книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

примыкающей к поверхности, во всех случаях имеется небольшая по толщине (в сравнении со всем пограничным слоем) зона, где движение носит явно ламинарный характер. Эта зона называется ламинарным подслоем турбулентного пограничного слоя.

Наличие пограничного слоя предотвращает непосредственный контакт свободного газового потока с поверхностью, благодаря ■чему всякий перепад температуры между разрушаемой поверхно­ стью и газом распределяется по всей тол­ щине слоя. Теплопроводность погранич­ ного слоя определяет количество прихо­ дящегося на единицу разности темпера­ тур тепла, переносимого от свободного потока к разрушаемой поверхности. Для вынужденной конвекции это количество тепла характеризуется коэффициентом

конвективной теплоотдачи а.

При подходе струи, к разрушаемой по­ верхности с переходом параметров газа через прямой скачок уплотнения имеет место минимальная отдача тепла от газо­ вой струи к породе на участке ее тер­ мического разрушения [76]. Газовая струя обеспечивает эффективное разрушение горной породы на значительных расстоя­ ниях от среза сопла в том случае, если она направлена на поверхность породы под острым углом и обтекает ее с боль­ шой скоростью. Это подтверждено прак­ тикой термической резки и обработки искусственных и минеральных сред.

Теоретические исследования струй, по­ лучаемых при истечении!! газа из сопла воздушно-реактивной горелки, показыва­ ют, что угол встречи, обеспечивающий от­

сутствие прямого скачка в струе перед разрушаемой поверхностью, колеблется от 23 до 30°. При этом на значительном расстоянии вдоль разрушаемой поверхности сохраняется сверхзвуковое течение газовой струи.

Практически при бурении и разбуривании скважин часть газо­ вой струи всегда будет работать на режиме прямого скачка уплот­ нения. Поэтому более интенсивный теплообмен на границе газ— порода может быть обеспечен при нарушении ударной волны и

.пограничного слоя твердыми частицами, введенными в газовый поток.

Рассмотрим схему механизма влияния твердой фазы на интен­ сивность теплообмена (см. рис.- 25). На дозвуковом, звуковом и в начале сверхзвукового участка сопла число Маха твердой фазы ,МТ< 1 и интенсивность возмущений от частиц небольшая. Далее,

на сверхзвуковом участке скорость обтекания крупных частиц уве­ личивается (вследствие отставания частиц от газа) и становится сверхзвуковой; перед частицами возникают отошедшие скачки уплотнения, переходящие в линии Маха и постепенно, на некото­ ром удалении от частиц, вырождаются, а за частицей вытягива­ ется аэродинамический след. По мере движения газа по соплу длина следа увеличивается, причем вершина следа движется со скоростью частицы, а хвост — со скоростью газа.

За каждым микроскачком уплотнения давление выше, чем дав­ ление в окружающем потоке: наибольшее давление — перед самой частицей, с удалением от частицы давление падает и сравнивается

сдавлением невозмущенного потока.

Врассмотренных условиях диаметр аэродинамического следа

иего длина значительно превышают диаметр частицы, а течение

вследе является турбулентным. В какой-то момент времени хвост следа достигает ударной волны и вызывает ее искажение: сначала возникает «бугор», который по мере приближения частицы увели­ чивается и вытягивается в конус. Из области высокого давления за

скачком уплотнения газ по горловине следа распространяется вверх по течению, образуя турбулентную зону и вызывая оттесне­ ние линий тока во внешнем потоке. В момент, когда частица дости­ гает вершины конуса, последний начинает исчезать со скоростью движения частицы (или с несколько меньшей скоростью).

В скачке уплотнения твердые частицы вследствие инерционно­ сти не успевают затормозиться вместе с газом, а поэтому в удар­ ном слое их скорость больше скорости газа; обтекание частиц мо­ жет быть сверхзвуковым.

При сверхзвуковом обтекании частиц перед ними садится мик­ роскачок уплотнения, а за частицей вытягивается след; «усы» мик­ роскачка и след всегда направлены в сторону сопла.

Появление следов и микроскачков приводит к турбулизации ударного слоя и, как следствие, интенсификации теплообмена на границе газ—порода.

После соударения с разрушаемой поверхностью твердые ча­ стицы отлетают и способны вызывать искажения скачка уплотне­ ния по рассмотренной выше схеме. Точно установить влияние от­ летающих частиц трудно; ориентировочно можно предположить, что отлетающие частицы вызывают до 25—50% возмущений скачка.

Таким образом, воздействие твердых частиц на пограничный слой с целью его разрушения является одним из способов интен­ сификации конвективного теплообмена, в котором участвует га­ зовая среда с малыми величинами коэффициента теплоотдачи.

Теперь рассмотрим процессы, происходящие при ударе твер­ дой фазы о разрушаемую поверхность. Разрушение поверхности преграды (забоя скважины, образца) ударяющейся о нее твердой фазой есть результат сложных процессов, происходящих в зоне

контакта во время соударения. Изучение удара даже двух одно­ родных тел сопряжено с огромными трудностями. Точного решения, этой задачи нет до сих пор, хотя проблеме удара посвящены мно­

К ним, в частности, относятся колебания соударяющихся тел, пла­ стические и упругие деформации в зоне контакта, разогрев и из­ менение свойств материала соударяющихся тел в зоне контакта,, силовые соотношения при ударе.

В опубликованных работах рассматривались задачи инженер­ ного или технологического характера. Это определило и выбор ус­ ловий соударения: удар тяжелого тела о горизонтальную балку при падении его с относительно небольшой высоты, отсутствие пласти­ ческих деформаций в зоне контакта, малые скорости соударения..

При изучении разрушения горных пород сверхзвуковым двух­ фазным потоком перечисленные трудности неизмеримо возрастают по следующим причинам:

скорости соударения достигают 200—400 м/с; процесс удара усложняется явлениями аэродинамического ха­

рактера, возникающими у поверхности забоя при резком торможе­ нии сверхзвукового двухфазного потока;

анизотропность горной породы; в процессе удара крупные твердые частицы дробятся;

некоторые твердые частицы являются режущими элементами,, округление рабочих граней которых неопределенно;

особенности пластических и упругих деформаций горной по­ роды со скоростью удара 200—400 м/с изучены мало;

явления в микрообъемах сложны и мало изучены.

При ударе твердой фазы о поверхность забоя происходит раз­ рушение поверхностного слоя горной породы и самой твердой фазы. От соотношения затрат энергий зависит эффект разрушения по­ верхности. При этом должна быть учтена доля кинетической энер­ гии твердой фазы или ее осколков, разлетающихся после удара вследствие рикошетирования.

Можно ожидать, что при ударе твердой фазы о разрушаемую поверхность значительная часть энергии будет израсходована на разрушение породы. При этом следует учитывать нормальную составляющую силы удара.

По физической сущности методы разрушения тел раздавли­ ванием или ударом некоторыми исследователями считаются близкими друг к другу. Можно представить раздавливание как

что при раздавливании упругие и пластические деформации рас­ пространяются на значительную глубину, возможность проскаль­ зывания, как правило, исключается. При быстром ударе этого не происходит.

При разрушении горной породы раздавливанием появляются наружные и внутренние трещины. Появление трещин плоскостей излома не может привести к разрушению горной породы, так как отдельные частицы ее, опираясь друг на друга, не рассыпаются. При дальнейшем повышении напряжений внутри горной породы накапливается энергия, приводящая к полному разрушению ее и к значительному измельчению напряженного материала.

Если напряжение в породе не достигнет разрушающего значе­ ния, то работа, затрачиваемая на создание упругих деформаций и снятие их, теряется непроизводительно.

При раздавливании для большинства горных пород и минера­

где Е — модуль упругости, Н/м2.

Учитывая, что разрушение хрупкого тела наступает без появ­ ления пластических деформаций, по выражению (8) можно опре­ делить количество энергии, затрачиваемой при разрушении тела.

Разрушающее напряжение

(59

где Рт — сила, приложенная к телу и вызывающая его разрушение, H; F — площадь поперечного сечения тела, м2.

Значения ор и Е не могут быть названы достаточно точно. Для твердой фазы значения ор и Е отличаются еще большей неопре­ деленностью, причем разрушающее напряжение зависит от размера твердой фазы. Рассматривая удельные затраты энергии на дроб­ ление хрупких тел, следует иметь в виду, что разрушение воз­ можно только тогда, когда разрушающее напряжение будет соз­ дано не только в зоне контакта, но и во всем теле.

Развитие деформаций начинается с зоны контакта и при на­ растании действующего усилия распространяется на всю твердую частицу. От условий соударения зависит отношение сил, действую­ щих на твердую частицу, а следовательно, и величина ее разруше­ ния, которая, кроме того, зависит от прочности частиц. Возможны такие случаи, когда разрушенным окажется только небольшой объем частицы в зоне контакта и в непосредственной близости от нее. Относительно более полное дробление всех частиц возможно только при углах встречи, равных 90°. Точному расчету процессы дробления частиц не поддаются. Теория Герца не применима ввиду большой разницы в форме частиц и шара, различия в скорости движения частиц, явлений рикошетирования, скольжения, враще­ ния частиц при соударении, пластической деформации разрушае­ мой поверхности и отделения от нее чешуек. Последнее обстоя­ тельство приближает процессы разрушения к процессам резания и шлифования металлов.

В работе [68] описана теория шлифования металлов, в основу которой положены процессы микрорезания. Важным в работе яв­ ляется доказательство того, что для отделения стружки при реза­ нии необходимы вполне определенные условия. Передний угол ре­ зания должен быть не более 60°, в противном случае отделение стружки невозможно. Соотношение сил, прижимающих режущий элемент к поверхности изделия и перемещающих его вдоль поверх­ ности, должно быть вполне определенным.

Экспериментальными исследованиями установлено, что при взаимодействии сверхзвукового двухфазного потока с разрушае­ мой поверхностью твердая фаза является режущим элементом, осуществляющим разрушение при определенных условиях.

Энергетический баланс процесса разрушения горной породы. На разрушение горной породы сверхзвуковым двухфазным пото­ ком затрачиваются:

1)тепловая энергия сверхзвуковой газовой струи;

2)кинетическая энергия твердой фазы и газовой струн. Величина кинетической энергии твердой фазы определяется

скоростью ее в момент достижения поверхности разрушения. Теп­ ловая энергия и кинетическая энергия твердой и газовой фаз явля­ ются основными частями в энергетическом балансе процесса раз­

являющиеся источниками дополнительной энергии, расходуемой на разрушение поверхностного слоя породы:

1) аэродинамическая сила, приложенная к твердой фазе, до­ стигшей преграды. Мгновенно нарастающая относительная ско­ рость газа (относительно остановившейся твердой фазы) вызывает появление аэродинамической силы, стремящейся увлечь твердую фазу и тем самым способствующей усилению воздействия твердой фазы на разрушаемую поверхность;

2) химическая энергия горючих составных частей твердой фазы (при использовании в качестве.твердой фазы термитного порошка), освобождаемая в процессе горения и идущая на повышение темпе­ ратуры частицы и разрушаемой поверхности в зоне контакта. Не исключена возможность разогрева микрообъема разрушаемой поверхности до температуры плавления, что еще в большей сте­ пени способствует интенсификации процесса разрушения поверх­ ности породы.

Процесс разрушения породы при воздействии на нее сверхзву­ кового двухфазного потока можно представить следующим обра­ зом. В результате интенсивного нагрева поверхности породы воз­ буждаются большие тепловые потоки, направленные в глубину среды. При этом в тонком поверхностном слое породы, прилежа­ щем к пятну растекания, возникают сжимающие напряжения, ве­ личина которых во времени большая, чем при воздействии газо­ вого потока. Это объясняется тем, что твердая фаза в газовом по­

токе способствует турбулизации пограничного слоя у разрушаемой поверхности, что в свою очередь ведет к повышению коэффициента теплоотдачи от газа к породе, и, как следствие,— интенсификации процесса разрушения.

Хрупкое разрушение породы происходит вследствие потери устойчивости в поверхностном слое. В момент потери устойчивости на границе слоя возникают значительные растягивающие и ска­ лывающие напряжения. Решающую роль в создании термических •напряжений играет тепловая энергия газовой фазы.

му при наличии нормальных тре­ щин шелушение породы происходит только на отдельных небольших

участках облучаемой поверхности, между соседними нормальными трещинами. При этих условиях чешуйки получаются мелкими и ин­ тенсивность работы горелки снижается.

Указанные неблагоприятные условия для разрушения горной по­ роды устраняются благодаря динамическому (ударному) воздейст­ вию твердой фазы; при этом участки поверхности породы с нор­ мальными микротрещинами разрушаются быстрее и продукты раз­ рушения выносятся газовой струей, появляется обнаженная по­ верхность породы, которая подвергается дальнейшему воздействию потока (рис. 26, а, б, в).

При разрушении горных пород, в состав которых входят мине­ ралы с низким коэффициентом теплоусвоения (биотит, роговая обманка составляют 20% объема), роль твердой фазы иная: га­ зовая фаза с повышенной температурой при воздействии на породу понижает ее прочностные характеристики, а твердая фаза, являясь режущим элементом (при угле встречи потока с поверхностью меньше 9Q°), по-видимому, играет решающую роль в процессе разрушения (рис. 26,а).

При воздействии сверхзвукового двухфазного потока на горные породы, в которых содержание минералов с низким коэффициен­ том теплоусвоения 9% и более (граниты, гранодиориты), послед­ ние разрушаются хрупко в более широком диапазоне параметров теплового воздействия (температуры теплоносителя) по сравнению с однофазным потоком, повышение температуры не приводит к плавлению породы — этому препятствует динамическое воздейст­ вие твердой фазы.

Разрушение поверхности горной породы твердой фазой сопро­ вождается затратами энергии на:

1) упругое деформирование поверхностных слоев породы; израс­ ходованная часть кинетической энергии твердой фазы переходит в упругие колебания породы и со временем полностью расходуется на возбуждение звуковых колебаний прилегающих слоев и на не­ значительный нагрев породы, подвергающейся разрушению;

2)пластическое деформирование поверхностного слоя породы, предшествующее началу врезания твердой фазы в породу;

3)разогрев твердой фазы и микрообъема породы в зоне их кон­

такта;

4)отделение чешуйки породы (при отсутствии плавления по­

роды);

5)сообщение ускорения отделившейся чешуйке;

6)сообщение вращательного движения твердой фазе, ударив­

шейся о породу одним из своих выступов и получившей враща­ тельный импульс;

7)дробление твердой фазы;

8)создание упругих колебаний твердой фазы.

После удара о поверхность породы рикошетирующая твердая фаза, двигающаяся с большой скоростью, обладает некоторым запасом кинетической энергии, который должен быть учтен как остаток. Доля затрат энергии на производство каждого из пере­ численных воздействий не будет постоянной для каждой из частиц.

Основное влияние на результаты удара оказывают: угол встречи, прочность и структура твердой фазы, радиус округления вершин, положение твердой фазы относительно разрушаемой по­ верхности в момент удара.

Особенности воздействия твердой фазы на разрушаемую по­ верхность. Угол встречи оказывает влияние на разрушение породы за счет изменения удельно.й нагрузки на единицу площади, подвер­ гающейся разрушению, и 'Соотношения сил, прижимающих режу­ щий элемент (частицу) к поверхности Pz и перемещающих его вдоль поверхности разрушения Рх.

Опытные данные показывают, что увеличение сил Pz и Рх прак­ тически прямо пропорционально толщине снимаемого слоя.

Допустим, что сверхзвуковой двухфазный поток выходит из сопла и направляется на установленную перед ним разрушаемую поверхность, угол установки которой может изменяться в преде­ лах, обеспечивающих изменение угла встречи ср от 90° до 0°. До-

пустим далее, что весовая концентрация твердой фазы в потоке’ рт постоянна по всему сечению струи. Тогда удельная нагрузка на разрушаемую поверхность образца

IFT— скорость твердой фазы на выходе из сопла, м/с; цт — весовая концентрация твердой фазы в потоке, Н/м3.

Из формулы (60) следует, что при изменении угла наклона разрушаемой поверхности, а следовательно, и угла встречи ср, удельная нагрузка изменяется прямо пропорционально синусу угла встречи.

Максимальное значение удельной нагрузки соответствует углу встречи, равному 90°, минимальное — углу встречи, равному 0°. Однако это еще не означает, что при ср = 90° разрушение будет максимальным. Опыты показали, что максимальное разрушение получается при угле встречи ср = 30°, когда s i n c p = 0,5, т. е. при вдвое меньшей удельной нагрузке, чем при ср = 90°. Это определя­ ется зависимостью эффективности разрушения от степени исполь­ зования кинетической энергии твердой фазы.

Переходя к оценке эффективности удара, заметим, что в раз­ личных вариантах могут встретиться такие сочетания:

1. Фактическое значение силы Pz больше того значения, кото­

2.Фактическое значение Рх соответствует тому значению, кото­ рое отвечает величине Рх и данному значению Чг.

3.Фактическое значение Pz меньше того значения, которое соот­ ветствует силе Рх и данному значению угла XF.

Впервом случае резание невозможно — глубокое врезание частицы в-породу при недостаточной силе Рх приведет к тому, что отделение чешуйки окажется невозможным. Если разрушение будет,

то только в результате вертикального скалывания незначительных объемов его.

Во втором случае в первый момент существуют идеальные усло­ вия резания. Продолжительность и эффект этого процесса зависят от запаса кинетической энергии твердой частицы, ее прочности и состояния режущей кромки.

В третьем случае эффект разрушения зависит от величины силы Рх. Избыток Рх приведет к тому, что частица будет выброшена из лунки до того, как она израсходует запас кинетической энергии.

Исходя из этого, эффективность разрушения твердой фазой определяется суммой теоретических микрообъемов породы, кото­ рые могут быть сняты при заданных значениях Pz и Рх и данном угле ЧЕ Сейчас становится ясным, что максимум разрушения при