Раздел 1 - Понятия и уравнения механики горных пород.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К изучению курса

«МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД»

Издательство

Пермского национального исследовательского политехнического университета

Рецензент:

канд. техн. наук, доцент Л.Н. Долгих

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Мелехин А.А.

Методические указания к курсу «Механика горных пород» / А.А. Мелехин – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015.

Методическое пособие включает общие положения рабочей программы дисциплины, перечень основных контрольных вопросов для подготовки к экзамену по изучаемому курсу, задания для выполнения контрольной и лабораторной работы.

Пособие предназначено для студентов заочной формы обучения обучающихся по направлению 21.03.01 (131000.62) «Нефтегазовое дело».

Общие положения

1.1 Цель учебной дисциплины «Механика горных пород» –освоение дисциплинарных компетенций по методам математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования технологических процессов при строительстве скважин.

В процессе изучения данной дисциплины студент расширяет и углубляет знания по следующим компетенциям:

– способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-2);

– способность осуществлять и корректировать технологические процессы при строительстве, ремонте и эксплуатации скважин различного назначения и профиля ствола на суше и на море, транспорте и хранении углеводородного сырья. (ПК-7).

1.2 Задачи дисциплины:

Задачей дисциплины являются:

· приобретение базовых знаний о механике горных пород, их механических свойствах, напряженном и деформированном состоянии системы «скважина-пласт»;

· усвоение научных основ, терминов и понятий, а также основных методик расчета поведения горных пород при проведении технологических операций при строительстве скважин;

• изучение организации работ по гидравлическому разрыву пласта;

· формирование умения исследования свойств горных пород при добыче пластовых флюидов;

· формирование умения проводить расчеты, использовать нормативные документы, составлять технологические и рабочие документы при строительстве, эксплуатации и ремонте скважин;

• формирование навыков осуществлять и корректировать технологические процессы при строительстве, эксплуатации и ремонте скважин.

1.3 Предметом освоения дисциплины являются следующие объекты:

· Напряженное состояние горных пород забоя и околоствольного пространства буровых скважин;

· Механические модели разрушения горных пород под действием внешних нагрузок различной физической природы;

· Факторы, влияющие на устойчивость горных пород, слагающих стенки буровых скважин.

1.4 Место дисциплины в структуре профессиональной подготовки выпускников.

После изучения дисциплины обучающийся должен освоить части указанных в пункте 1.1 компетенций и демонстрировать следующие результаты:

· знать:

- историю развития механики горных пород;

- основные законы механики горных пород;

- методы теоретических и экспериментальных исследований связанные с механикой горных пород;

- методы моделирования в механике горных пород;

- распределение напряжений в горной породе;

- тензорное исчисление в механике горных пород;

- основные уравнения механики горных пород;

- свойства горных пород;

- естественное напряженное состояние горных пород и его изменение вблизи скважин;

- процессы механического взаимодействия горных пород и насыщающих их жидкостей;

- закономерности деформации горных пород в результате их механического взаимодействия с насыщающей их жидкостью;

- механизм образования трещин в горных породах при гидравлическом разрыве пород;

- основные законы и уравнения кинематики горных пород.

· уметь:

- обосновывать метод и технологию вскрытия продуктивных пластов;

- проводить расчеты и выбирать технологию строительства, ремонта или эксплуатации скважины, в зависимости от свойств горных пород;

- обосновывать порядок и режимы технологических операций в скважине в зависимости от свойств горных пород;

- оценивать риски и определять меры по обеспечению безопасности при проведении работ в скважине.

· владеть:

- навыками обоснования технологии вскрытия пластов;

- навыками обоснования конструкции скважин;

- навыками расчета устойчивости стенок скважин при их строительстве и ремонте;

- навыками расчета деформации горных пород продуктивного пласта при добыче флюидов;

- навыками расчета процесса гидравлического разрыва пласта;

- навыками расчета напряженного состояния горных пород;

- навыками расчета и прогнозирования процесса взаимодействия горной породы и насыщающей её жидкости.

2 Содержание разделов и тем учебной дисциплины

МОДУЛЬ 1. Основные понятия и уравнения механики горных пород.

Введение.

Основные понятия, термины и определения. Предмет и задачи дисциплины. Краткая история предмета. Роль механики горных пород в современном образовании по направлению «Нефтегазовое дело».

Приложение 1

Контрольные вопросы

для подготовки к экзамену по курсу «Механика горных пород»

1. В каком году появились работы Т. Кармана по изучению поведения горных пород в условиях всестороннего сжатия?

2. В каком году появилась монография М.М. Протодьяконова «Давление горных пород на рудничную крепь»?

3. Работы, посвященные вопросам определения величины давления горных пород на крепь, изучения физико-механических свойств горных пород и массивов, устойчивости горных выработок появились?

4. Механика горных пород возникла на стыке наук?

5. Горные породы?

6. Породный массив?

7. Горное давление?

8. Геомеханика изучает?

9. Литологическая разность?

10. Механические свойства горных пород?

11. Механическое состояние породного массива?

12. Подобие в изучении движения вязкой жидкости в трубе?

13. π-теорема?

14. Получения безразмерных характеристик в теории подобия?

15. Два математических описания процесса будут подобны если?

16. Напряженное состояние элементарного объема сплошной среды?

17. Величина нормальных и касательных напряжений, действующих на элементарный объём среды?

18. Тензор напряжений?

19. На площади, делящие углы между главными плоскостями элементарного объёма пополам действуют?

20. Девиатор напряжений?

21. Девиатор скорости деформации?

22. Зависимость между девиатором напряжения и девиатором скоростей для вязкой жидкости?

23. Тензор деформации?

24. Девиатор деформации ?

25. Получения замкнутой системы уравнений, описывающих движение сплошной среды?

26. Уравнение Навье-Стокса, описывающее движение вязкой ньютоновской жидкости?

27. Уравнение Мора?

28. Уравнение для расчета расхода вязкой жидкости в трубе круглого сечения?

29. Уравнение неразрывности массы?

30. Уравнение для расчета скорости течения вязкой жидкости в трубе круглого сечения?

31. Уравнение для расчета перепада давления при течении вязкой жидкости на участке трубы круглого сечения?

32. Характер пород коллекторов?

33. По характеру ёмкостного пространства породы коллекторы делятся?

34. Эффект естественного напряженного состояния горных пород при искусственном воздействии?

35. Прямой метод определения естественного напряженного состояния горных пород?

36. Расчет горизонтальной компоненты естественного напряженного состояния пород вблизи скважины для ненасыщенных жидкостью или газом пород?

37. Эффективное напряжение это?

38. Косвенный метод определения естественного напряженного состояния горных пород?

39. Расчет горизонтальной компоненты естественного напряженного состояния пород вблизи скважины для ненасыщенных жидкостью или газом пород?

40. Напряженное состояние горных пород вблизи скважины?

41. Истинное напряжение?

42. Тензор полного напряжения при механическом взаимодействии горных пород и насыщающих их жидкостей?

43. При прокачивании жидкости через пористую среду к концу образца зависимость давления и эффективное напряжение?

44. Увеличение периметра обсадной трубы при фильтрации пластового флюида в скважину?

45. Сжимающая сила при ГРП?

46. Условие С.А. Христиановича?

47. При нагрузке, приложенной к внутренней поверхности трещины в процессе ГРП, изменяющейся по параболическому закону условием конечности напряжений в концах трещины будет?

48. Формула перехода от переменных Эйлера к переменным Лагранжа?

49. Формула перехода от переменных Лагранжа к переменным Эйлера?

50. Это закон движения точки в системе Лагранжа?

51. Это закон движения точки в системе Эйлера?

52. Движение сплошной среды по Лагранжу?

53. Как Эйлер рассматривал движение сплошной среды?

54. Тензор нулевого ранга?

55. Тензор второго ранга?

56. Ранг или валентность тензора?

57. Тензор первого ранга?

58. Идеальная жидкость?

59. Уравнения состояния упругого тела?

60. Закон Гука с учетом температурных напряжений?

61. Уравнение Ламе?

62. Выражение деформации через перемещения для задачи Ламе?

63. Принцип Сен-Венана?

Приложение 2

Вопросы для написания контрольной работы

Контрольная работа носит реферативный характер. Задание освещается преподавателем на установочной лекции. Тематика заданий для выполнения контрольной работы представлена ниже. Минимально требуемый объем для освещения заданий 5 печатных страниц (шрифт 14 кегль, интервал 1.15-1.5, интервал между абзацами 0). Вопросов для реферативного освещения каждому студенту предлагается два. Отбор вариантов студент производит самостоятельно в соответствии с двумя последними цифрами номера его зачетной книжки (например: зачетная книжка имеет №…23 – значит, следует принять для реферативного освещения вопросы 1.23 и 2.23).

Раздел 1

Основные понятия механики сплошных сред

1.1 Понятие «сплошная среда». Модели сплошных сред.

1.2 Отличительные особенности горных пород как «сплошных сред».

1.3 Круг задач, изучаемых механикой горных пород.

1.4 Основные допущения и абстракции в механике горных пород.

1.5 Основные уравнения, описывающие состояние горных пород (равновесия и движения).

1.6. Силы взаимодействия в макромире твердых тел как сплошной среды. Их природа. Относительные значения различных сил взаимодействия.

1.7. Зависимость от различных факторов сил взаимодействия, определяющих существование твердого тела. Относительные значения различных сил взаимодействия.

1.8. Энергия взаимодействия между образующими твердое тело. Понятие о потенциальной энергии взаимодействия. Влияющие факторы.

1.9. Условия вывода твердого тела из равновесного (по силам взаимодействия) состояния. Изменение уровня потенциальной энергии взаимодействия при этом.

1.10. Поверхностная энергия твердых тел. Её особенности, определяющие отличительные свойства твердых тел.

1.11. Напряжения и деформации сплошной среды. Связь между ними при малой длительности нагружения.

1.12. Роль фактора времени нагружения на характер, зависимости между напряжениями и деформацией твердого тела.

1.13. Силы сопротивления твердых тел внешнему механическому воздействию. (Природа сил. Проявление действия. Принятые оценки. Влияющие факторы. Зависимость и практическая независимость этих сил.).

1.14. Плотность твердых тел вообще и реальных твердых тел в частности. (Характеристики. Влияющие факторы.).

1.15. Упругие свойства твердых тел. (Проявление. Характеристики - не менее пяти! Влияющие.факторы.).

1.16. Упругий гистерезис. (Проявление. Течение его. Природа - причины.). Пластические свойства твердых тел. (Их проявление и оценка. Природа).

1.17. Уплотнение твердых тел как следствие упругопластических деформаций. Виды механического воздействия, при которых возможно уплотнение твердого тела.

1.18. Реологические свойства реальных твердых тел. Реологические модели.

1.20. Релаксация напряжений и ползучесть.

1.21. Прочностные свойства твердых тел. (Их характеристики. Соотношения. Причинная связь. Почему одни прочности меньше других для одного и того же материала - твердого тела?)

1.22. Теоретическая и реальная прочности твердых тел. (Понятия. Факторы влияющие на значения их характеристик.).

1.23. Понятие о длительной прочности и её значениях относительно прочности, определяемой при малой длительности нагружения.

1.24. Твердость твердых тел. (Понятие. Природа существенного отличия её значений от значений других характеристик прочности).

1.25. Методы определения твердости твердых тел и области их применения.

1.26. Твердость горных пород по Л.А.Шрейнеру и метод её определения.

1.27. Анизотропия механических свойств реальных твердых тел. (Понятие, Причины. Следствия).

1.28. Хрупкость и пластичность твердых тел. Влияющие на проявление этих свойств факторы.

1.29. Трансформация свойств горных пород в условиях всестороннего сжатия - условиях массива (показать отличие характеристик упругих, прочностных и реологических свойств горных пород в условиях массива от подобных характеристик, получаемых при одноосном нагружении, выявить природу отличия).

1.30. Различие между текучестью и ползучестью твердых тел. Понятие об усталости материала и её природе.

Раздел 2

Условия устойчивости и разрушения твердых тел

2.1. Первая теория прочности.

2.2. Вторая теория прочности.

2.3. Третья теория прочности.

2.4. Четвертая теория прочности.

2.5. Теория прочности Мора.

2.6. Теория прочности Кулона — Мора.

2.7. Обобщенное условие прочности Мора.

2.8. Особенности и условия хрупкого и пластичного разрушения.

2.9. Виды разрушения твердых тел (Три вида). Условия, при которых они происходят.

2.10. Механизм разрушения твердого тела при вдавливании в него инденторов сферической формы (Задача Герца).

2.11. Механизм разрушения твердого тела при вдавливании в него цилиндрического штампа с плоским основанием.

2.12. Механизм разрушения твердого тела при вдавливании в него призматического штампа различной конфигурации.

2.13. Зависимость скорости разрушения от нагрузки (характер зависимости в различных диапазонах нагрузки, природа изменения характера зависимости).

2.14. Зависимость скорости разрушения от скорости приложения нагрузки (характер зависимости в различных диапазонах скорости приложения нагрузки, факторы, влияющие на характер зависимости, природа изменения характера зависимости).

2.15. Абразивность (абразивная способность) и способы её оценки (понятие, факторы, обусловливающие абразивность и вынуждающие использование её косвенных оценок).

2.16. Закономерности износа разрушающих инструментов;(факторы, влияющие на интенсивность, темп износа),

2.17. Энергетика процесса разрушения. Физический и условный КПД процесса разрушения. Действительно полезные и условно полезные затраты.

2.18. Полный баланс энергии, затрачиваемой на разрушение. Оценка относительных значений составляющих затрат.

2.19. Энергетические законы разрушения. Условия преимущественного использования того или иного закона.

2.20. Энергоемкость процесса разрушения. Оценка этих энергоемкостей. Меры.

2.21. Напряженное состояние осадочных горных пород. Факторы, его определяющие.

2.22. Понятия горного, пластового, порового давлений и их составляющих. Механизмы их формирования. Аномалии (аномальности) пластовых давлений.

2.23. Боковой распор. Давление разрыва горкой породы и его связь с боковым распором.

2.24. Напряженное состояние однородных и неоднородных пород в ненарушенном горными выработками массиве (соотношение и определение составляющих тензоров напряжений и их изменение с глубиной).

2.25. Напряженное состояние горных пород забоя и около ствольного пространства буровых скважин. (Иллюстрировать графиками изменения с глубиной).

2.26. Факторы, определяющие устойчивость горных пород, слагающих стенки буровых скважин (природные и технологические).

2.27. Напряжение скелета пористых горных пород. Нормальное и аномальное уплотнение глинистых пород с глубиной.

2.28. Гидроразрыв горных пород, окружающих скважину, и условия его предупреждения.

2.29. Влияние касательной нагрузки на распределение напряжений при вдавливании инденторов.

2.30. Особенности сопротивления внедрению и механизма разрушения при динамическом вдавливанию. Относительная энергоемкость такого вдавливания.

Рекомендуемая литература к курсу «Механика горных пород»

№	Библиографическое описание (автор, заглавие, вид издания, место, издательство, год издания, количество страниц)	Количество экземпляров в библиотеке

1 Основная литература
	Спивак А.И., Попов А.Н. и др. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учебник. – М.: Изд-во Недра, 2007. – 508 с.
	Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т.1: Учебник. – СПб.: Изд-во Лань, 2004.– 528 с.
	Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т.2: Учебник. – СПб.: Изд-во Лань, 2004.– 560 с.
	Спивак А.И., Попов А.Н. Механика горных пород: Учебник для студентов вузов. — Москва: Недра, 1975 .— 200 с.
	Спивак А.И. Механика горных пород : (Применительно к процессам разрушения при бурении скважин): Учебник для вузов. — Москва : Недра, 1967 .— 192 с.
2 Дополнительная литература
2.1 Учебные и научные издания
	Кашников Ю. А., Ашихмин С. Г. Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья. — М.: Недра, 2007.— 467 с.
	Черепанов Г. П. Механика разрушения горных пород в процессе бурения. — Москва: Недра, 1987 .— 308 с.
	Черняк В.Г., Суетин П.Е. Механика сплошных сред: Учебник – М.: Изд-во ФИЗМАТЛИТ, 2006. – 352 с.
	Селиванов В.В Механика разрушения деформируемого тела: Учебник – М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э. Баумана, 2006. – 419 с.
	Бабкин А.В., Селиванов В.В. Основы механики сплошных сред: Учебник – М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э. Баумана, 2006. – 375 с.
	Ставрогин А. Н., Протосеня А. Г. Механика деформирования и разрушения горных пород. — М.: Недра, 1992 .— 223 с.
2.2 Периодические издания
	Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых: научный журнал / Российская академия наук. Сибирское отделение; Институт горного дела.— Новосибирск: Ин-т горн. дел СО РАН, 1965 - . — ISSN 0015-3273.
2.3 Нормативно-технические издания
	ПБ 08-624-03 Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности

Приложение 3

Лабораторная работа