Повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения
In the article the questions of increase of stability of walls of mining hole are considered in the process of the boring drilling.
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137645 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения / А.Н. Давиденко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 5-10. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859610214194479104 |
|---|---|
| author | Давиденко, А.Н. |
| author_facet | Давиденко, А.Н. |
| citation_txt | Повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения / А.Н. Давиденко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 5-10. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | In the article the questions of increase of stability of walls of mining hole are considered in
the process of the boring drilling.
|
| first_indexed | 2025-11-28T11:02:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
5
УДК 622.24
А.Н. Давиденко, д-р. техн. наук
Национальный горный университет, г. Днепропетровск, Украина
ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СТЕНОК
СКВАЖИНЫ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ
In the article the questions of increase of stability of walls of mining hole are considered in
the process of the boring drilling.
Сохранение устойчивости стенок – важная часть цикла сооружения скважин. Под
действием горного давления, промывочной жидкости и в результате химического и термо-
динамического взаимодействия, на поверхности стенок ствол скважины может необратимо
деформироваться, что приводит к каверно- и трещинообразованию, обвалам, осыпям, суже-
нию и т. д.
Для объяснения локальной неустойчивости стенок предложено рассматривать верти-
кальную скважину, не защищенную обсадной колонной вблизи забоя на расстоянии более
ста диаметров, как цилиндрическую полость в земной коре с координатами rr0; 0Z1+ZH
(рис. 1) [1, с. 95-97]. При этом не учитывали фильтрацию промывочной жидкости в породы.
Забой скважины (торец цилиндра при Z=0) изменяется под действием породоразру-
шающего инструмента. Процесс естественного разрушения стенок под влиянием горного
давления рассмотрен на расстоянии более 5r0 . Обозначив невозмущенное вертикальное гор-
ное давление q, и боковое q (в зависимости от геотектонических условий коэффициент бо-
кового распора ), опишем пространство вдали от скважины в следующих формулах (1):
qz ; ),0( qqr (1)
где , ,z r – напряжения при трехосном сжатии; q gH – ускорение силы тяжести; ρ –
средняя плотность вышележащих пород; H – расстояние рассматриваемой точки от поверх-
ности Земли;
Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
6
Н
2r0
a) z
r
O3
б)
r
O2
O
O1
Рис. 1. Локальное разрушение стенок скважины:
а – цилиндрическая скважина в земной коре; б – развитие выемки на контуре скважины
При рассмотрении начального кругового контура скважины, созданного породораз-
рушающим инструментом, было принято, что некоторая точка 0 на т. е. стенке находится под
действием трехосного сжатия напряжениями (см. рис. 1):
qz ; pr ; qp 2 , (2)
где p – гидростатическое давление жидкости в скважине.
Окружное напряжение получается из решения задачи теории упругости для круглого
отверстия. Возможны два случая [1]:
rz , когда; rz , когда pq )12( .
Характер локальных разрушений в точке 0 различный и по-разному происходит ка-
вернообразование.
Для разработки надежных и доступных методов поддержания устойчивости ствола
необходимо учитывать физико-химические процессы, протекающие при взаимодействии
промывочной жидкости с породами, из которых состоят стенки скважины. Осыпям и обва-
лам подвержены в основном глинистые и глиносодержащие породы, способные к набуханию
и самопроизвольному диспергированию при контакте с водой или с фильтрами промывоч-
ных жидкостей. Показатели набухания этих пород изменяются в широких пределах в зави-
симости от минералогического и химического составов среды, размера и состава обменного
комплекса, условий образования, степени дисперсности, температуры, гидравлического дав-
ления и пр. Поддержание стенок – одна из основных задач, требующих решения при соору-
жении скважин.
Различные формы неустойчивости ствола, возникающие в результате взаимодействия
промывочной жидкости и глинистых пород, связаны с явлением гидратации. Возможны два
механизма адсорбции воды на глинистых частицах: поверхностная гидратация и осмотиче-
ское набухание [2, с 59– 61; 3 с. 57–58]. При исследовании влияния промывочных жидкостей
на гидратацию пород в качестве объектов использовали натриевый монтмориллонит, палы-
горскит и гидрослюду Черкасского месторождения (рис. 2). Адсорбция воды на натриевом
монтмориллоните приводит к значительному увеличению его объема, однако вода на по-
верхности глины удерживается слабо. У палыгорскита адсорбция воды сопровождается кри-
сталлическим и осмотическим набуханием. Для гидрослюдистых глин отмечено только кри-
сталлическое набухание.
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
7
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 P/Ps1,2
2
4
6
8
10
12
14
16
Ад
со
рб
ци
я,
Г*
10
6 ,м
ол
ь/
гр
ам
м
Относительное давление
1
2
3
Рис. 2. Изотермы адсорбции Г воды при 20 оС на палыгорските (кривая 1), гидрослю-
дистой глине (кривая 2), монтмориллоните (кривая 3)
В целях уменьшения гидратации глинистых пород в состав промывочной жидкости
предложено вводить вещества, способные вытеснять с их поверхности адсорбированную
воду; их следует выбирать согласно условию равенства потенциалов ионизации адсорбента и
адсорбата. Установлено, что потенциал ионизации черкасского монтмориллонита Ір =
16,3410-19 Дж.
Исходя из результатов изучения влияния адсорбции пикриновой кислоты и феноксола
ВИС-15, потенциалы, ионизации которых равен соответственно 16,3410-19 и 16,510-19 Дж, на
гидратацию черкасского монтмориллонита приходим к выводу о том, что такие вещества
существенно снижают гидратацию. При контакте с водой или водными растворами глины в
отличие от других горных пород самопроизвольно переходят из твердого состояния в пасто-
образное. В результате некомпенсированных молекулярных сил на поверхности глинистых
минералов образуются сольватные (гидратные) слои и увеличивается объем частиц. Этот
процесс сопровождается развитием давления набухания, или расклинивающим давлением, и
выделением теплоты набухания. Основную роль в межпакетном набухании и в образовании
сольватных (гидратных) слоев на внешних поверхностях глинистых минералов играют ад-
сорбционные силы.
Количество жидкости, связываемое глиной и вызывающее увеличение объема ее час-
тиц, не зависит от пористости сухого порошка. Органические соединения и их первые по-
тенциалы ионизации приведены в табл. 1.
Коэффициент набухания (отношение объема жидкости набухания Vж к объему сухих
частиц глины Vо) определяем по формуле [2; 3]
)1( tg
m
aK г , (3)
где ρг – плотность сухой глины; m – масса навески пробы; β – коэффициент, показывающий,
долю объема порового пространства в набухшей пробе; a – коэффициент, зависящий от
свойства глины и величины β.
Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
8
Таблица 1. Органические соединения и их первые потенциалы ионизации
Соединение Потенциал
ионизации,
Ір 10-19, Дж
Соединение Потенциал
ионизации,
Ір 10-19, Дж
Бензидин 11,02 2-Пиколин 14,45
N,N-Диметиланилин 11,44 1,4-Нафтохинон 15,31
Дифениламин 11,64 n-Бромдиметиланилин 11,29
І-Нафтиламин 11,69 Бензамид 15,06
М-Толудин 12,01 2,5-Динитробензойная кислота 17,14
Анилин 12,33 Пирокахетин 12,93
І-Нафтол 12,47 Пикриновая кислота 16,34
Пирогалол 12,82 2,4-Динитротолуол 16,26
n-Креозол 13,20 n-Нитробензальдегид 16,50
Резорцин 13,31 Нитрометан 17,99
Фенол 13,61 Нитробензол 15,78
Хинолин 13,81 1,4-Динитробензол 16,72
Фурфулол 14,75 Акрилонитрил 17,48
Пиридин 14,89 2-Нитро-2-Метилпропан 17,14
Бензойная кислота 15,06 2-Аминопиридин 13,36
Бензальдегид 15,23 Анизол 13,16
Бензонитрил 15,55 Дибензфуран 12,65
М-Нитробензойная кислота 16,50 Дифениленоксид 12,96
М-Метилнафталин 12,75 Индол 12,40
Флорглюцин 12,61 Диметилхиналин 13,36
2,6-Лутидин 14,19 Анисовый альдегид 13,98
При исследовании влияния промывочных жидкостей на набухание глинистых пород
для характеристики процесса использовали степень набухания K, равную отношению суммы
объемов KVVж 0 , свидетельствует увеличений объема сухих частиц. Поскольку набухание
глин исследовали в промывочных жидкостях, содержащих различные вещества, то в качест-
ве эталонной жидкости использовали дистиллированную воду. Процесс изучали на черкас-
ском монтмориллоните (I=16,3410-19 Дж), а так как характер зависимости для других глин
примерно одинаковый, то результаты обобщили и распространили также на них. Данные
лабораторных исследований влияния промывочных жидкостей (дистиллированной воды) на
набухание черкасского монтмориллонита (длительность набухания – 40 мин) приведены в
табл. 2.
Таким образом, пикриновая кислота (Iр=16,3410-19 Дж), анионактивные и неионоген-
ные ПАВ (Iр=16,1810-19 – 16,5010-19 Дж), адсорбируясь на поверхности глинистых частиц
вследствие вытеснения молекул воды с поверхности, обусловливают уменьшение их про-
никновения в межпакетное пространство и снижения набухания образцов.
Правильный подбор типа и рецептуры промывочной жидкости может обеспечивает
устойчивость ствола скважины. Снижение гидратации, набухания и диспергирования дости-
гается введением в состав жидкостей органических соединений, ПАВ и электролитов, потен-
циалы, ионизации которых равны потенциалам ионизации глинистых пород. Применение
водорастворимых полимеров, в большинстве которых сочетаются свойства анионных ПАВ и
полиэлектролитов, способствует уменьшению набухания глин.
Карбоксиметилцеллюлоза способствует снижению набухания глин, причем наиболь-
ший эффект достигается при концентрациях до 0,5 %. Крахмальные реагенты вызывают не-
существенное изменение набухания, добавки РС-2 и гипана – его значительное уменьшение.
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
9
Таблица 2. данные лабораторных исследований влияния промывочных жидкостей (дис-
тиллированной воды) на набухание черкасского монтмориллонита
Добавка Потенциал ионизации,
Ір 10-19, Дж
Степень набухания, %
(+, –)
Влияние органических веществ
Вода техническая без добавки - 100
Анилин 12,33 100
Резорцин 13,31 100
Пиридин 14,89 100
Бензойная кислота 15,06 100
Бензальдегид 15,23 100
Пикриновая кислота 16,34 –14
Нитрометан 17,99 100
Влияние поверхностно-активных веществ (ПАВ)
Вода техническая без добавки - 100
Анионактивный сульфонол 16,18 –23
Катионактивный катапин-А 16,34 –32,5
Неионогенный феноксол 16,50 –22
Результаты лабораторных исследований показали, что для повышения защитного дей-
ствия промывочных жидкостей полимеры надо вводить вместе с водорастворимыми солями,
например, с силикатом натрия. Зависимость показателей набухания в дистиллированной во-
де в течение 40 мин черкасского монтмориллонита от содержания высокомолекулярных со-
единений в промывочной жидкости приведены в табл. 3.
Таблица 3. Зависимость показателей набухания в дистиллированной воде черкасского
монтмориллонита от содержания высокомолекулярных соединений в промывочной
жидкости
Добавка Содержание, % Степень набухания, %
(+, –)
Вода техническая без добавки – 100
Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) 0,5 –48
Модифицированный крахмал (МК) 0,5 –18
Гидролизованный полиакрилонитрил (гипан) –50
Нитролигнин 0,5 –15
Гипан+силикат натрия (1:10) 5 –87
Гидролизованный полиакриламид (РС-2) 5 –52
На основании результатов исследований разработаны составы рабочих сред [4; 5]. Для
оценки влияния промывочных жидкостей на устойчивость глинистых пород, из которых со-
стоят стенки скважины, в геологоразведочных организациях Донбасса было изучено состоя-
ние ее ствола в процессе бурения. Анализировали результаты данных кавернометрии, прове-
денной в скважинах, где промывку осуществляли глинистым раствором без ПАВ и с их до-
бавлением. При этом провели кавернометрию сопоставимых интервалов через одинаковые
промежутки времени, и пришли к выводу, что введение в состав промывочных жидкостей
Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
10
веществ, способных хемосорбироваться на горных породах, обеспечивает снижения разра-
ботки ствола скважины в процессе бурения.
Литература
1. Черепанов Г.П. Механика разрушения горных пород в процессе бурения. – М.: Недра,
1987
2. Сеид-Рза М.К., Исмайылов М.И., Орман Л.М. Устойчивость стенок скважины. – М.:
Недра, 1981
3. Круглицкий Н.Н. Физико-химические основы регулирования свойств дисперсий гли-
нистых минералов. – К.: Наук. думка, 1968
4. А.с. 908783 СССР, МКИ С09К7/02. Промывочная жидкость для бурения глинистых
пород./Е.Ф. Эпштейн, А.Н. Давиденко, Н.А. Дудля
5. А.с. 1446138 СССР, МКИ С09К7/02. Безглинистый буровой раствор./ Е.Ф. Эпштейн,
А.Н. Давиденко, Н.А. Дудля
Поступила 08.07.08
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-137645 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2223-3938 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T11:02:47Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Давиденко, А.Н. 2018-06-17T14:30:41Z 2018-06-17T14:30:41Z 2008 Повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения / А.Н. Давиденко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 5-10. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137645 622.24 In the article the questions of increase of stability of walls of mining hole are considered in the process of the boring drilling. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения Article published earlier |
| spellingShingle | Повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения Давиденко, А.Н. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| title | Повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения |
| title_full | Повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения |
| title_fullStr | Повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения |
| title_full_unstemmed | Повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения |
| title_short | Повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения |
| title_sort | повышение устойчивости стенок скважины в процессе бурения |
| topic | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| topic_facet | Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/137645 |
| work_keys_str_mv | AT davidenkoan povyšenieustoičivostistenokskvažinyvprocessebureniâ |