разрушение горной породы. 1. Основные закономерности ргп долотами различного типа
 Скачать 371 Kb.
|
|
1.Основные закономерности РГП долотами различного типа. При бурении н. и г. скв. основным инструментом, при помощи которого разрушается г.п., является долото. Долото проникает в породу и разрушает ее вследствие перемещения: 1)поступательного сверху вниз под действием нагрузки на долото, создаваемой массой нижней части колонны БТ (осевая нагрузка); 2)вращательного, осуществляемого гидравлическим ЗД, электробуром или ротором посредством БТ. I. Виды воздействия инструмента: 1) резание-скалывание; 2)дробление; 3)дробление-скалывание. 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. Алмазные долота разрушают г.п. путем истирания и резания. II. Виды разрушение по Шрейнеру: 1) I поверхностное истирание; 2) II усталостное разрушение; 3) III объемное разрушение. В зависимости от осевой нагрузки Л.А. Шрейнер выделил три характерных вида разрушения г.п., которые на рисунке обозначены соответственно I, II, III. Вид I: скорость разрушения г.п. прямопропорционально G и весьма мала. Скв. образуется вследствие истирания г.п. Вид II: прямая пропорциональность между Uм и G нарушается. Это связанно с развитием усталостных явлений при многократных воздействиях долота. Вид III: напряженное состояние в г.п. достигает такой величины что обеспечивается выкол породы при каждом воздействии элементов вооружения инструмента. Скорость разрушения г.п. и соответственно мех. скорость бурения в начале быстро возрастает, а затем темп роста снижается. Такой вид разрушения г.п. называется объемным.  Области объемного разрушения: G1 – нагрузка первого скачка разрушения G2 – нагрузка второго -//- G3 – нагрузка третьего -//- G4 – нагрузка четвертого (последнего) -//- Область объемного разрушения: G’=  , где Gs – нагрузка, соответствующая пределу текучести г.п. Gs = p0·b·Σ li · η , где b – притупление зубьев, η =0,3 – доля площади в данный момент, li - длина зубьев, p0 - предел текучести г.п. при вдавливании.  Основной вид деформации, под действием которой породы в процессе бурения разрушаются, — вдавливание. 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. Такая цикличность разрушения свойственна хрупким, прочным горным породам. В хрупких, но менее прочных горных породах разрушение также носит цикличный, но менее скачкообразный характер. Разрушение малопрочных пород носит плавный характер. 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, и при некотором значении силы разрушение наступает после первого же удара. 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. Удельная контактная работа определяется отношением полной работы к площади контакта разрушающего инструмента: Объемная работа разрушения при динамическом вдавливании в несколько раз выше, чем при статическом. Порода, составляющая поверхность забоя и подлежащая разрушению, находится в условиях неравномерного всестороннего сжатия, создаваемого давлением столба бурового раствора, заполняющего скважину, и боковым давлением горных пород. Сама поверхность забоя неоднородна и не представляет гладкую поверхность: отдельные частицы породы возвышаются над общим уровнем поверхности. При действии разрушающего инструмента на породу эти частицы первыми воспринимают давление и передают его другим соседним частицам. Некоторые из них дробятся, другие выламываются, третьи почти прямолинейно проталкиваются в направлении движения разрушающего инструмента. При бурении нефтяных и газовых скважин основным инструментом, при помощи которого разрушается горная порода, является долото. Долото проникает в породу и разрушает ее вследствие перемещения: 1) поступательного сверху вниз под действием нагрузки на долото, создаваемой массой нижней части колонны бурильных труб (эта нагрузка называется осевой нагрузкой); 2) вращательного, осуществляемого гидравлическим забойным двигателем, электробуром или ротором посредством бурильных труб. Горная порода разрушается долотом посредством резания, скалывания или дробления. 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. Наибольшее распространение получили шарошечные долота, которые используют при бурении пород различной твердости (от мягких до самых крепких). 2. Энергоемкость разрушения горных пород и влияние на этот показатель забойных факторов Скачкообразность развития форм разрушения горных пород обуславливает немонотонное увеличение объема V разрушения мере увеличения энергии удара (рис. 1). Из рис. 1 видно, что при переходе от первой формы разрушения ко второй (область Т1 -Т2) наблюдается существенный рост объема разрушения. Дальнейшее увеличение энерг. Т2 до Т2' не приводит к существенному изменению объема, и лишь при Тк > Т2' вновь наблюдается рост объема разрушения, связанный с появлением промежуточных форм разрушения в области Т2'-T3. Развитие тpетьей формы разрушения вновь обусловливает стабилизацию объема разрушения (область Тз-Т'3) т.д. Энергоемкость разрушения породы при динамическом вдавливании определяют по формуле *  З  ависимость av от Тк также приведена на рис. 1, из которой видно, что немонотонное изменение объема разрушения обуславливает наличие минимумов и максимумов на кривой энергоемкости. По мере увеличения Т к каждый последующий минимум и максимум ниже предыдущих, т.е. в целом по мере увеличения Тк наблюдается тенденция к энергоемкости динамического разрушения пород. Первый минимум на кривой энергоемкости соответствует образованию втором формы разрушения, второй минимум - образованию третьей формы разрушения. Стабилизация объема разрушения после образования второй и третьей форм разрушения обусловливает появление максимумов на кривой энергоемкости разрушения пород. Изучение энергоемкости разрушения горных пород показывает, что при бурении следует стремить к увеличению энергии каждого единичного взаимодействия элемента вооружения долота с горной породой. Это направление оптимизации процесса бурения реализуется повышением подводимой к забою мощности и усовершенствованием породоразрушающих инструментов. В случае одновременного вдавливания нескольких инденторов напряжения складываются, в результате чего повышается эффективность разрушения породы. На рис.1 приведены формы зон разрушения, полученные при одновременном и последовательном вдавливании штампа, в мрамор. При одновременном вдавливании получена общая зона разрушения с плоским дном (рис. 1, а), а при последовательном форма разрушения образована пересечением единичных форм (рис. 1, б). В первом случае объем разрушения вследствие одновременного вдавливания был в 1,4 раза больше, чем во втором, что обусловило соответствующее снижение -энергоемкости. При одновременном вдавливании инденторов большое значение имеет выбор оптимального расстояния между инденторами опытным путем. -по штампу;  |