Способ определения влияния бурового раствора на разупрочнение глинистых и глиносодержащих пород

Способ определения влияния бурового раствора на разупрочнение глинистых и глиносодержащих пород

Реферат

 

Использование: исследование и выбор буровых растворов для бурения скважин в глинистых и глиносодержащих породах. Сущность изобретения: к образцам породы прилагают постоянную осевую нагрузку, не вызывающую их разрушение в воздушной среде. К боковой поверхности образца, помещенного в камеру, подают испытуемую или эталонную жидкость и фиксируют время от момента подачи жидкости до момента разрушения в ней образца. В качестве испытуемой жидкости используют фильтрат бурового раствора. Разупрочняющее действие раствора на глинистую или глиносодержащую породу определяют из соотношения K_р=_э/_ф, где К_р - коэффициент разупрочнения, _э, - время воздействия на образцы до их разрушения эталонной жидкостью и фильтратом раствора, соответственно. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к испытанию влияния различных жидкостей на разупрочнение горных пород, и может быть использовано для выбора составов буровых растворов, обеспечивающих предупреждение или максимальное снижение деформационных процессов в околоствольном пространстве скважин, представленном глинистыми и глиносодержащими породами.

Оценку влияния бурового раствора на глинистые породы производят известными способами при исследовании набухания проб пород в жидкости (1).

Известен способ оценки влияния буровых растворов на глинистые породы, включающий получение модельных образцов пород с заданной исходной влажностью путем прессования, взвешивание полученных образцов, помещение их на определенное время в исследуемый буровой раствор, повторное взвешивание образцов и оценку влияния бурового раствора на образцы по показателю увлажняющей способности, зависящему от величины приращения массы образцов за время нахождения их в буровом растворе и от коэффициента коллоидности глины, используемой в качестве модельного материала (2).

Указанный способ имеет ряд недостатков, главным из которых является ограниченная область применения, поскольку данный способ приемлем только для оценки влияния буровых растворов на глинистые породы с высокой исходной влажностью и большой удельной поверхностью, деформация которых при взаимодействии с буровым раствором проявляется в их пластическом течении (без разрушения модельных образцов). Оценить влияние буровых растворов на глинистые и глиносодержащие породы с низкой исходной влажностью и малой удельной поверхностью, например, аргиллиты и глинистые сланцы, деформация которых, вызванная дополнительным увлажнением, проявляется в хрупком разрушении, данным способом невозможно, т. к. в результате размокания и разрушения модельных образцов их масса в процессе испытаний не увеличивается, а уменьшается.

Для данного способа характерна и высокая погрешность оценки увлажняющей способности буровых растворов, содержащих твердую фазу, оседание которой на поверхностях модельных образцов вызывает увеличение их массы, долю которой в общем приращении массы образцов за время нахождения их в буровом растворе учесть невозможно.

Кроме того, данный способ отличается и крайне низкой экспрессностью, т. к. продолжительность испытаний составляет до 4 ч.

Указанных недостатков лишен способ определения влияния буровых растворов на горные породы (3), который является наиболее близким техническим решением.

Данный способ заключается в нагружении образцов горных пород одноосным сжатием с постоянной нагрузкой, меньшей разрушающей нагрузки образца в сухом виде, подача к боковой поверхности образцов бурового раствора и определении влияния бурового раствора на породные образцы по коэффициенту их устойчивости Х^*, равному отношению времени воздействия на образцы до их разрушения бурового раствора (_р) и дистиллированной воды (_в).

Недостатком этого способа является низкая надежность и достоверность оценки влияния бурового раствора на горные породы применительно к реальным скважинным условиям.

Так, анализ результатов экспериментальных исследований, приведенных в описании данного изобретения показывает, что коэффициент устойчивости (Х^*), предложенный в качестве показателя оценки влияния буровых растворов на горные породы, и, соответственно, время воздействия бурового раствора на образцы породы до их разрушения (_р, c) имеет тесную связь с водоотдачей (В, см³).

По результатам этих исследований, приведенных в табл. 2 связь между временем разрушения образцов в буровом растворе _р и водоотдачей В с достаточной для практических целей точностью (средняя относительная ошибка равна 5,57%) описывается следующим уравнением: Установленная взаимосвязь между временем разрушения образцов в буровом растворе и водоотдачей дает основание считать введение нового оценочного показателя Х^* некорректным, поскольку о влиянии буровых растворов на горные породы можно судить по величине водоотдачи.

Между тем известно, что связь между величиной водоотдачи, измеренной в статических условиях, и скоростью динамической фильтрации, преобладающей в процессе бурения скважин, практически отсутствует. При этом буровой раствор с малой водоотдачей может иметь скорость фильтрации в скважине существенно выше, чем раствор с большой водоотдачей (Дж. Грей, Г.С.Г. Дарли. Состав и свойства буровых агентов (промывочных возможностей) пер. с англ. М. Недра, 1985, с. 269).

Отсюда следует, что величина водоотдачи, измеренная в статических условиях, а исходя из установленной зависимости, и коэффициент устойчивости X^*, не могут служить надежным и достоверным критерием влияния буровых растворов на горные породы в реальных условиях бурения.

Задача изобретения состоит в повышении достоверности оценки влияния буровых растворов на разупрочнение глинистых и глиносодержащих пород.

Поставленная цель достигается тем, что к образцу породы, помещенному в испытательную камеру, прилагают постоянную осевую нагрузку, не вызывающую его разрушения в воздушной среде; подают к боковой поверхности образца испытуемую или эталонную жидкость и фиксируют время от момента подачи к образцу породы жидкости до момента разрушения в ней образца. При этом, в качестве испытуемой жидкости используют фильтрат бурового раствора, а разупрочняющее действие раствора определяют из соотношения: K_р=_э/_ф, где K_p коэффициент разупрочнения; _э, _ф время воздействия на образцы до их разрушения эталонной жидкости и фильтрата бурового раствора, соответственно.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что для определения влияния бурового раствора на разупрочнение глинистых и глиносодержащих пород в качестве испытуемой жидкости используют фильтрат бурового раствора, а разупрочняющее действие бурового раствора определяют из соотношения времен воздействия на образцы до их разрушения эталонной жидкости и фильтрата бурового раствора. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Известно техническое решение (1), в котором пробы глинопорошка помещают в фильтрат бурового раствора или воду и определяют показатель устойчивости пород по соотношению величин набухания и пластической прочности образцов глинопорошка в фильтрате и воде. Однако, этот способ не обеспечивает оценку разупрочнения глинистой или глиносодержащей породы, которая достигается в заявляемом техническом решении. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже схематически изображено устройство для определения влияния бурового раствора на разупрочнение глинистых и глиносодержащих пород.

Устройство включает камеру 1, установленную на основании 2, к которому закреплена стойка 3 с направляющей обоймой 4. Внутри обоймы 4 размещен шток 5, снабженный в верхней части подставкой 6 для грузов 7. В нижней части штока 5 закреплена опора 8 для передачи осевой нагрузки на образец 9. Шток зафиксирован стопором 10. На верхней части направляющей обоймы 4 размещен концевой выключатель 11, который включен в электрическую цепь 12 электронно-механических часов 13 с секундной стрелкой. Камера 1 заполняется эталонной или исследуемой жидкостью 14.

Пример осуществления способа.

В камеру 1 помещают образец 9 при верхнем положении штока 5; после чего шток перемещают вниз до контакта опоры 8 с верхним торцом образца 9 и фиксируют шток 5 стопором 10. На подставку 6 устанавливают заданный груз 7 и отпускают стопор 10, нагружая образец. Вливают в камеру 1 известный объем испытуемой жидкости 14 (фильтрата бурового раствора), одновременно включая электронно-механические часы 13. В момент разрушения образца 9 шток 5 интенсивно перемещается вниз, отключая цепь питания часов 13 путем воздействия площадки 6 на концевой выключатель 11 и фиксируя тем самым время разрушения образца в фильтрате (_ф). Затем устанавливают во вновь подготовленную камеру 1 новый образец 9 и проводят аналогичные испытания по разрушению образца в эталонной жидкости, фиксируя время. После этого оценивают коэффициент разупрочнения Кр по выражению: K_р=_э/_ф. Оценка влияния буровых растворов на разупрочнение глинистых и глиносодержащих пород производится на модельных образцах, изготовленных из частиц одинакового фракционного состава одной и той же породы, при одинаковой нагрузке на образцы.

Предлагаемый способ реализован следующим образом.

Образец аргиллита тюмеской свиты (Томская обл.) измельчают, выделяют фракции размером 0,15 мм и прессуют цилиндрический образец (усилие прессования 40 кН (объемом 5 см³) высота 2,5 см). Объемная плотность образца при влажности 2% составляла 2100 кг/м³.

Изготовленный образец помещают в камеру, прикладывают к нему нагрузку 20 Н и заполняют камеру эталонной жидкостью, в качестве которой использована дистиллированная вода, фильтратом бурового раствора, либо в сравнительных испытаниях буровым раствором. Объем заливаемой жидкости составил 50 см³. Фиксируют время от момента подачи жидкости в камеру до момента разрушения образца.

Время разрушения образца в эталонной жидкости составило _э=100, другие результаты испытаний и их оценка приведены в табл. 2.

Анализ результатов сравнительных испытаний по предлагаемому и известному способам показывает, что время разрушения образцов пород в буровых растворах закономерно взаимосвязано с водоотдачей, а в фильтрате такой закономерности не обнаружено. Так, раствор 1 с весьма низкой водоотдачей (5 см³) и раствор 5 со сравнительно высокой водоотдачей (16 см³) обладают наибольшей разупрочняющей cпособностью (1,613), а раствор 3 (величина водоотдачи средняя между растворами 1 и 5 (с водоотдачей наименьшее разупрочняющее действие (0,32).

Приведенный пример убедительно свидетельствует о том, что выбор буровых растворов с позиции их разупрочняющего действия необходимо проводить по анализу воздействия на глинистые и глиносодержащие породы не самого бурового раствора, а его фильтрата.

Таким образом, предлагаемый способ в отличие от известного позволяет более достоверно оценивать буровые растворы с позиции их разупрочняющего действия на горные породы, тем самым обеспечивая более высокую устойчивость стенок скважины при бурении глинистых и глиносодержащих пород. Это позволит повысить производительность буровых работ при снижении их стоимости.

Формула изобретения

Способ определения влияния бурового раствора на разупрочнение глинистых глиносодержащих пород, заключающийся в приложении к образцу породы, помещенному в испытательную камеру, постоянной осевой нагрузки, не вызывающей его разрушения в воздушной среде, подаче к боковой поверхности образца испытуемой или эталонной жидкости и фиксировании времени от момента подачи к образцу породы жидкости до момента разрушения в ней образца, отличающийся тем, что в качестве испытуемой жидкости используют фильтрат бурового раствора, а разупрочняющее действие раствора определяют из соотношения K_р= _э/_ср, где К_р коэффициент разупрочнения; _э, _ср время воздействия на образцы до их разрушения эталонной жидкостью и фильтратом бурового раствора соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3