12.3 Методи і схеми вивчення зношування металів

при взаємодії з гірською породою

При вивченні абразивного зношування потрібно використовувати моделі процесів і визначати показники абразивності як характеристики цих моделей. Однак, сучасний стан вивченості цього питання не дозволяє виділити прості моделі і зобразити складніші процеси як комбінації простих моделей. Тому рекомендується показники абразивності порід визначати для груп однорідних процесів при їх моделюванні.

На сьогодні при лабораторному вивченні абразивного зношування металів при їх контакті з гірською породою застосовують такі основні схеми (рис. 12.1).

1 Схема буріння-різання (рис. 12.1, а). Цю схему використовували при вивченні абразивного зношування твердосплавних різців стосовно до роботи озброєння доліт ріжуче-сколюючого класу.

2 Схема свердління або стирання еталонних стержнів (рис. 12.1, б). Використовують виключно для оцінки абразивності гірських порід. Суть методу полягає у стиранні еталонного стержня при терті кручення об блоки породи при заданому режимі зношування.

3 Схема зношування на циліндричній поверхні керну (рис. 12.1, в). Розглянуті вище схеми не передбачають очищення зони контакту металу з гірською породою. Однак, засмічення поверхонь тертя продуктами зношування суттєво спотворює результати вимірювань. Саме тому була запропонована ця схема, котра передбачає безперервне оновлення поверхні тертя.

4 Схема зношування диску (кільця) (рис. 12.1, г). Суть методу полягає в тому, що зразок металу у вигляді диска зношується при терті ковзання по поверхні гірської породи. Обертання диска забезпечує циклічність взаємодії металу з породою. Зношування відбувається на спеціальній установці при неперервному охолодженні поверхні диска струменем охолоджуючого агента.

13 Буримість гірських порід

Буримість гірських порід – це їх здатність руйнуватися у вибійних умовах.

Буримість визначається сукупністю геологічних і техніко-технологічних факторів і характеризує витрати часу і коштів на руйнування порід при бурінні свердловин.

Основні геологічні фактори – літологічний склад, механічні властивості, неоднорідність гірських порід і пластовий тиск.

Основні техніко-технологічні фактори – тип бурової установки, спосіб буріння, тип породруйнуючого інструменту, режим буріння, властивості промивальної рідини. Суттєвим є і суб’єктивний фактор – кваліфікація бурової бригади.

Вивчення буримості гірських порід як комплексного показника потрібне для нормування бурових робіт і для розв’язання ряду технологічних задач.

Для оцінки буримості існує багато методів, які можна умовно розділити на дві групи:

1. за механічними і абразивними властивостями;

2. за технологічними показниками.

Перевагою першої групи є її незалежність від техніко-технологічних факторів, що дає змогу порівнювати властивості порід в розрізах різних родовищ, ефективно розповсюджувати позитивний досвід, набутий в різних регіонах тощо.

Проте, використання таких даних без урахування специфіки конкретних умов буріння може стати причиною помилкових висновків.

Оцінка буримості методами другої групи немає цього недоліку, однак має суто місцеве значення і не може використовуватися при зміні умов буріння (наприклад, на інших родовищах, при зміні типу доліт чи способу буріння).

До першої групи показників буримості відносять величини, обернені твердості за штампом, об’ємній енергоємності руйнування, абразивності тощо.

В ІФНТУНГ запропонували оцінювати буримість гірських порід за таким комплексним показником

, (13.1)

де р_ш – твердість породи за штампом;

к_пл – коефіцієнт пластичності;

а – абразивність.

До другої групи належать методи, в яких для оцінки буримості використовують або проходку а долото, або механічну швидкість буріння.

Проходка на долото (кількість метрів свердловини, пробурених одним долотом) є не дуже вдалим показником. По-перше, одним долотом можна розбурювати кілька пластів, з різними властивостями, а сумарна проходка не дасть об’єктивної характеристики буримості порід кожного з пластів. По-друге, для порівняння буримості за проходкою треба використовувати долота одного типорозміру.

З урахуванням того, що розрізи родовищ складені з порід, які дуже відрізняються між собою, для оцінки буримості використовують методи з використанням механічної швидкості буріння. Однак, швидкість буріння протягом одного довбання ( буріння за спуск одного долота) змінюється. Здебільшого на початку довбання (після обкатки долота) механічна швидкість найбільша; потягом довбання вона зменшується і може дійти до нуля.

Однією з пропозицій для оцінки буримості є використовувати початкову механічну швидкість. Але в документації про хід буріння вказують середню механічну швидкість. Тому ряд авторів використовують саме цей показник буріння, хоча його значення може змінюватися залежно від тривалості довбання.

Названі критерії, крім цього, не враховують режимних параметрів. Тому було запропоновано оцінювати буримість за один оберт долота на одиницю осьового навантаження, витратами роботи на одиницю об’єму свердловини, найбільшою механічною швидкістю при оптимальних умовах руйнування.

Є також методи, які ґрунтуються на моделюванні процесу буріння мікродолотами, абразивними кругами тощо. Однак, цей напрям не отримав широкого розповсюдження.

Саме тому в кожній галузі гірничої справи є своя класифікація гірських порід за буримістю.

Незважаючи на відсутність універсального методу оцінки буримості, є загальні закономірності її зміни під впливом факторів, що визначають умови буріння. Їх можна поділити на дві групи: фактори, що не регулюються (природні), і регульовані (технічні і технологічні).

До першої групи відносять: гірський тиск як функція глибини с свердловини, пластовий (поровий) тиск, пористість, тріщинуватість, проникність, фізико-хімічні властивості порід, температура, властивості пластового флюїду.

До регульованих факторів належать: тип породруйнуючого інструменту, спосіб буріння, режимні параметри. До режимних параметрів, що регулюються протягом одного довбання належать навантаження на долото, швидкість його обертання, параметри промивальної рідини (густина, умовна в’язкість, вміст твердої фази, фільтрація), швидкість її руху).

Розглянемо вплив цих параметрів на буримість порід шарошковим долотом.

Вплив навантаження на долото слід розглядати з точки зору контактних тисків при втискуванні долота у вибій. На рис. 13.1 показано залежність механічної швидкості буріння від навантаження при незмінності інших режимних параметрів. На графіку можна умовно виділити чотири зони. Перша зона ( точки 0−1) − це зона лінійної залежності через те, що контактні тиски дуже малі і режим руйнування поверхневий. Для другої зони (точки 1−2) характерна ступенева залежність з показником ступеню більшим за одиницю (V_м зростає швидше, ніж Р_д), коли має місце втомний режим руйнування. Починаючи з т.2 (третя зона) контактні тиски стають настільки великими, що відбувається об’ємне руйнування породи.

Щодо четвертої зони, то її називають зоною недостатнього очищення вибою. Зростання механічної швидкості буріння призводить до утворення такої кількості зруйнованої породи, що задана витрата бурового розчину не забезпечує ефективного очищення вибою від шламу, утвореного при попередніх циклах руйнування. Відбувається повторне подрібнення вже зруйнованої породи, дрібні уламки запресовуються між зубцями долота тощо. Все це спочатку сповільнює приріст швидкості буріння, а поті може і знизити її.

Слід відзначити, що виділення зон певних режимів руйнування дуже умовний. Практично при буд-якому навантаженні мають місце усі режими, однак частка того, яким названа кожна із зон, є найбільшою.

Якщо витрату бурового розчину збільшити, умови очищення вибою покращаться і зона об’ємного руйнування ( точки 2 − 3) збільшиться ( точки 3 − 4), однак із подальшим зростанням осьового навантаження швидкість руйнування породи впаде. Із збільшенням швидкості обертання долота зростає кількість ударів зубців шарошкового долота по вибою і кінетична енергія кожного удару. Це є причиною зростання механічної швидкості буріння.

Якщо експеримент повторити при більшій швидкості обертання долота, то відмічені закономірності збережуться, але перехід з однієї зони руйнування в іншу відбудеться при менших осьових навантаженнях ( крива 2, точки 1`−2`−3`) .

Розглянемо експеримент, коли зростає швидкість обертання долота при незмінних інших режимних параметрах (рис 13.2).

Рисунок 13.2 − Залежність механічної швидкості буріння від швидкості обертання долота

Однак, є ще один фактор, який проявляє себе при високих швидкостях обертання − часовий фактор. Справа в тім, що із збільшенням швидкості обертання долота і, відповідно, його шарошок, час контакту зуба долота з породою зменшується. Для кожної породи існує свій критичний час контакту, необхідний для того, щоб вся енергія удару була реалізована для деформації і руйнування породи. Якщо час контакту зуба з породою, визначений конструктивними особливостями долота і швидкістю його обертання, менший за критичний, то на руйнування реалізується лише частина підведеної енергії, і механічна швидкість буріння зменшується.

Із збільшенням витрати бурового розчину механічна швидкість буріння спочатку зростає до певної величини, а потім стабілізується ( рис. 13.3, крива 1). Це пояснюється тим, що при достатній витраті розчину уся зруйнована порода миттєво вилучається із зони руйнування.

Викладене вище справедливо для експерименту на стенді, де над вибоєм немає гідростатичного тиску стовпа рідини. Із збільшенням продуктивності бурових насосів гідродинамічна складова буде зростати, збільшуючи пригнічуючий тиск на вибій, а швидкість буріння, відповідно, зменшуватися ( лінія 2).

Рисунок 13.3 − Залежність механічної швидкості буріння від швидкості обертання долота

Але у свердловині тиск на вибій складається з двох складових: гідростатичної і гідродинамічної. Із збільшенням продуктивності бурових насосів гідродинамічна складова буде зростати, збільшуючи пригнічуючий тиск на вибій, а швидкість буріння, відповідно, зменшуватися ( лінія 2).

Розглянемо такий експеримент: при постійній витраті бурового розчину збільшують швидкість витікання рідини з промивальних отворів долота за рахунок зменшення їх діаметра. При цьому швидкість буріння зросте за рахунок гідромоніторної дії долота: високошвидкісний струмінь промивальної рідини при ударі об вибій створює додатковий гідродинамічний тиск. Якщо його величина більша за твердість породи, то можливе руйнування останньої без контакту з озброєнням долота. В будь-якому випадку, гідромоніторний ефект сприяє швидшому розкриттю тріщин і руйнуванню породи.

Як видно з вище викладеного, на буримість породи впливає цілий ряд факторів, що діють одночасно і взаємопов’язано. Звідси зрозумілі труднощі об’єктивної і однозначно точної оцінки показника буримості.

Розглянемо один з найперспективніших методів визначення інтервалів однакової буримості. Суть його полягає у тому, що за результатами буріння, а саме – за даними карток відробки доліт, будуються графіки буріння свердловини в координатах “ глибина свердловини − час механічного буріння ”. На цих графіках виділяються характерні ділянки, на яких нахил кривої стосовно осей координат є відносно незмінним. Тангенс кута нахилу на графіку пропорційний середній за рейс механічній швидкості буріння. Таким чином, виділені ділянки є інтервалами приблизно рівних швидкостей буріння. Для виділення певного інтервалу в літологічному розрізі потрібно ідентифікувати його в декількох свердловинах, причому це слід робити не за абсолютними значеннями механічної швидкості, а за характером її зміни (з меншої на більшу чи навпаки).