Напряженное состояние горных пород вокруг скважины

Обновлено: 04.07.2024

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Устойчивость стенок скважины в основном определяется величинами степени, скорости и давления набухания глинистых пород, структурно-адсорбционных деформаций, предельного напряжения сдвига систем глина - жидкость, геологическими и другими факторами. [1]

Устойчивость стенок скважины достигается регулированием плотности бурового раствора, а также доведением значений фильтрации полимерного раствора до 3 - 4 см3 / 30 мин. Для очистки бурового раствора от шлама предусмотрена установка трех двойных вибросит, комплекта гидроциклонов, вакуумного дегазатора и центрифуги. [2]

Устойчивость стенок скважины в конкретные моменты времени зависит от совместного действия факторов механической и химической природы [ 4, 15 и др. ], что обусловливает возможность успешного бурения с депрессией на глинистый пяаст. Очевидно, что требуемые свойства, содержание коллоидной и - - инертной составляющих твердой фазы, а также химическую активность фильтрата обеспечивают соответствующие компонентный и долевой составы бурового раствора. Перечисленные зависимые переменные могут быть заданы при установленных между ними соотношениях, определяющих устойчивость разбуриваемых пород. [3]

Устойчивость стенок скважины и долговечность изоляции вскрытых ею пластов достигается посредством крепления ствола ее обсадными колоннами с последующим цементированием заколонного и межколонного пространства ( либо того и другого) или путем неметаллического крепления, во время которого те же цели достигаются креплением стенок скважины тампонажным раствором без применения обсадных колонн. Это различие выделяет две большие ( хотя и неравные по применимости) группы методов крепления скважин. Далее способы крепления скважин различаются по приоритетному фактору осуществления операций цементирования. Прежде всего выделяется наиболее распространенное первичное цементирование, которое называется так потому, что проводится впервые после бурения очередного участка ( интервала) ствола скважины. В отличие от него вторичное цементирование скважины проводится для ликвидации осложнений, возникших на последующих этапах работ, после первичного цементирования. [4]

Устойчивость стенок скважины , как следует из анализа приведенных формул, определяется соотношением горного давления gpnZ и давления столба промывочной жидкости gppz. Разрушение их происходит главным образом под действием максимального касательного напряжения ттах, действующего в плоскости наименьшего и наибольшего нормального напряжения и вызывающего сдвиг породы. Давление в порах уменьшает нормальные напряжения на величину т) рн. Однако касательные напряжения, как считают Б. В. Байдюк, Л. А. Шрейнер, остаются неизменными, что и является главной причиной снижения прочности породы. Байдюком и Л. А. Шрейнером расчеты свидетельствуют о возможности значительного снижения устойчивости стенок скважины под влиянием порового давления как для коллекторов, так и для глинистых пород. Установлено, что устойчивость стенок снижается даже при превышении забойного давления над пластовым. С появлением перепада давлений, направленного в сторону скважины, радиальная составляющая напряжения сгг может поменять знак и неустойчивость еще более усилится. [5]

Устойчивость стенок скважины является еще одной проблемой в горизонтальном бурении. Обычно не принято относить устойчивость стенок скважины к проблемам очистки. Проблемы, развившиеся как результат неправильного выбора программы промывки скважины, могут повлечь за собой ряд осложнений, таких как обвалы стенок скважины, затяжки, прихваты. Низкая плотность раствора может привести к вытеканию глин и прихвату колонны. Если плотность раствора не может быть повышена, следует улучшить транспортирующую способность раствора. [6]

На устойчивость стенок скважины значительное влияние оказывает качество бурового раствора и давление в норовом пространстве горных пород. Последние условия в таблице не учтены, хотя они могут привести к заметному нительному снижению устойчивости стенок буровых скважин. На ряде газовых месторождений СССР ( районы Азербайджана, Узбекистана, Северного Кавказа и др.) имеются большие отклонения от нормального пластового давления. Эти аномалии объясняются несколькими причинами. [7]

Потеря устойчивости стенок скважины , набухание пород и вспучивание их на стенках скважины, осыпи и обвалы горных пород в стволе скважины нередко приводят к тяжелым последствиям, среди них первое место занимают затяжки и посадки бурильных и обсадных колонн. [8]

Потеря устойчивости стенок скважины , набухание пород и вспучивание их на стенках скважины, осыпи и обвалы горных пород в стволе скважины нередко приводят к тяжелым последствиям, среди которых первое место занимают затяжки и посадки бурильных и обсадных колонн. [9]

Сохранению устойчивости стенок скважины способствует гидростатическое давление промывочной жидкости. [10]

Вопросам устойчивости стенок скважины посвящено значительное число работ. Напряженное состояние в породах горного массива вокруг скважины рассматривалось Б. В. Байдкжом, Л.А. Шрейнером, А.А. Шам-сиевым и другими исследователями. Установлено, что напряжения, действующие в горном массиве, достигают максимальных значений на контуре скважины. [11]

Поддержание устойчивости стенок скважины является одной из основных задач, которые приходится решать при бурении нефтяных скважин. Если вести бурение в необсаженном стволе невозможно, то спускают обсадную колонну; причем совершенно ясно, что число обсадных колонн, которое может быть спущено в скважину, ограничено. [12]

Вопросам устойчивости стенок скважины посвящено значительное число работ. [13]

Под устойчивостью стенок скважины понимается сохранение номинального диаметра ствола и свободная проходимость инструмента в процессе бурения и проведения различных технологических операций. [14]

Важным фактором устойчивости стенок скважины является влажность горных пород. Особенно резко при увеличении влажности теряется устойчивость несцементированных пород и глин. [15]

Напряженное состояние горных пород при бурении

При различных видах бурения, распиловке, шлифовке и т.д., одновременно разрушению подвергается не весь объем горной породы, а только незначительная часть. Условия напряженного состояния в процессе бурения до разрушения обуславливается высоким всесторонним сжатием. Поэтому все механические характеристики (горных пород), получаемые при обычных методах испытаний, не дают полной картины поведения горных пород в процессах разрушения при бурении.

Рабочая часть режущего инструмента (долота, коронки и т.д.) имеет форму одностороннего или двустороннего клина.

Для того, чтобы разрушить таким клином породу, необходимо создать давление, достаточное для его внедрения в горную породу.

На схеме (рис.24) показано взаимодействие элементов вооружения различных долот с горной породой.

а. Резание - скалывание б. Дробление в. Дробление - скалывание

Схемы взаимодействия элементов вооружения долота с горной породой

R - сила, вдавливающая зуб долота в породу;

V_с - скорость вращения долота;

w - угловая скорость вращения шарошки;

V_у - скорость перемещения соседнего зуба к поверхности породы (со скоростью наносится удар по породе).

Здесь r - расстояние от вершины зуба до мгновенного центра вращения шарошки.

Особую сложность представляет дробяще-скалывающее разрушение горной породы.

Взаимодействие элемента вооружения долота с горной породой характеризуется реализуемой энергией, которая может быть определена по формуле:

где А - работа, производимая за одно действие зубца;

А₀ - работа, совершаемая долотом за один оборот;

h - коэффициент передачи мощности вооружения долота;

i - передаточное отношение от долота к шарошке;

Sz - число элементов вооружения долота.

У долот радиус кривизны вершины режущей кромки во много раз больше, чем у металлорежущего инструмента, а в некоторых случаях он равен бесконечности, т. е. Вершина срезана полностью.

В начальный период долото соприкасается с породой по линии, а затем по мере увеличения нагрузки вследствие упругого сжатия по некоторой поверхности, ограниченной двумя параллельными линиями.

При достижения предела упругости по начальной площади контакта наступает разрушение.

Начальное разрушение на минимальную глубину для данной степени «остроты» зависит только от геометрии вершины режущей кромки.

По мере углубления все большее значение приобретают макрогеометрические формы режущей части долот, главным образом, угол заострения.

В связи с этим необходимо проанализировать условия напряженного состояния при вдавливании, т. е. Рассмотреть предельные напряженные состояния и механизм элементарных процессов разрушения при вдавливании.

В основе решения этих задач лежит классическая задача Буссинеска о действии сосредоточенной силы на упругую плоскость, ограничивающую полубесконечное тело.

При решении различных задач на вдавливание принимаем, что материал вдавливаемых элементов абсолютно жесткий.

Напряженное состояние пород в условиях естественного залегания и в окрестности скважины. Гидроразрыв пород

В условиях естественного залегания горная порода находится в состоянии равномерного всестороннего сжатия, обусловленного весом вышележащей толщи, тектоническими, а иногда химическими процессами.

Рассмотрим упрощенную схему формирования напряженного состояния пород, полагая, что отсутствуют тектонические силы и напряжения, обусловленные химическими процессами. Выделим мысленно вертикальный столбик пород с площадью поперечного сечения F. В любом сечении этого столбика часть площади занята твердым скелетом породы, другая же часть—порами, в которых находится жидкость (газ).

Обозначим отношение той части площади сечения, которая приходится на поры, к общей площади F столбика буквой v; очевидно, всегда v < l,0.

В рассматриваемом сечении вес G_гп вышележащей толщи пород воспринимается частично твердым веществом скелета породы, а частично жидкостью, заполняющей поры. Поэтому баланс вертикальных сил можно записать так:

где s _эф — эффективное напряжение скелета породы в рассматриваемом сечении, Па; р_пор—поровое давление жидкости, Па.

Отсюда эффективное напряжение скелета

Напряженное состояние в горных породах может существенно изменяться под влиянием тектонических сил. Например, при образовании антиклинальной складки в горных породах возникают напряжения изгиба; они тем больше, чем сильнее изогнута складка; в купольной части складки эти напряжения существенно больше, чем на крыльях. При некоторых видах тектонических движений может быть вообще нарушена целостность породы (например, в зонах плоскостей сдвига, сброса и т.п.).

Причиной изменения напряженного состояния могут явиться химические процессы, способствующие преобразованию состава пород, изменению объема их скелета и увеличению пористости (например, доломитизация известняков, выщелачивание и т. п.).

Большое влияние на напряженное состояние пород оказывает изменение порового давления, что может быть вызвано разными причинами (тектонические движения, миграция углеводородов при формировании залежей, истощение месторождений, искусственное нагнетание воды или газов при разработке месторождений).

Как видно из формулы, уменьшение порового давления при неизменном геостатическом, что характерно для разработки газовых, газоконденсатных и некоторых нефтяных месторождений, приводит к увеличению эффективного напряжения скелета породы s_эф и, следовательно, к уменьшению разности между прочностью породы на сжатие и эффективным напряжением, т.е. резерва прочности. Увеличение порового давления при неизменном геостатическом может способствовать росту пористости и, следовательно, коэффициента n; при росте же пористости и прочих равных условиях уменьшается число контактов между зернами скелета породы, а значит, и прочность породы.

С подобным эффектом, по-видимому, приходится сталкиваться при сооружении скважин на месторождениях с аномально высокими пластовыми дaвлeниями: на такиx мecтopождeнияx прочность и твердость нижней части пород - покрышек, в которую проникли лёгкие фракции углеводородов под аномально высоким поровым давлением (эту часть обычно называют ореолом вторжения), значительно ниже, а пористость выше, нежели в верхней части тех же покрышек. Резерв прочности породы в ореоле вторжения также будет меньше, чем в верхней части покрышки.

Если через толщу пород пробурить скважину и заполнить ее жидкостью с плотностью r_п<r_об, напряженное состояние в окрестности скважины будет существенно отличаться от напряженного состояния вдали от нее. С. Г. Лехницкий показал, что распределение напряжений в упругих изотропных беспористых породах описывается системой следующих уравнений:

где r_с – радиусвертикальной скважины, м; r – радиус рассматриваемой точки породы в окрестности скважины, м; s_z – осевое напряжение, Па; z – глубина рассматриваемой точки от дневной поверхности, м; c = m_п /(1-m_п) – коэффициент бокового распора; r_об – средневзвешенная объемная масса горных пород.

Рис.8. Распределение напряжений в окрестности скважины (по С.Г.Лехницкому)

Рис.9. Изменение давления в скважине при гидроразрыве пород (1) и раскрытии естественных микротрещин в них (2)

На рис.8 для примера показано распределение напряжений при c=0,4 и r_п/r_об=0,5. Из системы уравнений и рис.8 видно, что на стенке скважины радиальные напряжения максимальны, а тангенциальные минимальны по абсолютной величине; с удалением от стенки скважины первые довольно быстро уменьшаются, а вторые — возрастают и асимптотически приближаются к пределу s_r = s_t = cs_z; осевые и радиальные напряжения на стенке всегда являются сжимающими, а тангенциальные—растягивающими. Значит, порода в окрестности скважины находится в более сложном напряженном состоянии, чем порода в нетронутом массиве. Истинно напряженное состояние пород вокруг скважины несколько отличается от описываемого системой уравнений, потому что осадочные породы всегда пористые, содержат жидкость (газ), а жидкость способна фильтроваться через стенки скважины; кроме того, на напряженное состояние рассматриваемой зоны влияют капиллярные и осмотические процессы.

Если в скважине, заполненной жидкостью, постепенно увеличивать давление, напряжения в стенках и примыкающей к ним области будут возрастать до тех пор, пока порода не будет разорвана и жидкость из скважины начнет растекаться по образовавшимся трещинам. То критическое давление (рис.9), при котором разрывается порода в стенках скважины и прилегающей к ним области, принято называть давлением гидроразрыва р_р. Если в породе в условиях естественного залегания имеются сомкнутые микротрещины, последние раскроются при давлении р_рт, несколько меньшем давления гидроразрыва.

Условимся в дальнейшем величину отношения давления гидроразрыва монолитных пород или давления раскрытия микротрещин прочих пород к давлению столба пресной воды называть индексом давления поглощения

где z —глубина залегания рассматриваемой точки породы от дневной поверхности, м.

Давления гидроразрыва (раскрытия микротрещин) определяются опытным путем. Для прогнозирования ориентировочных значений индекса давления поглощения можно воспользоваться формулой

полагая в ней k_гс = 2,3. В действительности k_гс с глубиной возрастает примерно от 1,8 близ дневной поверхности до 2,3—2,5 на большой глубине. Коэффициент бокового распора c желательно определять по данным о давлениях разрыва пород (раскрытия микротрещин), полученным в ранее пробуренных скважинах на данной или других площадях со сходными горно-геологическими условиями.

Напряженное состояние горных пород вокруг скважины

Напряжённое состояние пород вокруг скважины

Всестроннее сжатие – состояние до бурения

где р – горное давление, І – единичный тензор.

/* Тензор напряжений в нетронутых горных породах может быть только шаровым или, другими словами, в нетронутых горных породах возможно только равномерное всестороннее сжатие.

В состоянии всестороннего сжатия с шаровым тензором имеющиеся в материале микродефекты не растут, а, напротив, со временем постепенно уменьшаются в размерах («залечиваются»). Залечивание протекает тем скорее, чем больше давление р и чем выше окружающая температура. Благодаря залечиванию микродефектов прочность углей и вмещающих пород увеличивается с глубиной залегания и возрастом породы.

Деформации, возникающие после бурения скважины

u = u ( r ),

а система уравнений равновесия в перемещениях при r > r_w где r_w – радиус скважины, сводится к одному дифференциальному уравнению

d 2 u/dr 2 + 1/r du/ dr – u/r 2 = 0. (2)

Общее решение уравнения (2) имеет вид

u = C ₁ r + C ₂ / r , (3)

где C ₁ , C ₂ - произвольные постоянные.

Из ограниченности функции u ( r ) во всей области r > r_w следует, что C ₁ = 0 и, следовательно,

u = C ₂ / r . (4)

Дополнительные напряжения в породе, возникающие после бурения

Полные напряжения и определение произвольной постоянной

Поскольку все побочные компоненты тензора напряжений равны нулю, выбранная для рассмотрения цилиндрическая система координат соответствует главным осям этого тензора.

Механизм возникновения трещин в породе после бурения скважины

Согласно представлениям современной физики разрушения имеется всего два элементарных механизма разрушения кристаллических тел:

В рассматриваемом нами случае напряжённого состояния горных пород, возникающего после бурения скважины, растягивающие напряжения отсутствуют, так что, на первый взгляд, раскрытие трещин не должно происходить. Однако, как хорошо известно из экспериментов на бетоне, в аналогичном состоянии неравномерного всестороннего сжатия возможно объёмное растрескивание и даже разрушение материала.

Критерий трещинообразования

Таблица. Прочностные характеристики углей и вмещающих пород

Уголь бурый 5–9 3-6

Уголь каменный 2,4–13 1,5-8

Антрацит 10–35 6-20

Аргиллит 21–77 12-46

Алевролит 6–68 4-40

Песчаник крупнозернистый 140-176 80-100

Сланец глинистый 37-62 24-36

Изменение интенсивности касательных напряжений при удалении от оси скважины

Первичная фильтрационная сеть

Радиус R ₁ первичной фильтрационной зоны определяется формулой:

Создание вторичной фильтрационной сети

Для более полного извлечения метана в настоящее время используются различные методы расширения фильтрационной сети. Во всех этих методах (гидроразрыв, гидрорасчленение, гидродинамическое воздействие и др.) в макротрещины первичной фильтрационной сети через скважину под давлением, меняющемся в том или ином режиме, закачивается вода, что приводит к росту старых и образованию новых трещин. Радиус R ₂ возникающей в результате такого воздействия вторичной фильтрационной зоны может в 2-3 раза превышать R ₁ и, значит, в 10 и более раз превышать радиус скважины r_w .

§ 17. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНОЙ ВЫРАБОТКИ (ч. 1)

До проведения выработки горный массив находится в состоянии устойчивого равновесия и его напряженное состояние определяется в общем случае силами тяжести горных пород, а также трудноучитываемыми тектоническими и температурными факторами.

В простейшем случае горизонтального напластования осадочных пород без тектонических и температурных изменений в горном массиве действует давление, величина вертикальной составляющей которого σy определяется весом столба породы, расположенной выше рассматриваемой горизонтальной площадки, а величина горизонтальной составляющей σx равна некоторой доле вертикального давления, т.е.

где γ_i и h_i — объемный вес и толщина пластов породы; ξ — коэффициент бокового давления породы.

Породы, слагающие горный массив, можно рассматривать как линейно-деформируемые и, следовательно, использовать для определения их напряженного состояния методы теории упругости. Такое допущение является вполне обоснованным не только для скальных, но и для пластичных пород, так как при изменении давления на породу в сравнительно небольших пределах (от первоначального давления до давления, установившегося после закрепления выработки) между напряжением и деформациями существует линейная зависимость.

В этом случае величина коэффициента ξ бокового давления может быть выражена через коэффициент поперечной деформации μ₀ :

Применение методов теории упругости к исследованию напряженного состояния вокруг подземной выработки позволило сделать некоторые важные выводы.

Раскрытие подземной выработки связано с удалением из нее породы, которая воспринимала давление пород, залегающих непосредственно над выработкой, и предотвращала смещения частиц породы на ее контуре. В связи с этим вокруг выработки возникает концентрация напряжений: стены выработки подвергаются повышенному давлению, а в кровле возникают растягивающие напряжения, достигающие иногда значительных размеров.

Переход от первоначального напряженного состояния (всестороннее сжатие) к двухосному (вследствие снятия напряжений по контуру выработки) сопровождается возникновением деформаций окружающих пород.

Рис. 32 дает представление о распределении главных напряжений вокруг квадратного отверстия в горном массиве. Изолинии получены в результате исследования концентрации напряжений вокруг вырезов в упругих изотропных пластинках. Около линий выписаны коэффициенты концентрации напряжений, характеризующие изменение первоначального напряженного состояния.

Из рассмотрения рис. 32 можно сделать следующие выводы:

– наличие первоначального бокового давления уменьшает концентрацию напряжений и, что особенно важно, растягивающие напряжения в кровле выработки;
– в местах перегибов контура выработки возникают большие концентрации напряжений (коэффициент концентрации в углу теоретически равен бесконечности), вследствие чего неизбежно появление зон пластических деформаций. Поэтому при выборе формы выработки целесообразно в ее углах устраивать закругления, обеспечивающие снижение коэффициента концентрации, или переходить к плавному очертанию (эллипс, круг).

Рис. 32. Изолинии главных напряжений вокруг квадратной выработки при одноосном (а) и двухосном (б) сжатии

Более подъемистые выработки благоприятнее выработок кругового очертания. Так, если при ξ = 0,25 напряжения в середине кровли круговой выработки составляют 0,26 p , то в эллиптической выработке с отношением высоты к пролету, равным 1,5, растягивающие напряжения отсутствуют.

Это позволяет сделать вывод, что подковообразное очертание выработки более выгодно в статическом отношении, чем круговое. Теоретическое решение для этого более сложного случая отсутствует. Представление о распределении напряжений по контуру выработки подковообразного очертания дает эпюра (рис. 33), полученная оптическим методом при ξ = 0,25. Оно является весьма благоприятным. Лишь в плоском основании имеются небольшие растягивающие напряжения. Остальной контур сжат.

Рис. 33. Распределение напряжений по контуру сводчатой выработки

Изложенные результаты исследований, полученные методами теории упругости, позволяют оценить характер изменений напряженного состояния вокруг незакрепленной выработки. Наличие крепи, ограничивающей деформации контура выработки, улучшает напряженное состояние окружающих пород. В связи с этим значительный интерес представляют работы, основанные на рассмотрении совместной работы тоннельной обделки и окружающей ее упругой среды. Так, С.А. Орловым получено решение задачи о напряженном состоянии весомой упругой среды с закрепленным круговым отверстием, позволяющее определить контактные напряжения между обделкой и горным массивом. Расчет показывает, что наличие обделки уменьшает концентрацию напряжений в стенах выработки. Следует отметить, что полученное решение является чисто теоретическим, так как предполагает, что кольцо, поддерживающее контур выработки, установлено и плотно прижато к породе до возникновения в ней неупругих деформаций. В действительности обделка сооружается в выработке, контур которой уже подвергся пластическим деформациям в результате концентрации напряжений.

Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены

§ 17. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ВОКРУГ ПОДЗЕМНОЙ ВЫРАБОТКИ (ч. 2)

Результаты расчета, полученные для незакрепленной выработки методами теории упругости, правильно отражают напряженное состояние окружающих пород, если они нигде не испытывают пластических деформаций. В этом случае подземная выработка является вполне устойчивой и может быть оставлена без тоннельной обделки, если она не требуется для защиты породы от разрушения или для придания выработке правильной формы.

Однако в общем случае в результате концентрации напряжений прочность породы, ослабленной трещинами и лишенной поддержки изнутри выработки, оказывается превзойденной, и в наиболее напряженных точках контура (рис. 34) начинается разрушение.

Рис. 34. Напряженное состояние породы вокруг подземной выработки

Первоначально упругий прогиб кровли выработки, расположенной на глубине H , сопровождается образованием трещин 1 и 2 в растянутой зоне, которые постепенно распространяются в глубь горного массива. Одновременно происходит деформация перегруженных стен выработки, проявляющаяся по-разному в различных породах.

В хрупких породах концентрация напряжений в стенах иногда достигает значительной величины. В нетрещиноватых породах она может вызвать так называемое «стреляние» (отделение от стен линз породы толщиной до 10 см и площадью до 2 м 2 ), которое сопровождается сильным звуком, похожим на выстрел. «Стреляние» характерно для тоннелей, расположенных на больших глубинах, однако иногда оно происходит и на небольшой глубине, где прочность стен не могла быть превзойдена в результате концентрации напряжений. Это объясняется наличием в породе больших тектонических или температурных напряжений.

В мягких породах по мере продвижения забоя происходит разрушение стен, и вертикальное напряжение на их гранях падает почти до нуля (см. левую часть рис. 34) с перемещением зоны повышенных напряжений вглубь горного массива; наличие крепи, поддерживающей стены, сохраняет часть р₀ их несущей способности (см. правую часть рис. 34). Значительные деформации стен вызывают дальнейшее развитие трещин в окружающих породах и увеличение прогиба кровли.

Если контур не поддержан временной крепью, происходит выпадание глыб разрушенной породы с увеличением отношения высоты выработки к пролету до тех пор, пока сечение выработки не примет форму устойчивого равновесия. Такой формой является сводчатое очертание, характерное для пещер естественного происхождения. Окружающие выработку породы приспосабливаются к изменившимся условиям, и силовые линии главных сжимающих напряжений, первоначально бывшие вертикальными, обтекают выработку, сгущаясь вблизи от нее вследствие концентрации напряжений в стенах.

В случае закрепления выработки на временную крепь или обделку тоннеля будет действовать только вес разрыхленной породы (вывала), отделившейся от образовавшегося над выработкой свода естественного равновесия, называемого также сводом давления.

Таким образом, давление пород на подземную конструкцию — горное давление — не зависит, как правило, от глубины заложения выработки. Это обстоятельство является исключительно важным, так как дает возможность сооружать на значительных глубинах сравнительно легкие тоннельные обделки сводчатого очертания.

Только в случае расположения выработок на небольшой глубине обрушение нарушенных проходкой пород может распространяться до поверхности с осадкой последней. В этом случае давление на подземную конструкцию определяется полным весом столба вышерасположенной породы.

Своевременная постановка крепи ограничивает остаточные деформация контура выработки и способствует сохранению несущей способности горных пород. При этом чем более жесткой является крепь и чем тщательнее она прижата к контуру выработки, тем быстрее прекращается развитие давления на подземную конструкцию. Можно сказать, что главным условием успешной проходки подземной выработки является сохранение несущей способности окружающих горных пород и использование их как конструктивного элемента.

Несвоевременная постановка крепи и применение крепей податливых конструкций способствуют развитию остаточных деформаций в кровле выработки, образованию свода давления и отделению от него вывала породы, вес которого передается на конструкцию.

Существующие теории горного давления рассматривают случай полного развития свода давления, т.е. не учитывают положительной роли временной крепи.

Волков В.П., Наумов С.Н., Пирожкова А.Н., Храпов В.Г. Тоннели и метрополитены

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Напряженное состояние горных пород вблизи скважин и шахт при осесимметричном действии нагрузок определяется на основе методов и формул, изложенных в главе I. Рассмотрим теперь упругую деформацию горных пород вблизи выработок круговой формы в плане, когда действие нагрузки на выработку не является осесим-метричным. Рассмотрим пример плоского двумерного напряженного состояния. [1]

Напряженное состояние горных пород методом фотоупругости моделируют на оптически активных материалах, в которых под нагрузкой при пропускании через них поляризованного света возникает картина изохром, представляющих собой геометрическое место точек равных касательных напряжений. [3]

Напряженное состояние горных пород в естественном залегании в массиве, формирующееся под воздействием горного давления, отличается весьма сложным характером. [5]

Напряженное состояние горных пород приближенно оценивают по делению керна на диски, по выходу керна и шлама при бурении скважин: чем интенсивнее разрушается керн на диски, тем опаснее считается данный участок в отношении кавернообразова-ния и развития осложнений. [6]

Напряженное состояние горных пород вокруг ствола скважины определяется вертикальными ог, горизонтальными ог, касательными а напряжениями. [7]

Напряженное состояние горных пород в земной коре обусловлено давлением вышележащих пород и тектоническими процессами. [8]

Напряженное состояние горных пород , вскрытых горизонтальной скважиной, в отличие от вскрытых вертикальной, не является осесимметричным. Вывод расчетных формул выполнен в цилиндрической системе координат: аппликата z совпадает с осью скважины, г и ср - полярные радиус и угол соответственно. Компоненты напряжений ar, Jt и az являются функциями естественных напряжений - вертикального & з, горизонтального О, пластового давления р, а также параметров, связанных со скважиной: давления бурового раствора рс в скважине, полярных радиуса г и угла ср. [9]

Поэтому напряженное состояние горных пород в приствольной зоне определяется мгновенными напряжениями CT J, обусловленными проводкой скважины и вычисленными по формулам разд. [10]

Знание напряженного состояния горных пород и контроль за его изменением в процессе строительства гидротехнического сооружения и наполнения водохранилища дает возможность предвидеть деформации в основании плотины и своевременно принять меры для снижения или ликвидации нежелательных смещений. Для этой цели в скважинах большого диаметра ( до 1250 мм) и глубиной до 70 м устанавливают специальную контрольно-измерительную аппаратуру ( КИА), включающую комплекс различных приборов. [11]

Изменение напряженного состояния горных пород вызывает уменьшение проницаемости при росте эффективных напряжений и ее увеличение - в противном случае. [12]

При напряженном состоянии горных пород , близком к предельному, существенное влияние на устойчивость горных пород оказывает режим работы скважины. В процессе промывки скважины температура стенок изменяется в одном направлении, а при остановках циркуляции наблюдается обратное изменение температуры горных пород, вскрытых скважиной. Частота циклов нагрева и охлаждения равна числу рейсов долота в сутки. Циклическое нагревание и охлаждение даже с небольшой амплитудой может привести к появлению усталостных явлений на стенках скважины. В связи с этим необходимо рассмотреть вопрос, о длительной прочности горных пород ствола скважины. Этот вопрос изучен сравнительно слабо. [13]

При напряженном состоянии горных пород , близком к предельному, наблюдается существенное снижение ой во времени по закону изменения длительной прочности твердых тел. Этот процесс интенсифицируется колебаниями давления и температуры в скважине, а также физико-химическим взаимодействием горной породы с промывочной жидкостью. По данным [26], длительная прочность горных пород в условиях скважины составляет 0 85 - 0 95 от первоначальной. [14]

Следовательно, теоретически напряженное состояние горных пород всегда неравновесно и оно, по-видимому, время от времени и приводит к подвижкам земной коры. Однако это не исключает возможности рассматривать напряженное состояние горных пород при решении некоторых задач как смену стационарных состояний, или условно равновесное. Упругие задержки и последействия обычно более кратковременны; иногда они наблюдаются в течение нескольких дней или месяцев и более, редко в течение нескольких лет. [15]

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Напряженное состояние породы в приствольной части скважины характеризуется вертикальным нормальным напряжением 0Н, вызванным действием сил веса пород; тангенциальным нормальным напряжением ао, направленным перпендикулярно к радиусу скважины, и радиальным нормальным напряжением ог, вызванным действием бокового давления со стороны массива пород и внутренним давлением промывочной жидкости. [1]

Напряженное состояние пород , составляющих разрез нефтяных и газовых месторождений, симметрично относительно оси скважины - все перемещения, возникающие в породе при вскрытии пласта, а также движение жидкости при разработке залежи происходят только в радиальном па-правлении. [2]

Напряженное состояние пород на забое зависит от дифференциального давления Ар, управлять которым можно, изменяя эквивалентную плотность бурового раствора рэ. [3]

На напряженное состояние пород и на деформацию существенно влияют обсадные трубы, цементное кольцо, их физико-механические свойства, геометрия перфорационных каналов и депрессия давления, возникающая при эксплуатации скважин. [4]

Оценка напряженного состояния пород при ориентации контрольных скважин эксперимента в направлении действия минимальных напряжений соответствует наиболее часто встречающемуся в практике буровых работ случаю, при котором напряжения 01 превосходят горизонтальные напряжения сг2 - При этом по мере возрастания максимального напряжения ai и соответственно возрастания соотношения ai / [ ( Tc ] толщина дисков начинает уменьшаться и при значениях а - ( 1 7 - - 2 0) [ асж ] появляются так называемые неполноценные диски, площадь которых меньше площади поперечного сечения керна. Наиболее крупные фракции буровой мелочи имеют вид лепестков неправильной формы. [5]

Таким образом, напряженные состояния породы на поверхностях перфорационной каверны и открытого забоя скважины, описываемые формулами (1.19) и (1.20), являются главным фактором, определяющим устойчивость породы к разрушению или пластическим деформациям. [6]

С появлением скважины изменяется напряженное состояние пород , так как происходят возмущения в естественном поле напряжений. В глубине пластов породы всесторонне сжаты, а по мере приближения к скважине они будут находиться в условиях, близких к одноосному сжатию. В результате пластичные породы ( некоторые глины и глинистые сланцы) частично выдавливаются в скважину и удаляются в процессе бурения. В результате вертикальное горное давление на породы нефтяного пласта в районе скважины оказывается частично уменьшенным. При этом в районе скважины в простом естественном поле напряжений появляется зона анома - лий. В горном деле установлено, что область аномалий, имеющая практическое значение, невелика; она только в несколько раз превосходит размеры горной выработки. [7]

Трещины отдельности обусловлены изменением напряженного состояния пород . В магматических породах они связаны с условиями остывания магмы. Однако, если в процессе остывания интрузивного магматического тела оно подвергается давлению, то характер отдельности таких магматических массивов усложняется. [9]

Из сказанного следует, что напряженное состояние породы в каком-то объеме будет определяться так называемым эффективным горным давлением / эфг. [10]

Колебания гидродинамического давления влияют на напряженное состояние пород вокруг скважины. Большие суммарные гидравлические давления могут вызвать раскрытие трещин или гидравлический разрыв пласта, при котором на стенках скважины появляются растягивающие напряжения, способные привести к их обрушению. [11]

Наконец, весьма ощутимое влияние на напряженное состояние пород дренаж может оказать во всех тех случаях, когда он способствует рассеиванию избыточного порового давления ( см. § 4 гл. Приходится, однако, признать, что возможности применения дренажа в этом направлении ограничиваются преимущественно насыпными и намывными сооружениями, в которых могут быть искусственно созданы пластовые дрены из фильтрующих грунтов, ускоряющие процессы фильтрационной консолидации ( см. § 4 гл. [12]

Положим, что до проходки скважины напряженное состояние пород в массиве подчиняется гидростатическому закону и зависит от глубины залегания пласта и объемного веса пород, составляющих разрез. [13]

Силовое воздействие воды не только влияет на напряженное состояние пород , но может само по себе вызывать существенные деформации отдельных участков массива, выражающиеся в изменении и разрушении его первоначальной структуры. [14]

Возникновение дополнительных трещин приводит также к изменению напряженного состояния пород и появлению разуплотненных или уплотненных отдельных маленьких участков. [15]

Особенности напряженного состояния стенок горизонтальной скважины

Напряженное состояние горных пород, вскрытых горизонтальной скважиной, в отличие от вскрытых вертикальной скважиной не осесимметричное. Схема к описанию напряженного состояния горной породы вокруг горизонтальной скважины приведена на рисунке 4.55.

Решение о распределении напряжений в монолитной изотропной горной породе, окружающей горизонтальную цилиндрическую горную выработку при отсутствии в ней давления, приведено в книге И. А. Турчанинова. Ниже это решение положено в основу описания напряженного состояния горной породы вокруг горизонтальной скважины в цилиндрической системе координат.

Рис. 4.55. Компоненты напряжений вокруг горизонтальной скважины

s_r = ; (4.103)

s_t = , (4.104)

так как при других значениях полярного угла компоненты напряжений принимают промежуточные значения.

Читайте также: