Разрушение горных пород» на тему «Выбор буровых долот в соответствии с механическими свойствами горных пород для интервала буре. Курсовая работа разрушение горных пород. 1 общая характеристика работы

• Название: 1 общая характеристика работы
• Анкор: Разрушение горных пород» на тему «Выбор буровых долот в соответствии с механическими свойствами горных пород для интервала буре
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 310.45 Kb.
• Имя файла: Курсовая работа разрушение горных пород.docx
• Тип: Документы; #736778

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Целью курсовой работы является приобретение практических навыков в решении конкретных задач технологии бурения скважин с использованием показателей механических свойств горных пород.

В работе должны быть решены следующие задачи:

1) определены статистические характеристики показателей механических свойств горных пород;

2) выбраны тип и класс шарошечного долота;

3) рассчитана долговечность стального фрезерованного вооружения долота при абразивном изнашивании и уточнен класс основного долота;

4) рассчитаны области разрушения горных пород и диапазоны осевых нагрузок на долота;

5) обоснованы диаметры насадок для гидромониторного долота;

6) обобщены результаты расчета для заданного интервала бурения;

7) выбран тип и рассчитано число лопастей долота PDC;

8) подведены итоги расчетов.

Исходные данные, приведенные в задании:

-интервал бурения;

-частота вращения долота – nд, об/мин;

-диаметр долота ( скважины) – D, мм;

- литология интервала; ожидаемые колебания давления бурового раствора в скважине – p, МПа;

-относительное пластовое давление – p (отношение измеренного пластового давления к давлению столба воды на той же глубине).

Таблица задания содержит показатели механических свойств горных пород в виде вариационных рядов по глубине бурения интервала:

- – предел текучести горной породы по штампу, МПа;

- – твердость горной породы по штампу, МПа;

-C – модуль деформации (упругости) породы при вдавливании, МПа;

- и – показатели абразивности горной породы по отношению к закаленной стали, измеренные во второй области изнашивания, мм/ч.

2 ПРОВЕРКА КРАЙНИХ ЗНАЧЕНИЙ ВАРИАЦИОННЫХ РЯДОВ НА МАЛУЮ ВЕРОЯТНОСТЬ И ОДНОРОДНОСТИ ЗАДАННОГО ИНТЕРВАЛА БУРЕНИЯ

2.1 Подготовка данных к проверке интервала бурения на однородность

В задании приведены показатели механических свойств горной породы интервала, измеренные на образцах, представляющих случайную равномерно распределенную по глубине выборку. Заданный интервал бурения может быть неоднородным. В этом случае показатели свойств разных частей интервала будут принадлежать к разным совокупностям случайной величины.

В предстоящей работе проверку однородности интервала провести методом сравнения средних значений случайных величин отдельных частей интервала, выделенных графически по гистограммам распределения показателей свойств горной породы по глубине z.

В основе метода сравнения средних лежит гипотеза о том, что математическое ожидание разности средних арифметических значений сравниваемых вариационных рядов равно нулю (нуль-гипотеза).

Проверку гипотезы об однородности интервала бурения провести по показателю свойств, имеющему наибольший относительный размах варьирования :

,

где и – максимальное и минимальное значения показателя свойств горной породы.

Вычисление размаха варьирования на однородность интервала^











Наибольший относительный размах варьирования имеет показатель  .

Ограниченный объём выборки позволяет разделить интервал бурения только на две части. Для определения границы между частями построим гистограмму распределения показателя   . Граница между интервалами будет находиться там, где наблюдается наиболее резкое изменение показателей свойств или существенно изменяется его варьирование. Значения показателя свойств горной породы, соответствующие выделенным интервалам, образуют два вариационных ряда. Дополнительное условие – в выделенном интервале не должно быть меньше трех строк, т.к. статистика не рассматривает вариационные ряды с числом членов меньше трех.



Рисунок 1 – Гистограмма распределения показателя а25.

2.2 Проверка вариационных рядов на наличие в них маловероятных значений.

Проверку выполнить только для выбранного выше вариационного ряда. В вариационный ряд могут попасть маловероятные значения, обусловленные грубыми ошибками при измерениях или при подборе образцов породы. Эти значения необходимо исключить до определения характеристик вариационного ряда. Маловероятными могут быть максимальные и минимальные значения. Поэтому все значения обоих рядов необходимо переписать в порядке возрастания (проранжировать ряды):



где n – число членов вариационного ряда. Далее выполняем расчеты по схеме приведенной в таблице 2.
Ранжируем первый ряд:

1,25 < 2,34 < 3,23 < 3,33 < 3,56 < 4,98;

Таблица 1– Расчет параметров распределения крайних значений ряда.



По формулам первой строки определяются   и   из предположения, что маловероятными могут быть по два крайних значения вариационного ряда. По формулам второй строки – из предположения, что маловероятными могут быть наибольшее и наименьшее значение ряда, но при этом   также может быть маловероятным. По формулам третьей строки – из предположения, что маловероятными могут быть также наибольшее и наименьшее значения ряда, но без дополнительных условий.

Расчетные значения   и   сравниваем с критериями   , которые зависят от числа членов ряда n = 6 и вероятности (надежности) оценки (0,95).

По таблице находим значения критерия   при n = 6:



















Среднее арифметическое значение по формуле:



а среднее квадратическое отклонение по формуле:



Ранжируем второй ряд:

1,63 < 1,75 < 1,77 < 1,87 < 2,23 < 2,9;













Среднее арифметическое значение:





2.3 Оценка однородности интервала бурения.

Применение метода сравнения требует вычисления общего среднего квадратического отклонения полученных вариационных рядов по формуле:



(1 и 2 – индексы, соответствующие первому и второму вариационным рядам) и параметрам распределения   разности   по формуле:



Вычисленное значение   сравнить с критическим параметром t распределения Стьюдента, соответствующим заданной вероятности и числу степеней свободы   , которое в данном случае вычисляется по формуле:



По таблице определяем t при   , t=2,31: t₁₂ < t, то различие статистически незначимо, рассматриваемый интервал бурения однородный, и его не следует делить на части

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОКАЗАТЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНОЙ ПОРОДЫ

3.1 Расчет показателей механических свойств горных пород в стандартных условиях

Определение статистических характеристик для :
Выпадающих значений нет.



Среднее арифметическое по формуле:



Среднеквадратическое отклонение по формуле:

Далее определяем нижнюю и верхнюю границу случайной величины, в пределах которых с заданной вероятностью лежат все ее значения:





Выбор параметра Стьюдента из методички таблица 2.4, число степеней свободы определяется по формуле при одной случайной величине:









Выбор параметра Стьюдента из методички таблица 2.4, число степеней свободы определяется по формуле при группе случайных величин:









Определение статистических характеристик для :
Выпадающих значений нет.



Отсюда остальные значения определим:


Определение статистических характеристик для :
Выпадающих значений нет.


Отсюда остальные значения определим:



Определение статистических характеристик для :
Выпадающих значений нет.



Выпадающих значений нет.



Определение статистических характеристик для :
Выпадающих значений нет.



Выпадающих значений нет.



Формулы для перехода от показателей твердости в МПа к показателям в категориях следующие:





Таблица 2 – Статистические показатели механических свойств горных пород.

Обозначения					С, МПа	а21, мм/ч	а25, мм/ч
	362,67	490,5	3,12	-	0,5525	0,549	2,57
	22,46	44,94	-	-	0,017	0,132	4,92
	313,24	391,61	-	-	0,513	-	-
	412,09	589,37	4,314	-	0,591	-	-
	339,07	443,31	-	-	0,533	-	-
	386,25	537,66	-	-	0,570	-	-

4 ВЫБОР ДОЛОТ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ И ОСЕВЫХ НАГРУЗОК НА ДОЛОТА

4.1 Требования к шарошечным долотам

Выбираемые шарошечные долота должны:

1) соответствовать твердости горных пород;

2) обеспечивать наиболее высокую область разрушения горной породы, что соответствует обеспечению наибольшей механической скорости бурения;

3) вооружение долота первого класса должно обеспечивать использование ресурса опоры, что соответствует учету абразивности горной породы.

4.2 Предварительный выбор типа вооружения долот

Каждый тип долот имеет свою область рационального использования. Эти области характеризуются твердостью горных пород, выраженной в категориях.

Для наглядности выбора типа долот строятся номограммы, представленные на рисунке 2.



Рисунок 2 - Номограммы для выбора типов вооружения долот.

Таблица 4.1 - Области применимости долот по твердости горных пород



Для данного примера для долот 1-го класса можно использовать долото типа С, для долот 2-го класса перспективным являются долота типа СЗ соответственно, так как показатель твердости горных пород входят в область применения долота по твердости. Выбираем для 1 класса – С, для второго –СЗ.

4.3 Выбор типа опор шарошек

Шарошечные долота изготавливаются с четырьмя основными типами опор (АУ, НУ, Н. В), предназначенными для соответствующих им частот вращения долот. Заданная частота вращения долота п_д = 580 об/мин. Этой частоте соответствует опора типа В (1) для долота 1-го класса и В (3) для долота 2-го класса.

4.4 Выбор типа системы промывки

Долото 1-го класса:

Долота изготавливаются с центральной (Ц) и гидромониторной (Г) системами промывки. Долота типов М, ОМЗ, МЗ, МС, МСЗ, С и СЗ и долота всех типов с опорами АУ, Н и НУ изготавливаются только с гидромониторной системой. Записываем шифр долота:

215,9С-ГНУ (235)

где 215,9– диаметр долота ,мм;

С– тип разбуриваемой горной породы по твердости ,кат;

Г– Гидромониторная система промывка долота ;

В скобках шифр долота по коду МАБП (codeIADC);

Для долота типа при данной частоте вращения долота, 50 < .

Долото 2-го класса:

Долота типов М, ОМЗ, МЗ, МС, МСЗ, С и СЗ и долота всех типов с опорами АУ, Н и НУ изготавливаются только с гидромониторной системой. Записываем шифр долота:

215,9СЗ-ГНУ (545)

где 215,9– диаметр долота ,мм;

СЗ– тип разбуриваемой горной породы по твердости ,кат;

Г– Гидромониторная система промывка долота ;

В скобках шифр долота по коду МАБП (codeIADC).

Для долота типа при данной частоте вращения долота, 50 < .

4.5 Расчетные характеристики долот и горной породы

Наибольшая расчетная нагрузка на долото соответствует или предельно допускаемой по паспорту долота, или назначается по технологическим соображениям. Расчеты выполнить с использованием предельной паспортной нагрузки:



Давление столба воды:



Величина угнетающего давления зависит от динамического давления бурового раствора   на забой скважины и пластового давления p:



Коэффициент зависящий от угнетающего давления бурового раствора на забое скважины:



Сопротивление горных пород разрушению в забойных условиях выше, чем в атмосферных. Это следует учесть путем приведения предела текучести   породы к забойным условиям:



4.6 Расчет областей разрушения горной породы и осевых нагрузок на долота.
Расчет для долота 1-го класса.

Таблица 3 – Характеристика вооружения шарошек долота 215,9С;

Размер и тип долота	Сумма длин зубьев,  , мм	Сумма зубьев, z	Высота зубьев, hз , мм	Смещение осей шарошек, ko	Притупление зубьев, b0, мм	Сумма венцов на шарошках,
215,9C	113	123	11,5	0,037	1,90-2,1	9

Величину   рассчитываем по формуле:



Из формулы видно, что в расчете   используется только одна прочностная характеристика горной породы, а поэтому в расчете использована величина   . Осевая нагрузка на долото, соответствующая границе k-го скачка разрушения породы равна:

где  -  нижняя нагрузка k-го скачка разрушения породы;   - безразмерная нагрузка начала k-го скачка. Безразмерные нагрузки начала скачков разрушения приведены в таблице 4.6 (методическое указание). Индекс «п» соответствует притупленному клину, индекс «с» соответствует зубку с цилиндрической рабочей поверхностью.
Верхняя нагрузка k–го скачка разрушения породы принимается равной нижней нагрузке k+1–го скачка, т.е.
Диапазон нагрузки на долото от   до   рассматривается как к-я область разрушения горной породы.
Расчет для долот первого класса выполняем при новом (износ зубьев по высоте h=0) и изношенном вооружении (h=0,25hз , h=0,5hз и h=0,75h3 , где   - начальная высота зубьев (см. таблица 3). При этом в формуле будет изменятся только притупление b: от начального   до рассчитанного по формуле.

;

где - половина угла при вершине зуба;

Тип долота	Вид вооружения	Показатели	Скачки разрушения горной породы
			1	2	3	4
С	Притупленный клин		0,71	1,42	2,12	2,83

Таблица 5 – Исходные данные и результаты расчетов осевой нагрузки на дотото типа М



Результаты расчетов представляем графически в виде зависимостей   от h как показано на рисунке 3.



Рисунок 3 – Области разрушения горной породы

Расчёт для долота 2-го класса.

Характеристика вооружения шарошечного долота 215,9 С3 в таблице 6.

Таблица 6 – Характеристика твердосплавного вооружения шорошек долота 215 С3.

Тип долота	Вид вооружения	Показатели	Скачки разрушения горной породы
			1	2	3	4
С3	Зубки М, С		0,54	3,94	9,89	18,5

Использование экспериментальных коэффициентов при расчете областей разрушения горной породы потребовало приведения осевой нагрузки на долото к безразмерному виду   :

где   – коэффициент динамичности нагружения долота;   и   – осевые нагрузки: действующая статическая и необходимая для достижения предела текучести в горной породе под вооружением долота: (при диаметре долота 215,9 мм.)
В расчетах принять   равным 1,1 для долот 3– ой подгруппы по складывающей способности.
Вооружение долот второго класса практически не изменяет геометрических характеристик в процессе работы. Исключение составляет разрушение зубков. Поэтому сначала следует оценить возможную область разрушения горной породы. Для этого рассчитать значения безразмерной нагрузки по формулам:

для зубков с цилиндрической рабочей поверхность:



Геометрические характеристики зубков приведены в таблице 6. Результаты расчетов сопоставляем с безразмерными нагрузками скачков для соответствующих зубков и определяем область разрушения горной породы.
При так как данное значение меньше 10,6. Это значит, что клиновой зубок СЗ будет обеспечивать разрушение горной породы в 2-ой области.
Далее вычисляем нижнюю нагрузку для принятой области разрушения. Осевая нагрузка зависит как от предела текучести горной породы, так и от ее упругости. Поэтому верхнее и нижнее значения этих показателей берем с индексом 2 из таблицы 3.

5 РАСЧЕТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВООРУЖЕНИЯ ДОЛОТА ПЕРВОГО КЛАССА И УТОЧНЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ.

На долговечность рассчитывается один зуб долота, имеющий средневзвешенные геометрические размеры.
Зависимость скорости изнашивания от удельной мощности трения, для пород – линейная и рассчитывается:

где А и В - экспериментальные коэффициенты, зависящие от абразивности горной породы и материала вооружения долота.
Решая систему методом Крамера, мы получим следующие значения коэффициентов A и В:

A = 0,12;

B = -0,06;

Для определения времени T изнашивания элемента вооружения на величину hприняты начальные условия t = 0, h = 0. Долговечность   вооружения долота 1-го класса соответствует времени изнашивания зуба на величину .
Для обломочных (песчано-глинистых) горных пород получена:



Интенсивность мощности трения:



где N – мощность, реализуемая долотом;   – доля мощности трения( );   – сумма зубьев долота ( );   – коэффициент, учитывающий увеличение рабочей площадки зуба за счёт закругления его вершин, принять  ; l – средняя длина рабочей поверхности зуба рассчитать:



где   – число венцов на шарошках ( ;

Мощность для вращения долота рассчитывается:



где с – коэффициент, зависящий от твердости горных пород;   – частота вращения долота( об/мин); D – диаметр долота, мм;   – осевая нагрузка на долото, кН.

Величину с рассчитываем:



где H - средняя твердость горных пород (H=2,04);   – относительное смещение осей шарошек в плане ( ).







Путем интерполяции уточняем  :



Так как , долото 1-го класса обеспечивает использование ресурса опоры.

Вывод:

-Долото 1-го и 2-го класса обеспечивают объёмное разрушение;

-Долото 1-го класса обеспечивает 2, 3, 4 область разрушения, долото 2-го класса обеспечивает 2 область разрушения;

-Долото 1-го класса обеспечивает использование ресурса опор, поэтому предпочтительным будет долото 1-го класса, как более дешевое.


6 РАСЧЕТ ГИДРОМОНИТОРНОЙ СИСТЕМЫ ПРОМЫВКИ ДОЛОТА

Промывка или продувка скважины обеспечивает полное и своевременное удаление шлама с забоя и из скважины, а также обеспечивать работу гидравлических забойных двигателей. Поэтому расхода Q бурового раствора предварительно подбирается из этих трех названных условий и принимается наибольший.
В курсовой работе ограничиваемся выбором Qиз условия очистки забоя:



где – удельный расход бурового раствора, м3 /см 2 или м/с; – площадь забоя скважины:



В случае гидромониторного долота необходимо обеспечить скорости истечения жидкости   из насадок от 60 до 120 м/с. Гидромониторный узел долота показан вектор скорости  , а размерными линиями – расчетный диаметр dнасадки.

Условие   вытекает из необходимости обеспечения гидромониторного эффекта на забое скважины. В противном случае применение долота с гидромониторной системой промывки не имеет смысла.

По величине выбранного расхода жидкости Qи скорости истечения рассчитываем диаметры dнасадок и перепад давления на гидромониторном долоте.

Рисунок 4 – Гидромониторный узел долота с гвоздевым креплением насадки:1 – корпус долота;2 – насадка;3 – резиновое уплотнительное кольцо;4 - гвоздь, крепящий насадку в корпусе долота.

Список использованной литературы:

1. Ашмарин И.П., Васильев Н.Н., Абросов В.А. Быстрые методы статистической обработки и планирования экспериментов. – Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1975. – 78 с.

2. Спивак А.И., Попов А.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1994. – 261 с.

3. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: Учебник для вузов /Под общ.ред. А.И. Спивака. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2004. – 509 с.