МЕТОДИКА ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ АДГЕЗИОННЫХ И ФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ КОРОК И ПОРОД

§ 3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ АДГЕЗИОННЫХ И ФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ КОРОК И ПОРОД

Прибор, показанный на рис. 12, позволяет изучать структурномеханические, физические, адгезионные и фрикционные свойства различных слоев корки при перепадах давления от 1 до 150 кгс/м2. Фильтрационная корка из исходного бурового раствора формируется в камере высокого давления I при заданном перепаде давления в течение 60- 90 мин, затем она контактирует со стальным измерительным элементом 3 при помощи штока гидравлического цилиндра 8. Одновременно индикатором часового типа 10 с ценой деления 0,01 мм (ГОСТ 577—68) замеряется толщина корки 5 или погружение в нее цилиндрического измерительного элемента 3.

Механические свойства корки измеряли после 5- и 40-мин контакта ее со сталью в состоянии покоя, за исключением тех случаев, когда специально исследовали зависимости во времени. Предельное статическое напряжение сдвига того или иного слоя корки при статическом контакте измеряли рычажным динамометром 16. Постоянная скорость деформирования корки обеспечивалась спуско-подъемным механизмом 17, связанным с динамометром.

Рис. 12. Схема прибора для измерения структурно-механических, адгезионных и фрикционных свойств фильтрационных корок и пород:
1 — камера высокого давления; 2 — штуцера подачи и замера давления; 3 — стальной измерительный элемент; 4 — приводной вал; 5 — глинистая корка; 6 — фильтр; 7 — седло фильтра; 8 — гидравлический цилиндр; 9 — трубка отвода фильтрата; 10 — контактный индикатор для измерения толщины корки; 11 — штуцера подачи давления в гидравлический цилиндр; 12 — контактный индикатор для измерения угла сдвига; 13 — редуктор; 14 — электродвигатель; 15 — счетчик оборотов; 16 — динамометр; 17 — спускоподъемный механизм с приводом

Опытами, проведенными нами, было установлено, что зависимость предельного статического напряжения сдвига корки от скорости деформирования v инвариантна и расположена в пределах от 0,25 до 0,35 мм/с (рис. 13). Наличие области, в которой прочность структур инвариантна относительно скорости деформирования, было установлено Э. Г. Кистером в глинистых суспензиях. В буровых растворах инвариантная область имеет место при скоростях деформирования 0,1—0,2 мм/с. В соответствии с установленной нами инвариантной областью скоростей деформирования структур корок была избрана постоянная скорость, равная 0,3 мм/с. При необходимости изучения трения стали по коркам или породам при высоких скоростях деформирования 0,1— 2,5 м/с измерения проводили в соответствии со схемой рис. 12 при помощи силоизмерителя с редуктором 13, приводом от электромотора 14 и магнитоиндукционным счетчиком оборотов 15.

Деформации сдвига фиксировали индикатором 12 часового типа, а затем пересчитывали как относительную деформацию 7. По результатам измерений строили диаграммы напряжений сдвига структур корок в координатах Р — 7. Нарастание сдвигающих напряжений Р измерялось через каждые 5 с согласно методике [30, 46 ]. Максимумы Рм на диаграммах напряжений соответствуют предельным статическим напряжениям сдвига исследуемого слоя корки [71 ].

Точность измерения механических характеристик фильтрационных корок, в частности их упругости предельного статического напряжения сдвига, определяется погрешностью измерительного устройства. При этом необходимо знать систематическую погрешность прибора и случайную погрешность измерения. Если последняя будет меньше систематической ошибки прибора, то, очевидно, нет смысла уменьшать случайную погрешность, поскольку от этого результаты измерения не станут точнее. Систематическую погрешность прибора определяли на стальных образцах с заранее известными фрикционными свойствами; в результате установлено, что она составляет 3—4%. Такой погрешностью можщр пренебречь.

Обработка результатов измерений по А. Н. Зайделю [321 показала, что случайная погрешность измерений составляет примерно 2°6, т. е. значительно меньше погрешности прибора. Таким образом, систематическая погрешность прибора является определяющей, так ее величина в 1,5—2 раза была больше величины случайной погрешности измерения. Коэффициент надежности измерений а при перепадах давления 20 -40 кгс/см2 и интервалах Рт (214,6 219,0); (236,7—238,7) гс/см2 составляет 0,8 —0,98, что свидетельствует о том, что 80—98% измерений укладываются в доверительный интервал. За наиболее вероятное значение величин Рт и у принималось их среднее арифметическое, вычисленное из 10 измерений. Систематическая погрешность прибора при измерении адгезии определяется точностью образцового манометра, которая равна 0,16%, что обеспечивает коэффициент надежности измерений адгезии 0,85—0,9 при интервалах Рт соответственно (78,0—82,1); (92,4 99,8) гс/см2.

Усилие нормального отрыва (адгезию) измеряли при постоянной скорости 0,1 мм с, которая находится в той области скоростей, когда усилие, необходимое для отрыва стали от корки, инвариантно относительно скорости отрыва.

Опытным путем было установлено, что сдвиг происходит не по поверхности раздела сталь корка, а в слое фильтрационной корки, близко прилегающем к поверхности контакта. Это объясняется тем, что глинистые частицы обладают большей энергией взаимосвязи с олеофильной поверхностью металла, чем между собой в объеме фильтрационной корки. В связи с этим поверхность сдвига образуется на расстоянии, несколько большем радиуса измерительного элемента прибора. Это обстоятельство имеет большое значение, поскольку определяет физический смысл трения по фильтрационной глинистой корке. Сопротивление перемещению измерительного элемента обусловлено не внешним трением на поверхности контакта, а прочностью структуры корки под этой поверхностью.

Поэтому перемещение измерительного стального элемента по корке может рассматриваться как величина предельного статического напряжения сдвига Рт. Соответственно величина напряжения сдвига после хрупкого разрушения структуры корки и последующего пластического течения с постоянным напряжением сдвига Рп условно характеризует трение движения.

Сложнее рассчитать коэффициент трения стали по фильтрационной корке и увлажненной глинистой породе, так как представляет собой упруго-вязко-пластичные тела с послойно изменяющимися механическими свойствами.

В случае фильтрационных корок эта зависимость нарушается, поскольку корки структурно неоднородны и имеют послойно переменную прочность.

Разработанный прибор предназначен не для моделирования процесса прихвата, а для измерения структурно-механических, адгезионных и фрикционных показателей фильтрационных корок и пород вблизи поверхности контакта и оценки физических и механических эффектов, затрудняющих движение бурильного инструмента в скважине. Указанные характеристики корок и пород определяли при заданном перепаде давления, нормальной нагрузке, времени формирования корки и контактировании ее со сталью в различных по составу и свойствам буровых растворах.

В результате подобных измерений могут быть получены физикохимические предпосылки, позволяющие представить механизм действия сил сопротивления движению бурильного инструмента и вызванных этим затяжек и прихватов. Описанная методика и прибор позволяют оценить влияние различных факторов на прихват труб и их роль в балансе сил сопротивления движению инструмента в скважине.