§ 10. О РОЛИ АДГЕЗИИ И ТРЕНИЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ
БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА ПО ГОРНЫМ ПОРОДАМ
Основными факторами, противодействующими движению бурильного инструмента
в стволе скважины и обусловливающими затяжки и прихваты, считают
адгезионные и фрикционные свойства фильтрационных корок, и фактически
недооценивают сопротивление движению, вызванное фрикционными свойствами
горных пород, слагающих стенки скважины. В то же время значение этих
сопротивлений весьма велико. При спуско-подъемных операциях и в процессе
углубления скважины бурильные трубы сдирают фильтрационную корку,
выдавливают ее со стенки скважины и непосредственно контактируют с
горными породами. Чаще всего это происходит в наклонных, искривленных
стволах.
В результате трения бурильной колонны в породах образуются желоба,
являющиеся предвестниками затяжек и прихватов инструмента.
Адгезию и трение стали труб по породам и грунтам исследовали в основном
в горной и угольной промышленности [13, 81 ], и лишь в ограниченном
объеме — в бурении [8, 21, 54]. Полученные при этом результаты
недостаточны для количественной характеристики процессов
прихватообразования потому, что они относятся, как правило, к сухому
трению и не учитывают некоторых важных факторов, например перепада
давления, влияния среды бурового раствора, природы проходимых бурением
горных пород (их проницаемости), а также тех изменений, которые они
претерпевают в процессе бурения, взаимодействуя с буровыми растворами,
заполняющими скважину.
В связи с этим в качестве исходной была принята концепция о
существовании трех принципиально различных механизмов трения и адгезии.
Первый свойствен высокогидрофильным породам, активно взаимодействующим с
водной фазой и образующим структурированные системы, т. е. всем
глинистым породам, которые при контакте с водой образуют обводненные
слои вплоть до глинистой пасты. Разрушение структур в этом случае
происходит внутри этих слоев на некотором отдалении от поверхности
контакта, и трение может характеризоваться как внутреннее. Таким
образом, качественно этот механизм аналогичен механизму глинистых
фильтрационных корок. Как и фильтрационные корки, глубинные, менее
обводненные слои, имеют более прочные структуры и характеризуются
большими усилиями отрыва и сдвига.
Второй механизм присущ породам менее гидрофильным,
на поверхности которых структурированные системы не образуются. В этом
случае сдвиг по породам сопровождается обычным внешним трением на
поверхностях раздела контакта.
Третий механизм трения и адгезии свойствен высокопроницаемым твердым
породам, на которых в скажине при наличии перепада давления образуются
глинистые корки. В этом случае сдвиг и адгезия обусловлены
структурно-механическими свойствами корки и горной породы и могут
характеризоваться как смешанными (внешнее и внутреннее трение). Эти
предварительные соображения были нами подтверждены экспериментально.