способ определения влияния бурового раствора на консолидацию горных пород

Формула изобретения

Способ определения влияния бурового раствора на консолидацию горных пород, заключающийся в том, что отбирают пробу потенциально неустойчивой горной породы, измельчают ее, отбирают частицы заданных размеров, смешивают их с буровым раствором в заданном объемном соотношении, из полученной смеси формируют прямой круглый цилиндр с заданными площадью поперечного сечения и высотой, нагружают его по продольной оси по всей поверхности торцов до разрушения и определяют параметр, по которому судят о влиянии бурового раствора на консолидацию горных пород, отличающийся тем, что цилиндр размещают в испытательной камере, заполняют ее буровым раствором до полного погружения цилиндра, одновременно воздействуя на поверхность его торцов фиксированной осевой нагрузкой, а в качестве параметра, по которому судят о влиянии бурового раствора на консолидацию горных пород, выбирают время от начала воздействия фиксированной осевой нагрузкой до разрушения цилиндра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к испытанию образцов горных пород, сконсолидированных буровым раствором, и может быть использовано для выбора составов буровых растворов, обеспечивающих повышение устойчивости стенок при бурении тектонически разрушенных или генетически слабосвязанных горных пород.

Известен способ определения влияния буровых растворов на горные породы, включающий нагружение образцов горных пород одноосным сжатием с постоянной нагрузкой, меньшей разрушающей нагрузки образца в сухом виде, подачи к боковой поверхности образца бурового раствора и определение влияния этого раствора по отношению к влиянию дистиллированной воды за счет фиксации времени воздействия на образцы до их разрушения соответственно бурового раствора или дистиллированной воды [1]

Однако этот способ пригоден лишь для оценки свойств бурового раствора, обеспечивающих предотвращение осложнений осыпей, обвалов и прихватов за счет ограничения дополнительного увлажнения горных пород в околоствольном пространстве скважин, вызываемого в основном адсорбционно-осмотическими процессами, характерными и наиболее интенсивно протекающими в породах глинистого комплекса. Оценить же консолидирующую способность, то есть способность бурового раствора связывать, упрочнять и укреплять в стенках скважин генетически слабосвязанные и тектонически разрушенные породы, в которые буровой раствор в процессе бурения поступает беспрепятственно, данный способ не позволяет.

Указанного недостатка лишен способ оценки консолидирующей способности бурового раствора [2] модификация которого [3] является наиболее близким техническим решением. Способ заключается в отборе пробы потенциально неустойчивой горной породы, ее измельчении, отборе частиц заданных размеров, смешивании их с буровым раствором в заданном объемном соотношении, формировании из полученной смеси модельного образца в виде прямого круглого цилиндра с заданными площадью поперечного сечения и высотой, нагружении его по продольной оси по всей поверхности торцев до разрушения и определении его прочности на одноосное сжатие, величина которой характеризует консолидирующую способность бурового раствора [3]

Однако в данном способе сформированный модельный образец испытывают на воздухе (в воздушной среде), что не соответствует реальным условия, так как в скважине сконсолидированные буровым раствором потенциально неустойчивые горные породы находятся с ним в постоянном контакте весь период бурения. По этой причине достоверность испытаний существенно снижается, особенно при наличии в составе бурового раствора компонентов, обладающих на воздухе хорошими клеющими свойствами (карбоксиметилцеллюлоза, силикат натрия, омыленный талловый пек и др.).

Предлагаемое изобретение позволяет повысить достоверность определения консолидирующей способности бурового раствора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что отбирают пробу потенциально неустойчивой горной породы, измельчают ее, отбирают частицы заданных размеров, смешивают их с буровым раствором в заданном объемном соотношении, из полученной смеси формируют прямой круглый цилиндр с заданными площадью поперечного сечения и высотой, нагружают его по продольной оси по всей поверхности торцов до разрушения и определяют параметр, по которому судят о влиянии бурового раствора на консолидацию горных пород.

Предложенный способ отличается от прототипа тем, что цилиндр размещают в испытательной камере, заполняют ее буровым раствором до полного погружения цилиндра, одновременно воздействуя на поверхность его торцов фиксированной осевой нагрузкой, а в качестве параметра, по которому судят о влиянии бурового раствора на консолидацию горных пород, выбирают время от начала воздействия фиксированной осевой нагрузкой до разрушения цилиндра.

На чертеже схематически изображено устройство для определения влияния бурового раствора на консолидацию горных 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. Со стопором 10 связан концевой выключатель 11. Другой концевой выключатель 12 размещен на верхней части направляющей обоймы 4. Концевые выключатели включены в электрическую цепь 13 электронно-механических часов 14 с секундной стрелкой. Камера 1 заполняется буровым раствором 15.

Пример осуществления способа. В камеру 1 при верхнем положении штока 5 помещают образец 9, выполненный в виде прямого круглого цилиндра, после чего шток 5 перемещают вниз до контакта опоры 8 с верхним торцом образца 9 и фиксируют шток 5 стопором 10. Вводят в контакт со стопором 10 кнопку концевого выключателя 11, подготавливая к работе цепь питания электронно-механических часов 13. На подставку 6 устанавливают заданный груз 7, вливают известный объем бурового раствора в камеру 1, одновременно отпуская стопор 10 и включая часы 14 с помощью концевого выключателя 11. В момент разрушения образца 9 шток 5 интенсивно перемещается вниз, отключая цепь питания часов 14 путем воздействия площадки 6 на концевой выключатель 12 и фиксируя тем самым время от начала воздействия фиксированной осевой нагрузкой до разрушения цилиндрического образца, по которому судят о влиянии бурового раствора на консолидацию горных пород.

Оценка влияния буровых растворов на консолидацию горных пород производится на модельных цилиндрических образцах, изготовленных из частиц одинакового фракционного состава одной и той же породы, при одинаковом объемном соотношении частиц и испытуемых растворов, а также при идентичной нагрузке на образцы.

Предлагаемый способ реализован следующим образом. Образец углистого аргиллита (почва пласта Прокопьевского-1 в Кузбассе) измельчают, выделяют частицы размером 0,6-0,8 мм, объем которых равный 7 см³, смешивают с 1 см³ исследуемого раствора и из полученной смеси формируют образец в виде прямого круглого цилиндра с площадью поперечного сечения 2 см² и высотой 2,5 см.

Непосредственно после изготовления цилиндрический образец устанавливают в камеру, которую заполняют испытуемым раствором (объем 100 см³), одновременно прикладывая к образцу нагрузку 2,6 Н (5 10% от нагрузки разрушения сконсолидированных образцов на воздухе), и фиксируют время от начала воздействия осевой нагрузкой до разрушения цилиндрического образца, по которому судят о влиянии бурового раствора на консолидацию горных пород.

Испытывались следующие виды и составы буровых растворов:

1. Полимерный раствор (1 кг/м³ полиакриламида, вода остальное до 1 м³).

2. Глинистый раствор (100 кг/м³ глинопорошка марки ПБГ, вода - остальное до 1 м³).

3. Торфораствор (75 кг/м³ торфа, 9 кг/м³ кальцинированной воды, 30 кг/м³ углещелочного реагента, 18 кг/м³ портландцемента, вода остальное до 1 м³).

Для сравнения проводили испытания сконсолидированных этими же растворами модельных образцов по методике прототипа [3] измеряя на воздухе критическую нагрузку разрушения образцов с последующим расчетом предела прочности их на сжатие в МПа.

Результаты испытаний приведены в табл.1.

Анализ полученных результатов показывает, что по известному способу [3] из числа исследованных буровых растворов лучшей консолидирующей способностью обладает глинистый раствор, что объясняется способностью его на воздухе переходить из вязкопластичного состояния в твердое, связывая при этом частицы горной породы между собой и упрочняя образец горной породы в целом. В реальных скважинных условиях, когда сконсолидированные глинистым раствором горные породы находятся с ним в постоянном контакте, процесса его перехода из вязкопластичного состояния в твердое не происходит, в результате чего по предлагаемому способу глинистый раствор по консолидирующей способности занимает лишь среднее положение из числа испытанных растворов, причем более близкое к худшему.

Приведенный пример убедительно свидетельствует о том, что выбор буровых растворов с позиции их консолидирующей способности без учета реальных скважинных условий чреват серьезными ошибками.

Таким образом, предлагаемый способ в отличие от известного позволяет более достоверно оценивать консолидирующую способность буровых растворов и тем самым повышает надежность составов буровых растворов, обеспечивающих устойчивость стенок скважин при бурении в сложных геологических условиях (в тектонически разрушенных или генетически слабосвязанных породах). Это в свою очередь позволяет повысить производительность буровых работ при снижении их стоимости.