11.2 Руйнування гірських порід при

динамічному втискуванні

Величина кінетичної енергії удару для ударника, що вільно падає, дорівнює його потенціальній енергії в крайньому верхньому положенні

, (11.10)

де U – потенціальна енергія ударника;

m – маса ударника;

h – відстань від верхнього крайнього положення робочої поверхні штампа до поверхні зразка гірської породи.

Прирівнявши значення U_к і U і підставивши його у вираз (11.1), можна визначити початкову швидкість удару v₀ штампа об гірську породу

. (11.11)

Вивченням процесів деформування гірських порід при ударі займалися в лабораторії Уфимському нафтовому інституті під керівництвом Мавлютова М.Р.

На основі проведених експериментів встановлено, що із збільшенням енергії удару (а відповідно, і початкової швидкості v₀) змінюється характер залежності сили від переміщення. В загальному випадку графік навантаження – переміщення при динамічному втискуванні є складною кривою, що має максимуми і мінімуми, причому кожен наступний максимум вищий за попередній. Встановлено, що при збільшенні маси ударника збільшується опір проникненню ударника, тому при однаковій енергії удару глибина проникнення важкого ударника менша.

Ці результати наштовхують на висновок, що в процесі буріння доцільно забезпечувати великі швидкості взаємодії елементів озброєння долота з гірською породою. Швидкість удару елементів озброєння прямо пропорційна швидкості обертання долота. Енергія взаємодії елемента озброєння навпаки від швидкості обертання залежить мало, а, основним чином, залежить від осьового навантаження на долото.

Як показали результати експериментальних досліджень відмінність механізму руйнування породи при динамічному втискуванні від механізму статичного втискування є непринциповою. Тому розглянемо лише кінематику розвитку руйнування породи із збільшенням енергії удару.

При малих значеннях енергії удару на поверхні гірської породи утворюється зона тріщин, що оточують контур штампа (рис. 11.2, а).

а – поява залишкової деформації;

б – перша форма крихкого руйнування;

в – друга форма крихкого руйнування;

г – третя форма крихкого руйнування

Рисунок 11.2. − Схема розвитку руйнування породи при динамічному втискуванні

Якщо енергію удару збільшувати, за контуром породи з’являється зона кругового сколювання. Цю форму руйнування Мавлютов назвав першою формою крихкого руйнування. При подальшому збільшенні енергії удару лише збільшується об’єм сколотої породи ( рис. 11.2, б). Основне збільшення об’єму руйнування відбувається в результаті поступового заглибленні штампа. При цьому величина навантаження зростає несуттєво.

Коли енергія удару досягає певної величини, спостерігається крихке руйнування породи під штампом ( рис. 11.2, в), аналогічне тому руйнуванню, що має місце при статичному втискуванні.

Цю форму руйнування прийнято називати другою формою руйнування. Уламки породи, що при цьому утворюються, за результатами раніше названих дослідників мають сліди першої форми, тобто перша і друга форми руйнування процесі деформування утворюються послідовно.

При подальшому збільшенні енергії удару до деякої критичної величини форма руйнування суттєво не змінюється. Спочатку зростає глибина проникнення індентора в породу, а при більших значеннях енергії удару можуть з’явитися нові нестійкі форми руйнування.

Якщо енергія удару досягне критичного значення, з’явиться нова, стійка третя форма руйнування (рис. 11.2, г). Уламки породи, що при цьому утворюються також несуть на собі сліди попередньої форми руйнування. Це свідчить про послідовне утворення форм руйнування. Наявність максимумів і мінімумів на кривих залежності навантаження від глибини проникнення штампа свідчать, що процес руйнування гірських порід відбувається скачкоподібно.

Збільшуючи енергію удару далі, можна отримати четверту і, можливо, наступні форми руйнування. Кількість отриманих форм руйнування обмежується міцністю інденторів. З рис. 11.2 видно, при переході від першої форми руйнування до другої (U₁–U₂) спостерігається суттєве зростання зони руйнування.

Те, що форми руйнування породи розвиваються скачками, а об’єм зони руйнування та енергоємності руйнування породи із збільшенням сили удару зростають немонотонно, пояснюється так.

Як тільки наступає чергова форма руйнування, спостерігається стабілізація об’єму руйнування і мінімум на кривих залежності енергоємності руйнування від енергії удару. Після досягнення чергової форми руйнування на цих кривих спостерігається максимум енергоємності. При чому, кожен наступний мінімум і максимум менші за попередні.

З рис. 11.3 видно, при переході від першої форми руйнування до другої (U₁–U₂) спостерігається суттєве зростання зони руйнування. Подальше збільшення енергії від U₂ до U₂^’ не дає відчутної зміни об’єму лунки, і лише при U₁ > U₂^’ знову спостерігається зростання об’єму руйнування, пов’язане із появою проміжних форм руйнування в області U₂^’–U₃ . Формування третьої форми руйнування зумовлює стабілізацію об’єму руйнування (область U₃^’–U₄ ) і т.д.

Енергоємність руйнування породи прямо пропорційна енергії удару і обернено пропорційна об’єму руйнування:

. (11.12)

Рис. 11.3. − Графіки залежності питомої об’ємної роботи руйнування і об’єму лунки від енергії удару

Залежність A_V від U_к також показана на рис. 11.3, з якого видно, немонотонна зміна об’єму лунки зумовлює наявність мінімумів і максимумів на кривій енергоємності.

Із зростанням енергії удару кожен наступний мінімум максимум нижчий за попередні, тобто в цілому із збільшенням енергії удару спостерігається тенденція до зменшення енергоємності динамічного руйнування гірських порід.

Перший мінімум на кривій енергоємності відповідає утворенню другої форми руйнування. Другий мінімум відповідає утворенню третьої форми руйнування. Стабілізація об’єму руйнування після утворення другої і третьої форм руйнування спричинює появу максимумів на кривій енергоємності руйнування порід.

Характерну зміну енергоємності руйнування порід можна пояснити з точки зору енергетичних законів Ріттінгера і Кірпічова. Спостереження показали, що по мірі розвитку тієї чи іншої форми руйнування (області U₁–U₂ , U₂^’–U₃ , U₃^’–U₄ ) збільшується розмір уламків і зменшується відношення об’ємів дрібно роздробленої породи і великих уламків, тобто спостерігається зменшення дисперсності зруйнованої породи, що і є причиною зменшення енергоємності її руйнування. В областях стабілізації об’єму руйнування ( області U₂ –U₂^’ , U₃–U₃^’ ) із збільшенням енергії удару додаткова енергія витрачається на підвищення дисперсності зруйнованої породи без суттєвого збільшення загального об’єму руйнування. В цих областях енергоємність руйнування породи зростає. В цілому ж по мірі збільшення енергії удару має місце тенденція до зменшення дисперсності зруйнованої породи, що і є причиною загального зменшення енергоємності.

Вивчення енергоємності руйнування гірських порід показує, що при бурінні слід намагатися збільшити енергію кожного одиничного контакту елементів озброєння долота з породою. Цей напрям оптимізації процесу руйнування порід реалізується шляхом збільшенням підведеної до долота енергії і удосконаленням породоруйнуючих інструментів.