содержание   ..  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  ..

§ 11. ИЗМЕРЕНИЕ АДГЕЗИИ И ТРЕНИЯ ПАРЫ СТАЛЬ—ПОРОДА

Для оценки сил, противодействующих движению бурильного инструмента, и выявления механизма прихватов нами были измерены адгезия и трение стали по различным горным породам. Измерения проводили с помощью прибора, схематически показанного на рис. 12 В качестве пары трения служили ранее применявшийся стальной цилиндрический образец, имитирующий трубу или ее замок, и образцы горных пород — различных глин, аргиллитов, алевролитов, известняков, песчаников, доломитов, гипсов и др. Трение и адгезию измеряли в среде различных буровых растворов при заданных перепадах давления и меняющихся нормальных нагрузок. Образцы пород изготовляли в виде прямоугольных призм с поверхностями трения, сопрягающимися со стальным измерительным элементом прибора; их укладывали и закрепляли на фильтрационном элементе прибора.

Глинистые образцы изготовляли из кернов, поднятых с глубин 1100 м (скв. 581 Усть-Балыкского месторождения) и 3800 м (скв. 34 Совет-Абадской площади) или искусственно готовили из аскангеля, каолина, дружковской гидрослюдистой и кембрийской гидрослюдисто-каолиновой глины. Образцы аргиллитов, алевролитов, известняков, доломитов, песчаников, гипсов вырезали из естественных пород. Фрикционные характеристики снимали при скорости вращения стального элемента, имитирующего бурильную колонну, равной 0,3 мм, поскольку измерения при этой скорости стабильны. Экспериментально была подтверждена справедливость наших предположений о трех механизмах трения и адгезии. Так, было установлено, что предельное статическое напряжение сдвига глинистых пород снижается по мере их гидратации в связи с ослаблением прочности их структуры (рис. 37—39).

Величины прочности структур и условного коэффициента трения имеют наибольшие значения на начальной стадии гидратации (а) плотных и сухих образцов глин при их взаимодействии с дисперсной фазой бурового раствора. По мере увлажнения образца глины прочность поверхностных структур равномерно падает, пока не наступит вторая стадия обводнения, характеризующаяся более интенсивным разупрочнением. На рис. 37 этот период обозначен индексом b.

Третий период — с начинается при переходе глины в состояние разбавленной суспензии. Переход от первой стадии ко второй и от второй к третьей сопровождается ростом влажности в соответствии с гидрофильностью глины; соответственно сокращаются и интервалы между стадиями увлажнения. У аскангеля переходы между стадиями отмечаются при влажности 70 и 200%, у каолина — при 45 и 60%, а у кембрийской глины — при 25—35%.
 

Крайним случаем, характеризующимся максимальным развитием сил трения, является сухое трение стали по глине. При этом уже не происходит разрушения структур внутри глинистой фазы и имеет место типичное внешнее трение, усиливающееся с ростом нормального давления. Трение движения составляет при этом 60—70% от величины трения покоя. Результаты измерения сухого трения как для глин, так и для других пород сведены в табл. 10. Они могут представлять практический интерес для бурения с продувкой воздухом или в случае промывки растворами, не гидратирующими глинистую породу Адгезия стали к воздушно-сухой глине фактически не наблюдается, но в водной среде величина адгезии быстро растет по мере увлажнения породы, как это видно из рис. 40. Адгезия при этом может достигать значительных величин, намного превышающих усилия сдвига. Каждой глинистой породе присуща своя область влажности, при которой адгезия максимальна. Это особенно характерно для бентонитов, у каолина и кембрийской глины область влажности лежит в пределах 20 -50%. Дальнейшее увлажнение глинистых пород приводит к снижению величины усилий адгезии, интенсивность которого зависит от гидрофильное глинистой породы. Наличием максимумов адгезии при гидратации глинистых пород можно объяснить неудачи при ликвидации прихватов в глинистых отложениях с помощью водяных ванн.

В отличие от глинистых пород трение по ненабухающим, слабо гидрофильным горным породам -— известнякам, доломитам, песчаникам, гипсам и т. д. — как в водной среде, так и на воздухе должно характеризоваться как внешнее. У этих пород коэффициенты трения выше, чем у глин, и мало зависят от свойств и состава обычно применяемых буровых растворов: трение в воде уменьшается всего на 5-: 8%, а в глинистых суспензиях — на 10 ч-15%. В то же время у глинистых пород, где действует первый из рассмотренных механизмов трения, переход от сухого трения к трению в среде бурового раствора снижает условный коэффициент трения покоя: аксангеля в 5,5 раза, аргиллита — в 3,6 раза, глин Усть-Балыкского разреза —- в 3 раза.

Выявленное нами незначительное влияние химических реагентов на трение стали по неглинистым породам согласуется -с данными Э. Г. Кистера и Р. С. Лернер [47], показавших, что химическая обработка не сказывается или весьма мало сказывается на трении скольжения. Фрикционные сопротивления пород могут быть значительно снижены путем введения в буровой раствор смазочных добавок: нефти, сульфонола, графита, СЖК, смада и др. Влияние этих добавок сильнее сказывается на глинистых породах, где они могут уменьшить трение до 10 раз. Однако и на твердых, ненабухающих породах коэффициенты трения могут быть снижены только в 3—4 раза при добавке 5% нефти, в 6 раз — 1,5—2% смада и до 8 раз — смеси смада с графтом. На трение по твердым породам незначительно влияют водорастворимые смазочные добавки — ОП-10, сульфонол НП-2, НРВ (нефтяное ростовое вещество)

Измеренные коэффициенты трения стали по твердым породам и условные коэффициенты трения покоя для глинистых пород в зависимости от прилагаемых нормальных давлений и применяемых буровых сред, а также смазочных добавок к ним приведены в табл. 11—16. Полученные коэффициенты трения могут быть использованы при оценке сил сопротивлений движению бурильного инструмента но горным породам в наклонных скважинах, а также при оценке сил прихвата бурильного инструмента против проницаемых пластов, при заклинивании горной породой или обвалах неустойчивых глинистых пород.

Оценка сил, определяющих прихват бурильного инструмента или сопротивление его движению в стволе скважины, необходима для выбора нагрузок на талевую систему буровых установок и бурильные трубы при ликвидации прихватов.