряжению. Для пластических и упрочняющихся тел характерно разрушение срезом, поверхность разрушения совпадает с плоскостью действия макс. касательных напряжений.
Существуют условия перехода твердых тел из упругого состояния в пластическое. Согласно условию Треска-Сан-Венана (Треск – француз. инженер): пластическое состояние наступает, когда во всех точках среди макс. касательное напряжение достигает определенного значения: 2 | τ2 | = |σ1 - σ3| =σs , где σs – предел текучести материала при простом растяжении.
Условие Мизеса определяет пластическое состояние в случае, когда удельная упругая энергия изменения формы достигает определенной величины, характерной для материала данного тела. Удельная упругая энергия деформирования: U можно представить в виде суммы удельных энергий упругого изменения объема U 0 и упругого изменения формы Uф. Удельная упругая энергия изменения объема:
Тогда удельная упругая энергия изменения формы: Uф=U-U 0 = ½ (σ1ε 1 + σ2ε 2 + σ3ε 3) – 3/2 Е (1 -2μ) σ02 После преобразований получим: - УСЛОВИЕ МИЗЕСА Условие Мизеса учитывает 3 главных напряжения и в случае 3 -х осного напряженного состояния дает лучшие результаты, чем условие Треска-Сан-Венана, которое не учитывает σ2.
Существует несколько теорий прочности. Первые исследования, проводимые Леонардо да Винчи и Галилеем привели к созданию первой теории прочности, согласно которой предельное состояние наступает тогда, когда достигает предельного значения одно из главных напряжений: -σn < σ1 < σn ; -σn < σ2< σn ; -σn < σ3 < σn , где σn – предельное напряжение, полученное при одноосном растяжении (+) или сжатии (-).
Вторая теория прочности определяет предельное состояние в случае, когда главная деформация достигает предельного значения. Запишем через обобщенный закон Гука, используя нормальные напряжения: -σn < σ1 - μ (σ2 + σ3) < σn ; -σn < σ2 - μ (σ1 + σ3) < σn ; -σn < σ3 - μ (σ1 + σ2) < σn.
Третья теория прочности При разрушении или достижении пластического состояния значительную роль играют касательные напряжения. Условие прочности имеет вид: -τn < τ1 < τn; -τn < τ2 < τn; -τn < τ3 < τn;
Выразим касательные напряжения через нормальные: получим: -σn < σ2 - σ3 < σn; -σn < σ1 - σ3 < σn; - третья теория прочности -σn < σ1 - σ2 < σn. Третья теория прочности совпадает с условиями Треска-Сен. Венана. С экспериментальными данными хорошо согласуется при двухосном напряженном состоянии, нашла применение в технике.
Четвертая или энергетическая теория прочности связывает разрушение или достижение пластического состояния с предельным значением удельной энергии формоизменения. Запишем это условие через главные нормальные напряжения: 2σ2 n ≥ (σ1 – σ2)2 + (σ1 - σ3 )2 +(σ2 - σ3)2 Проведем аналогию с условиями Мизеса: По теории прочности Uфп ≥ Uф. Произведя соответствующие преобразования, можно убедиться, что энергетическая теория прочности совпадает с условием Мизеса. Энергетическая теория носит название Губера-Мизеса-Генки.
Теория прочности Мора определяет зависимость предельного напряжения от среднего напряжения. τn=f(σср), - теория прочности мора, где τn- предельное значение касательных напряжений. Графически выражением теории прочности Мора является огибающая кругов Мора, построенная по результатам испытаний. Недостатком этой теории является то, что не учитывается главное напряжение - σ2
Обобщенное условие прочности Мора в отличии от теории прочности Мора учитывает все главные напряжения σin=f(σ0), где σin – предельная интенсивность касательных напряжений, определяемая по формуле: где σ0 – среднее напряжение σ0 = 1/3 (σ1+ σ2+ σ3)
Скачать презентацию Горные породы объект разрушения При бурении нефтяных
Slaydy_lektsia_3.ppt