УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАБУХАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Заявляемое техническое решение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к оценке устойчивости стенок скважины и буримости их забоя. При этом приводящее к набуханию образование последующее утолщение пленок воды, физико-химически связывающейся с поверхностью частиц породы, контактирующей с заданной жидкостью, создает расклинивающее воздействие, способствующее раздвижению частиц, обуславливающему сужение ствола и разрушение стенок скважины, а также вызывающее диспергирование шлама, которое, в свою очередь, ведет к повышению угнетающего влияния бурового раствора на буримость забоя скважины.
Известен прибор для определения набухания грунтов, в котором дискообразный образец грунта расположен на перфорированном диске, опирающемся тремя ножками на дно стакана, в котором залита испытываемая жидкость.(1). По боковой цилиндрической поверхности диск грунта плотно охвачен металлическим кольцом, в которое сверху входит дырчатый поршень, вертикальное перемещение которого при набухании породы контролируется индикатором часового типа, ножка которого опирается на верхний торец поршня. Величина набухания исследуемого образца оценивается в процентах от его начального (исходного) объема. При этом оценивается изменение одного какого либо размера, например, толщины дискообразного образца горной породы или грунта, считая, что остальные размеры изменяются соответственно.
Наиболее целесообразным для практики бурения скважин является изучение указанного процесса на воздушно-сухих образцах породы, ранее вынесенных при бурении в качестве бурового и обвального шлама. Это позволяет существенно снизить затраты времени и средств и при этом обеспечить оперативность получения нужной информации. При ее получении
целесообразно учесть, что жидкостная среда, в которой набухает порода в скважинах, находится под внешним давлением. Проведенные работы показали, что воздушно-сухие образцы шлама сохраняют свойства исходной глинистой породы.
Ближайшим техническим решением, принятым за прототип, является устройство для определения набухания образцов горных пород, включающее узел измерения, состоящий из индикатора часового типа, с цоколем которого соединена вилообразная измерительная втулка со стойками, поддон для размещения образца горной породы.(2).
Узел измерения соединен с узлом нагружения, включающим корпус вертикального динамометра и корпус горизонтального динамометра и узлом испытания на набухание.
Однако известное устройство не моделирует в должной мере процесс набухания породы в скважине, так как не предусмотрена возможность оценки влияния естественной текстуры породы на процесс набухания. Это важно потому, что наличие, особенно в глинистых породах, поверхностей пониженного сцепления в виде плоскостей сланцеватости и напластования обуславливает резкую анизотропию процесса их набухания. При этом главный интерес представляет разница между величинами набухания породы в параллельном и перпендикулярном направлениях к указанным плоскостям пониженного сцепления. Дело в том, что направление максимального расклинивания при набухании играет важную роль, особенно в наклонно-направленном бурении и бурении горизонтальных скважинах.
Задачей полезной модели является обеспечение получения точной информации о состоянии горных пород и снижение затрат времени и средств на ее получение.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для определения набухания образцов горных пород, включающее узел измерения, состоящий из индикатора часового типа, с цоколем которого соединена
вилообразная измерительная втулка со стойками, поддон для размещения образца породы, снабжено соединенным с ножкой индикатора измерительным наконечником, выполненным с расширенным плоским заплечиком, а стойки вилообразной втулки имеют срезы для ее фиксации относительно верхней части поддона, при этом в кольцевом ободке поддона сделана выточка.
Благодаря этим признакам определяется величина бокового набухания - Х наб. образцов горной породы.
На фиг.1 изображен общий вид устройства для определения образцов горных пород; на фиг.2 - сечение по А-А.
Устройство состоит из индикатора часового типа 1, на цоколе 2 которого закреплена с помощью винта 3 вилообразная измерительная втулка 4. Индикатор имеет ножку 5, в которую ввинчен измерительный наконечник 6, упирающийся своим расширенным плоским заплечиком в боковое сечение исследуемого образца 7 горной породы, закрепленного на поддоне 8 с помощью прослойки затвердевшего нитролака 9. На кольцевом выступе верхнего торца поддона 8 имеется боковой вырез для размещения в нем ножки 5 индикатора при ее опускании на рабочее место.
Методика использования устройства для определения набухаемости горной породы заключается в следующем.
На абразивной шкурке притирается образец горной породы (частица шлама) так, чтобы получился входящий в выемку на поддоне 8 диск с боковым срезом по линии отделения сегмента от основной части плоскостью, перпендикулярной к ее основанию. При изготовлении образцов для испытаний целесообразно предусматривать совпадение плоскостей пониженного сцепления в породе с направлениями торцевых плоскостей изготовляемого диска.
После покрытия образца породы тонким слоем нитролака по нижней торцевой и цилиндрической боковой поверхности, он вставляется в выемку на поддоне так, чтобы перпендикуляр к центру среза проходил через метку 10 на поддоне. Это достигается с помощью использования сборки измерительного
узла так, чтобы до твердения нитролака измерительный наконечник был сориентирован на метку 10. После ориентирования образца породы в указанном состоянии сборки его с поддоном 8 осуществляется их выдержка до схватывания нитролака.
После затвердевания нитролака поддон с образцом породы помещается поочередно в сборки для определения нулевых отсчетов Zo наб. - величины торцевого набухания и Хо наб. - величины бокового набухания, которое осуществляется по индикатору часового типа, отражающих положение, соответственно, измерительного Т-образного колпачка на измерительном наконечнике с расширенным плоским заплечиком на образце породы до ее набухания. При этом вилообразная втулка должна плотно прижиматься к поддону. После взятия начальных отсчетов Zo наб. и Хо наб. поддон с образцом породы помещается в узел для испытаний, (на чертеже не показан), причем перед свинчиванием наконечника микрокамеры с корпусом вертикального динамометра узла для испытаний микрокамера заполняется с помощью пипетки испытуемым буровым раствором. В микрокамере создают нужное рабочее давление, фиксируемое на шкале корпуса вертикального динамометра. Оно выдерживается в течение заданного времени, после чего поддон с образцом породы извлекается и подготовляется для проведения измерений. Подготовка состоит в удалении остатков бурового раствора с поверхностей породы и поддона.
В сборке для измерений Z наб. используется измерительный Т-образный колпачок, который надевается на измерительный наконечник 6.
После взятия по индикатору значения Z наб. колпачек снимается и рассчитывается величина торцевого набухания Zнаб.=Z наб.-Zo наб. в направлении максимального развития этого процесса в данной породе.
В заявляемом устройстве производится замер бокового набухания, для чего измерительный наконечник 6 своим расширенным плоским заплечиком упирается в плоскость бокового среза на образце породы 7, а вилообразная измерительная втулка 4, имеющая специальные срезы на своих стойках плотно
охватывает верхнюю шейку поддона 8 как по бокам, так и в центре на контакте вдоль направления измерения Х наб. При этом измерительный наконечник 6 должен быть точно ориентирован на метку 10. После взятия по индикатору 1 отсчета Х наб., устанавливается величина набухания в данной породе в направлении простирания плоскостей пониженного сцепления, равная ΔХнаб.=Хнаб.-Хо наб.
Отношение  может считаться показателем анизотропного набухания данной породы.