книги из ГПНТБ / Арцимович, Г. В. Влияние забойных условий и режима бурения на эффективность проходки глубоких скважин

Рис. 29. Механизм разрушения упруго-пластической породы при наличии гидростатического дав­ ления.

на рис. 27, а энергоемкость процесса разрушения возрастет почти в 35 раз. При этом твердость увеличилась всего в 1,8 раза.

получается растянутым во времени. После извлечения образ­

ца из камеры высокого давления обнаружено, что биконическая

кольцевая крышка не выброшена из зоны разрушения, а лишь

слегка приподнята. Поверхность крышки разбивается, как

правило, радиальными трещинами. Обычно насчитывается от

трех, до пяти трещин. Осторожное снятие отдельных секторов крышки и анализ состояния зоны разрушения позволили

установить (рис. 28), что образовавшееся при вдавливании уп­

лотненное ядро при последующем перемещении штампа на За­ ключительном этапе переформировывается. Можно полагать, что здесь происходит следующее. За счет бокового распора уплотненного ядра в окружающей его ненарушенной породе образуются начальные трещины. Однако их развитию мешает

гидростатическое давление, прижимающее «крышку» А к за­ бою. Штамп внедряется в уплотненное ядро, раздавливает его

и запрессовывает разработанный материал в устья трещин.

Расклинивающие действия материала содействуют дальней­ шему распространению трещин. Процесс заканчивается тогда,

52

Из описания данного явления следует, что, несмотря на

малую энергоемкость заключительной фазы процесса в атмо­

сферных условиях, наличие гидростатического давления угне­

тает его и делает отделение биконической крышки весьма за­

трудненным.

Для пород с высокой проницаемостью эффект будет незна­

чительным, поскольку именно величина перепада между гидро­

статическим и пластовым давлением определяет степень упроч­ нения. Следует отметить также, что наличие на забое глинис­ той корки увеличивает перепад давления и снижает эффек­

тивность процесса разрушения пород с высокой проницае­

мостью. В то же время для пород с низкой проницаемостью этот момент несуществен. В практике бурения известно, что

замена глинистого раствора водой способствует росту меха­

нических скоростей бурения в проницаемых породах. Это

происходит как вследствие снижения абсолютной величины

гидростатического давления, так и в результате перепада на

ния давлений, действующих по обе стороны биконической

крышки, а также способы снижения гидростатического давления

на забой скважины за счет создания автономных полостей в призабойной зоне.

Следует подчеркнуть, что полученные закономерности как по самому механизму разрушения, так и по характеру его из­ менения в забойных условиях правомерно распространять на те технологические схемы разрушения горных пород, в которых преобладает вдавливание по нормали к поверхности. Сюда в первую очередь относятся гидро- и пневмоударное, а также шарошечное бурение. В то же время есть основания пола­

гать, что при разрушении резанием влияние забойных условий

будет менее значительным. Это подтверждено эксперименталь­ ными работами, выполненными в СССР и за рубежом [59]. Следовательно, одним из важных направлений дальнейшего повышения эффективности проходки глубоких скважин яв­

ляется создание высокопроизводительных долот режущего и истирающе-рвяжущего типов. Главными причинами, сдерживаю­

щими широкое применение долот этого тина в практике, явля­ ется высокая моментоемкость и низкая износостойкость. А если учесть, что основной способ проходки скважины в нашей стране

турбинный, то станет понятен удельный вес породораз­

рушающего инструмента этого типа в общем объеме про­

ходки.

53

§6. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РАЗРУШЕНИЯ

ВУГЛАХ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ *

Экспериментальные исследования, о которых говорилось

выше, относятся к внедрению инденторов с плоским основа­

нием в ровную поверхность. Однако забой имеет особый учас­

ток, на процесс разрушения которого оказывает влияние

близкое соседство стенки скважины. Есть несколько работ,

в которых сделаны попытки оценить влияние стенки сква­

теоретического анализа напряженного состояния угловой зоны

скважины при вдавливании прямоугольного профиля. Эк­

спериментальные исследования механизма развития процесса

деформации на этом участке забоя скважины до сих пор не про­

водились. Выполнение таких экспериментов позволяет выяс­

нить особенности процесса разрушения в углах скважины и сде­

лать необходимые практические выводы. Для этой , цели были

ления 1 мм производилось по трем схемам в различной после­ довательности. Одна серия экспериментов выполнялась при внедрении пуансона перпендикулярно линии А Б (см. рис.30, а),

т. е. так, как обычно внедряется элемент инструмента режущего

54

1+-

Рис. 31. Трещинообразные при вдавливании.

массива под углом 24—30° к горизонту (см. рис. 31, 2). После раздавливания усеченного конуса радиально развивается вер­ тикальная трещина (см. рис. 31, 3), которая распространяется в глубь массива к стенке скважины до тех пор, пока не встре­

тится с конусной трещиной, останавливающей ее дальней­

шее развитие. Энергоемкость процесса разрушения при вдав­ ливании у стенки скважины на 30—40% больше, чем на ров­

ной поверхности. Можно полагать, что с ростом глубины

скважины, а следовательно, и горного давления энергоемкость процесса в угловой части будет возрастать. Это связано с тем, что увеличивающееся горное давление будет препятствовать развитию конусной трещины, уходящей в массив от угла скважины. На рис. 31, б показана схема трещинообразова-

ния при тангенциальном вдавливании. В данном случае на пер­ вом этапе от угла скважины в глубь массива уходит кониче­

ская трещина (см. рис. 31,2') под углом 24—28° к горизонту.

55

вертикальными трещинами (см. рис. 31, в, 3'). Вертикальные

трещины от радиальных лезвий (см. рис. 31, в, 3) будут экрани­

роваться тангенциальными вертикальными трещинами от рас­ пространения в глубь массива. Эффективность данного прин­

ципа проверена при создании породоразрушающего инстру­

мента для ударно-вращательного бурения [53]. Из шарошечных долот к реализации этой идеи близки долота с Т-образным зубом, но конструкцию следует улучшить для более полного

изучения, поскольку область, прилегающая к ней, характери­

зуется высокими сжимающими напряжениями. Следует ожи­

дать, что эта часть забоя наиболее тяжела для разрушения.

Эта мысль подтверждается работами [54, 55 и др.]. Исследо­ вание отработанного породоразрушающего инструмента пока­ зывает, что в периферийной части площадки затупления растут

значительно быстрее, чем увеличивается радиус долота. Эта

также свидетельствует в пользу высказанного предположения.

Для выяснения закономерностей изменения энергоемкости

процесса разрушения в зависимости от близости стенки сква­

(диаметр около 3 мм) по линиям, находящимся на различных расстояниях от угла.

Первая линия располагалась так, что образующая цилин­

дрической поверхности штампа касалась стенки уступа. После­ дующие линии отстояли от первой с интервалом в 1,5 мм. В табл.8 приведены соответствующие экспериментальные данные.

56

проводились испытания, прямолинейную, оылн проведены до­

полнительные опыты на образцах песчаника цилиндрической

но с предположением, что при выбуривании кольцевой канав­ ки существенно нарушалась прочность поверхности забоя. Ис­ следовались песчаники двух разновидностей (серый — Донбасс,

счет уменьшения площади, что приводит к резкому увеличению

удельной объемной работы разрушения (вдвое).

4. Поверхность забоя под действием резца при выбурива­ нии кольцевой канавки разупрочняегся. Этим объясняется

самая низкая энергоемкость разрушения при вдавливании в

данной области.

Полученные материалы свидетельствуют, что теоретические предположения [60] подтвердились. Действительно, с точки зре-

57

ния разрушения указанный участок забоя скважины явля­ ется особым и требует к себе специального подхода при созда­

нии породоразрушающего инструмента. Однако до сих пор при конструировании буровых долот этому не уделяется должного

внимания.

§ 7. ВЗАИМОВЛИЯНИЕ ЗОН РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ВДАВЛИВАНИИ

Вопрос о взаимовлиянии зон разрушения очень важен, потому что, только зная закономерности этого явления, можно обоснованно проектировать рабочие поверхности породораз­ рушающего инструмента. Вслед за В. С. Федоровым [61] изучению данного вопроса посвящено много работ [62 и др.].

Отправной момент при постановке исследований — достоверно

установленный факт, что объем зоны разрушения при вдавлива­

нии значительно превосходит объем внедрившейся части индентора. В этой связи возникает необходимость установления ра­

ционального расстояния между соседними поражениями забоя

породоразрушающими элементами долота для обеспечения

минимальной энергоемкости и максимальной производитель­

ности бурового процесса.

Наши исследования посвящены следующим аспектам этой

большой проблемы: исследованию механизма взаимодействия зон разрушения, выбору рациональной схемы поражения забоя,

определению силовых характеристик при вдавливании группы

штампов одновременно и каждого в отдельности. Эксперименты проводились на стекле и коелгинском мраморе в атмосферных условиях. На стекле изучался механизм взаимодействия конус­ ных трещин, на мраморе исследовались количественные зави­ симости. Для фиксирования характера трещинообразования в

ториям сг2 (заштрихованная область). Отмечено наличие трех изо­

58

из них. С уменьшением этого расстояния объем зоны разруше­

Интересный материал был получен при наблюдениях за характером встречи конусных трещин. Добиться одновремен­ ного роста обеих трещин с одинаковыми скоростями оказалось невозможным: одна из них всегда опережала другую. Поэтому

в момент встречи одна из конусных трещин уже находилась на

большей глубине. Как только край более поздней трещины соприкасался с поверхностью ранней, распространение пер­

вой прекращалось. Мгновенно замыкались сферические тре­

угольники, объединяя две отдельные конические поверхности в новую общую седлообразную (рис. 33). Как правило, даль­

нейшее развитие в этой зоне более ранней трещины прекраща­ лось. Из рис. 33 видно также, что люминофор препятствует смыканию трещины после снятия нагрузки.

59