Файл: 1. Основные закономерности разрушения горных пород долотами различного типа.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 311
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Разрушение горных пород
1. Основные закономерности разрушения горных пород долотами различного типа.
При бурении н. и г. скв. основным инструментом для разрушения г.п. является долото, которое проникает в породу и разрушает ее вследствие поступательного (нагрузка) и вращательного перемещения.
По характеру разрушения г.п. долота бывают: 1) Режуще-скалывающего, 2) Режуще-истирающего, 3) Дробяще-скалывающего и 4) Дробящего действия.
При резании осевая нагрузка действует непрерывно и ее можно считать статической. В процессе скалывания и дробления приложенное усилие действует на забой прерывно, что вызывает дополнительные динамические нагрузки на забой (удары). Резание может осуществляться лопастными долотами. Скалывание происходит при использовании лопастных или шарошечных долот. Дробление может осуществляться только шарошечными долотами. Алмазные долота разрушают породу путем истирания и резания.
В зависимости от осевой нагрузки Л.А. Шрейнер выделил три характерных вида разрушения г.п.: I поверхностное истирание [Vмех прямопропорциональна G]; II усталостное разрушением [нарушение пропорциональности в связи с развитием усталостных явлений при многократных воздействиях долота]; III объемное разрушение [напряженное состояние в г.п. достигает такой величины? что обеспечивается выкол породы при каждом воздействии элементов вооружения инструмента - Vмех в начале быстро возрастает, а затем темп роста снижается].
Объемное разрушение в свою очередь может делится ещё на несколько частей: G1 – нагрузка первого скачка разрушения, G2 – нагрузка второго, G3 – третьего и G4 – четвертого (последнего).
Область объемного разрушения: G’ =
, где Gs – нагрузка, соответствующая пределу текучести г.п.
Gs = p0·b·Σli·η,
где b – притупление зубьев;
η = 0,3 – доля площади в данный момент;
li – длина зубьев;
p0 – предел текучести г.п. при вдавливании.
Рассмотрим явления, происходящие в породе при действии постепенно возрастающей местной нагрузки, передающейся через штамп.
Первоначально порода уплотняется в непосредственной близости от площадки контакта. Затем, когда нагрузка достигает некоторого критического значения, в породе образуется конусообразная трещина, вершина которой обращена к вдавливаемому телу. При дальнейшем увеличении нагрузки трещина продолжает развиваться в глубину; при этом образуется система хаотически расположенных трещин, порода в вершине конуса раздавливается в порошок, передающий давление во все стороны.
Под влиянием этого давления порода продолжает разрушаться до образования лунки. Описанный процесс внедрения штампа составляет один полный цикл разрушения. При дальнейшем нагружении штампа процесс во всех трех фазах повторяется.
Рассмотрим действие динамического вдавливания (ударов) на породу. Исследованиями установлено, что в результате ударов горные породы могут разрушаться при напряжениях, меньших, чем критические, соответствующих пределу прочности. Сам механизм разрушения аналогичен описанному выше. Число ударов по одному и тому же месту может быть значительным. С увеличением силы удара число их уменьшается. Таким образом, горная порода может разрушаться как при действии статических, так и динамических нагрузок. Сила удара в процессе динамического разрушения зависит от нагрузки и скорости ее приложения. Эффект разрушения в значительной мере зависит от формы твердого тела, которым разрушают горную породу. Все эти и некоторые другие факторы оказывают влияние на объемную работу разрушения.
2. Энергоемкость разрушения горных пород и влияние на этот показатель забойных факторов.
Разрушение начинается с появления следа 1 штампа на поверхности горной породы (остаточная деформация) и небольшой зоны трещин, окружающих след штампа (рисунок 2.5, а). При дальнейшем увеличении энергии удара до Т1 (рисунок 2.5, б) появляется круговой скол 2 (рисунок 2.5, а) породы за контуром штампа. Этот вид разрушения назван первой формой хрупкого разрушения, а ее начало первым скачком разрушения породы.
Дальнейшее увеличение энергии удара до Т2 приводит лишь к незначительному увеличению объема разрушения, а при превышении ее объем разрушения возрастает скачком с образованием лунки 2 в результате хрупкого разрушения породы (рисунок 2.5, в), аналогичного разрушению при статическом вдавливании штампа. Этот вид разрушения назван
второй формой разрушения породы, а ее начало вторым скачком разрушения. Обломки 3 породы, полученные при образовании второй формы разрушения, несут на себе следы первой формы, т.е. первая и вторая формы разрушения образуются последовательно.
Дальнейшее увеличение энергии удара до Т2' также не приводит к качественному изменению формы разрушения. Изменение энергии удара от Т2' до Т3 заканчивается третьим скачком разрушения и образованием третьей формы разрушения (рисунок 2.5, г) и т.д. Каждому скачку разрушения соответствует изменение темпа роста объема лунки 2.
Рисунок 2.5 – Схема развития разрушения при динамическом вдавливании штампа (а, б, в, г) и зависимости V и Ауд от энергии удара (д)
Энергоемкость разрушения горной породы Avпри динамическом вдавливании определялась по формуле Av = Tк / V,
где Tк – энергия единичного удара;
V – объем лунки разрушения.
Зависимость Avот Tк приведена на рисунке 2.5, д, из которого видно, что немонотонное изменение объема разрушения по мере увеличения энергии удара обуславливает наличие минимумов и максимумов на кривой энергоемкости. По мере увеличения Tк каждый последующий минимум и максимум ниже предыдущих, т.е. в целом по мере увеличения Tк наблюдается тенденция к уменьшению энергоемкости динамического разрушения пород. Такое изменение энергоемкости разрушения горных пород показывает, что при бурении следует стремиться к увеличению энергии каждого единичного взаимодействия элемента вооружения долота с горной породой.
3. Абразивность горных пород. Методы определения и классификация горных пород по абразивности.
Абразивность г.п. - способность г.п. изнашивать металлы при трении. Изнашивание - процесс преимущественно механический, поэтому показатели абразивности г.п. рассматриваются как показатели их механических свойств.
Методы определения показателей абразивности:
1) Метод изнашивания эталонного стержня.
В качестве эталона металла принят стержень из стали «серебрянка» диаметром 8 мм. В одном из торцов сверлят отверстие диаметром 4 мм на глубину 10-12 мм. Стержень устанавливают в сверлильный станок и сверлят испытываемый образец г.п. с n = 400 об/мин и нагрузке 147 Н по 10 мин каждым концом. Показатель абразивности подсчитывается по формуле:
, мг/10мин или мм/чгде Wi – износ по массе обоих торцов за одно испытание, мг
n – число испытаний
Этот метод дает хорошие результаты к ПРИ с непрерывным контактом (лопастные долота, коронки и др.).
2) Метод изнашивания вращающегося диска.
Образцы металла готовят из того материала, по отношению которому определяют абразивность г.п. Диаметр колец 30мм, ширина 2,5 мм испытание проводят с промывкой водой. В качестве показателя абразивности принят износ на единицу пути трения при нагрузке 10 кг. Все г.п. разделены на 12 категорий абразивности по отношению к закаленной стали марки У8:
4. Показатели механических свойств горных пород, определяемые методами статического вдавливания штампа и одноосного сжатия.
Метод вдавливания штампа позволяет не только определять твердость г.п., но и оценивать их упругие и пластические характеристики на небольших образцах и на кернах. Для определения мех. свойств горных г.п. методом вдавливания штампа необходимы образцы пород высотой 30-50 мм и диаметром 40-60 мм. Эти образцы должны иметь две плоскопараллельные шлифованные поверхности.
Твердость материалов измеряется при вдавливании в их поверхность острого конуса, сферы, пирамиды или штампа (удобнее прочих). Все вдавливаемые инструменты называют инденторами.
Горные породы по характеру зависимости нагрузки F на штамп от глубины h его внедрения делятся на три класса: I - хрупкие, II - пластично-хрупкие и III - высокопластичные и сильнопористые.
По наибольшей нагрузке Fmax определяется твердость породы по штампу Pш:
,где S - площадь штампа (S = 0,785d²);
d - диаметр штампа (от 1,5 до 5 мм).
Определяется предел текучести породы по штампу p0:
р0 = F0
/S.
Определяется модуль деформации (упругости) по штамму С:
, где h0 – величина упругого прогиба породы, соответствующая нагрузке F0.
При одноосном сжатии имеет место простое напряженное состояние:
σ1 = σ2 = 0; σ3 = σсж, где σсж – предел прочности г.п. при одноосном сжатии. Испытание при одноосном сжатии проводят на цилиндрических образцах диаметром 40-50 мм, с отношением длины образца l к его диаметру d близким к 1. Образец нагружается до его разрушения.
Предел прочности на одноосное сжатие: σсж = Рmax / F
Измерения упругого изменения длины Δl и диаметра Δd образца горной породы позволяют определить основные показатели упругих свойств горной породы: модуль упругости горной породы при одноосном сжатии (модуль Юнга) Есж и модуль поперечной деформации (коэффициент Пуассона) сж:
5. Классификация горных пород по прочности на одноосное сжатие и по твердости.
На основании фактических данных, полученных при вдавливании штампа в образцы многочисленных горных пород, оказалось возможным дать несколько классификационных шкал по отдельным показателям механических свойств.
Все породы по твердости по штампу разделены на три группы: мягкие, средние, твердые. Каждая группа в свою очередь разделена на четыре категории, т. е. всего принято двенадцать категорий твердости.
Классификация горных пород по твердости по штампу
К I группе преимущественно относятся породы высокопластичные и сильнопористые (глины, аргиллиты)
Ко II группе по твердости относятся в основном породы из класса пластично-хрупких, в частности, алевролиты, известняки, ангидриты, доломиты и песчаники.
К III группе по твердости относятся породы преимущественно из класса хрупких. Это в основном изверженные и метаморфические породы (кремни, кварциты,