Механізм проявлення гірського тиску

Розкриття масиву гірських порід свердловиною суттєво змінює їх напружений стан, оскільки тиск у свердловині, як правило, менший за боковий тиск порід. Стінки свердловини тривалий час залишаються незакріпленими і сприймають як змінні навантаження, так і фізико-хімічну дію промивної рідини, що заповнює свердловину. Ці фактори негативно впливають на стійкість гірських порід, що складають стінки свердловини, і можуть спричинити до їх значного деформування і навіть обвалювання. Із зростанням глибини свердловини ця проблема постає більш гостро.

Насамперед змалюємо фізичну картину механізму проявлення гірського тиску в масиві порід довкола пробуреної свердловини. Початкові умови можна сформулювати так.

Гірські породи масиву зажди знаходяться в напруженому стані, кількісною мірою якого є гірський тиск. Основним фактором, що формує початкове поле напружень гірського масиву є сила земного тяжіння.

Напружений стан гірських порід пов’язаний з певним запасом потенціальної пружної енергії, кількість якої пропорційна об’єму і глибині залягання порід.

Переходячи з одного напруженого стану в інший, гірські породи або накопичують, або віддають енергію. В другому випадку виконується робота з деформування, тобто переміщення частинок породи в просторі. Ці переміщення можуть відбуватися або лише в межах пружної деформації, тобто коло стану рівноваги, або супроводжуватися незворотними деформаціями.

Гірські породи слід розглядати як квазіпластичний матеріал, тобто приймається, що їх незворотне деформування призводить до порушення суцільності: Утворюються мікро- і макротріщини, розриви; в межах пружних деформацій можуть виникати мікротріщини, які “заліковуються” при знятті навантажень. Робота з переміщення частинок породи в межах впливу свердловини призводить до зменшення потенціальної енергії пласта.

Вихідним для розв’язування більшості задач механіки гірських порід є уявлення про наявність в незайманому гірському масиві простого поля напружень – рівномірного усестороннього стиску. Якщо в процесі геологічного розвитку цей стан з якихось причин порушився, то за тривалий час внаслідок релаксації і квазіпластичного деформування рівноважний стан відновлюється.

Розкриття гірського масиву свердловиною порушує усталений стан ізостазії. Коло свердловини формується локальне негідростатичне силове поле з максимальною концентрацією напружень на її стінці. Перерозподіл раніше існуючих напружень коло гірничої виробки – фундаментальне положення теорії гірського тиску.

Нові напруження сприяють виникненню різко зорієнтованих деформацій. З точки зору порушень цілісності масиву найнебезпечнішими для гірських порід є розтягуючи і зсувні напруження. Якщо несуча здатність порід стає недостатньою, то коло свердловини формується деяка гранична область, де породи отримують увесь спектр квазіпластичних деформацій від в’язкопластичної течії до крихкого руйнування. В результаті утворення мікро- і макротріщин об’єм порід збільшується і вони переміщуються у свердловину. Відбувається розрядка пружної енергії пласта. Межа концентрації напружень може залишатися на стінці свердловини, якщо деформації мають характер повзучості, або пересуватися вглиб масиву, якщо деформації спричинюють руйнування породи.

Процеси перерозподілу напружень розвиваються в часі і відображають різні форми прояву гірського тиску. Ці процеси або закінчуються на стадії утворення нового поля напружень, коли деформації гірських порід залишаються пружними, або супроводжуються не пружними, пластичними деформаціями. Непружне квазіпластичне деформування залежно від визначальних факторів спричинює або утворенню каверн (пустот на стінках свердловини), або звуження стовбура свердловини. В окремому випадку рівноважний стан наступить лише тоді, коли в свердловину буде “витиснуто” об’єм породи, рівний різниці об’ємів породи в “граничній” зоні до і після переходу в граничний стан.

В ряді робіт розглядають різні аспекти напруженого стану гірських порід довкола свердловини.

Пружний розподіл напружень в гірських породах, розкритих свердловиною вперше теоретично було розкрито С.Г. Лехницьким (1938 р.). При розкритті масиву порід свердловиною з її боку має місце розвантаження порід. Для вертикальної свердловини задача осесиметрична відносно осі свердловини і розв’язана в циліндричних координатах. На рис. 8.1 подано розрахункову схему і умовні позначення.

Рисунок 8.1 − Розрахункова схема для визначення напружень біля свердловини

Довкола вертикальної свердловини зміну напруженого стану порід можна описати такою системою рівнянь:

(8.1)

; (8.2)

, (8.3)

де g_р – питома вага рідини у свердловині.

На рис. 8.2 показано розподіл пружних напружень у горизонтальному напрямі від осі свердловини як графіки залежності у відносних координатах.

 

σ

rc

0 1 2 3 4 5 6 7 r/rc

σr

Рс

РГ

σθ

Рисунок 8.2 − Розподіл напружень в приствольній зоні

Як видно з рис. 8.2 найбільша зміна напруженого стану порід має місце на стінці свердловини і зумовлена різницею між боковим тиском в гірських породах lgz і гідростатичним тиском р_с=g_рz. Вплив свердловини на напружений стан гірського масиву розповсюджується приблизно на відстань (3–5)r_c від її центра.

Кільцеві напруження мають найбільші значення на контурі ствола і по мірі віддалення від свердловини зменшуються до величини Р_Ф напруження в незайманому масиві.

Радіальні напруження навпаки збільшуються від значень, рівних тиску стовпа бурового розчину на контурі ствола, до початкових в незайманому масиві.

Для оцінки впливу свердловини на напруження в масиві порід введено поняття коефіцієнтів концентрації напружень:

– кільцевих

– радіальних .

На відстані приблизно (5÷6)r_c вказані коефіцієнти стають практично рівними 1.

Із зменшенням гідростатичного тиску в свердловині _r на стінці зменшуються радіальні s_r і зростають тангенціальні напруження s_q. Причому напруження s_q гранично можуть перевищувати величину гірського тиску до двох разів (при g_р=0 і l=1).

Якщо гірський масив втратив стійкість і утворилася гранична область, напруження розподіляються дещо інакше, як

Рисунок 8.3 − Розподіл пружних напружень при втраті гірським масивом стійкості

12 3 4 5 6 7 r/rc

ІІІ

rc

σ

σr

Рс

РГ

R

R1

σθ

σz

І

ІІ

показано на рис 8.3.

Тут І позначено область залишкових деформацій (пластичного деформування чи крихкогоруйнування), ІІ – область пружного деформування масиву, ІІІ – незайманий гірський масив.

Величина коефіцієнта бокового розпору певним чином впливає на концентрацію напружень по головних напрямках. В породах, які мають менше значення l кільцеві напруження на контурі стовбура будуть більшими. Тому на стінках свердловини, що складені міцнішими породами (пісковики, вапняки, доломіти), слід очікувати більшу концентрацію напружень, чим на стінках, складених слабкішими породами (глинисті, соляні відклади).Представлені залежності зміни напруженого стану гірських порід отримано при величині коефіцієнта бокового розпору l=1.