книги из ГПНТБ / Воздвиженский Б.И. Физико-механические свойства горных пород и влияние их на эффективность бурения

В ЦНИГРИ был выполнен большой объем исследований по уста­ новлению корреляционных связей между динамической прочностью и механической скоростью бурения. При вращательном бурении алмазными, твердосплавными и дробовыми коронками, а также при ударно-вращательном бурении с применением гидро- и пневмоударников эта связь выражается зависимостью типа

где В „ и а„ — постоянные коэффициенты для данного инструмента при постоянной абразивности пород.

Однако корреляционные связи vM с FA не обеспечивают достаточ­ ной тбчности. Например, коэффициент корреляции этой зависимости

противлением одноосному сжатию, а также показателем дробимости

ционная связь механической скорости бурения наблюдается с ка­

Например, многие исследователи на основании фактических дан­ ных показывают, 'что буримость известняка, мрамора и гранита ударно-поворотным и ударно-вращательным способами имеют близ­ кие значения. Ни динамической прочностью, ни дробимостью пород подобный факт не может быть объяснен (данные FA и Vmax известняка и гранита резко отличны), тогда как удельная энергоемкость их разрушения Аэи близка и находится в пределах 0,6—1,0 кгс-м/см3 .

Сопоставление зависимостей изменения средней механической скорости бурения скважин от FA, Vmax и Аэи было произведено на

основе показателей бурения гидроударными механизмами Г-ЗА. Чтобы избежать большой ошибки, вносимой износом инструмента и уменьшением-за счет его механической скорости бурения, данные были объединены в две группы: первая — интервалы проходки до

Изменение буримости от динамической прочности пород уже позволяет довольно грубо выявить существование обратно пропорцио­ нальной зависимости. Но точность ее выражения недостаточна для практического применения (рис. 34, б).

Изменение буримости от удельной энергоемкости разрушения показывает, что между ними существует зависимость гиперболиче­ ского вида (рис. 34, в). Для конкретных буровых механизмов и па­ раметров режима бурения можно ее определить и практически использовать.

Коэффициент удельной энергоемкости разрушения позволяет с большой достоверностью судить о буримости пород гидроударни­ ками, так как при его определении учитываются усталостные раз­ рушения, отсутствует передробление продуктов разрушения, и весь образец породы подвергается разрушению.

§ 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СВОЙСТВ ПОРОД

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СКОРОСТИ БУРЕНИЯ

Между механической скоростью бурения и каким-либо показате­ лем механических свойств горных пород при постоянных параметрах режима бурения существуют корреляционные связи, однако раз­

от фактических. В связи с этим исследователи ищут пути использо­ вания одновременно нескольких показателей для расчета ожидаемой механической скорости бурения.

В настоящее время известны три основных направления в одно­

1) на основании анализа сил, действующих на резец; 2) с помощью эмпирических формул зависимости ум от некоторых показателей свойств пород; З)- предварительное нахождение объединенного пока­ зателя физико-механических свойств пород и установление корре­

вания и др.). Однако сложность вычисления и в большинстве слу­ чаев неудачный выбор показателей физико-механических свойств пород обусловили ограниченность применения предложенных фор­ мул.

Е. Ф. Эпштейн [241] для определения ум при разрушении пород резанием предложил использовать твердость, абразивность п ко­

породы разрушению при бурении. Однако метод определения твер­ дости пород, предложенный Е. Ф. Эпштейном, имеет существенные недостатки. Нельзя также отождествлять твердость с глубиной внед­ рения индентора, поскольку физическая сущность этих двух пока­

физико-механических свойств горных пород и, кроме того, здесь необоснованно произведено их объединение. На точность результатов

бурения достаточно знать их твердость рш (только при рш = 0,05— 1,25 кгс/мм2 , что, по мнению автора, соответствует I — I I категориям буримости ЕНВ МГ СССР), а при бурении более твердых пород

Объединенный показатель р м но своей физической сущности ближе других показателей к процессу разрушения пород и износа породоразрушающего инструмента, хотя и в этом случае определение vM по рм имеет свои недостатки.

Попытку использования нескольких показателей для расчета механической скорости проходки по полуэмпирическим формулам, установленным при бурении твердосплавными коронками, сделал Р. В. Липницкий. Он допустил, что механическая скорость бурения

и от усталостного разрушения пород в подстилающем слое стружки.

карбонатных пород величину а рекомендуется определять по эмпи­ рической зависимости

Максимальная скорость бурения в усталостном режиме

где z — число резцов в коронке, перекрывающих забой; h3 р глубина зоны разрушения (h3 р = 2,785 «10"3 рш + 0,575); Nz число циклов нагружения до момента разрушения породы (Nz

=Ршіо2); а — напряжение под резцом коронки. Окончательно

•» (

Возможность разделения vM на две составляющих (ум р е з и vM уСТ) имеет определенный физический смысл, однако приведенная мето­

дика определения иы имеет недостатки.

Во-первых, методика определения жесткости пород довольно

жесткость пары резец-порода прямыми экспериментальными иссле­ дованиями.

Во-вторых, в слое, находящемся непосредственно под стружкой, действительно возможно развитие усталостных трещин, однако этот слой разрушается резанием при каждом последующем движении резца, поэтому определение vM у С Т по формуле (V.45) неправомочно.

В третьих, Р. В. Липницкий не учитывает износа розцов коронки во времени. Определяя t g а т к по (V.42), он вводит величину диа­ метра резца с?р .'Площадь контакта резца с породой во времени уве­ личивается и, следовательно, в течение рейса угол наклона траекто­ рии внедрения резца уменьшается, однако закономерность изменения

Для расчета начальной механической скорости ударно-вращатель­ ного бурения были использованы показатели прочности и пластич­ ности пород. Исходя из того, что при бурении ударно-вращательным способом к породоразрушающему инструменту подводятся два неза­ висимых источника энергии (через бурильную колонну передается осевая нагрузка и вращение, а забойная машина создает динамиче­ ские нагрузки с частотой 1000—1500 ударов в минуту), Ю. А. Пеша-

горной породы при динамическом внедрении резцов коронки (для краткости в дальнейшем У о д будем называть механической скоростью вдавливания); уо с р - — скорость бурения, получаемая за счет скалы­ вания и резания резцами коронки выступов горной породы, осла­ бленных динамическим вдавливанием и находящихся между сосед­ ними ударами (скорость проходки резанием).

В результате проведенных СКВ МГ СССР исследований устано­ влено, что у о д в значительной степени зависит от правильно подо­ бранного соотношения частоты ударов и скорости вращения породоразрушающего инструмента (коронки). При существующем числе ударов серийных гидроударников (1300—1500 уд/мин) оптимальное расстояние между ударами при бурении крепких абразивных пород (3—5 мм) достигается при скорости вращения коронки 20—25 об/мин; при бурении пород средней крепости и абразивности ( V I I — V I I I ка­ тегорий буримости) оптимальное расстояние между ударами коле­ блется в пределах 7—8 мм при скорости вращения снаряда 60— 70 об/мин.

Увеличение частоты ударов при соответствующем повышении скорости вращения инструмента приводит к росту и о д и vo.

Чрезмерное увеличение скорости вращения и осевой нагрузки

Максимальный объем породы будет разрушаться при соблюдении оптимальных расстояний между ударами. Для выполнения послед­ него условия необходима равномерная скорость вращения коронки. Осуществить это практически не всегда возможно, особенно при глубоком бурении, поскольку привод, обеспечивающий вращение инструмента, находится на поверхности, а жесткость бурильных труб не достаточна для предотвращения крутильных колебаний. В связи с этим удар резца может наноситься не только на оптималь­ ном расстоянии от предыдущего удара, но и в лунке разрушения.

Исследования, проведенные в ЦНИГРИ, также показали, что при статическом внедрении коронок для пневмо- и гидроударного бурения в гранит первый скачок разрушения происходит соответ­ ственно при нагрузках не менее 10 тс. Применяемые в производст­ венных условиях статические осевые нагрузки, как правило, колеблятся в пределах 400—600 кгс, которые являются достаточными лишь для обеспечения непрерывного контакта инструмента с породой и достаточного к. п. д. удара (при дальнейшем увеличении стати­ ческих нагрузок к. п. д. удара почти не-изменяется). Следовательно, механическая скорость бурения, получаемая в результате вдавлива­ ния, почти не зависит от статической нагрузки. Она зависит лишь от энергии удара, геометрии резцов и физико-механических свойств горных пород.

Для характеристики процесса разрушения пород динамическим вдавливанием был предложен показатель удельной энергоемкости

где АуА и т у д — энергия единичного удара забойной машины и число ударов в единицу времени; VyA — объем породы на 1 см проходки скважины; Съ м — постоянная величина для условий бурения данной забойной машиной и данным породоразрушающим инструментом.

В общем случае составляющая механической скорости бурения, вносимая резанием и скалыванием пород,

породы давать остаточные нарушения после динамического вдавли­ вания инструмента. При бурении габбро, гранита и кварцита было установлено, что

влияние сопротивление пород разрушению при скалывании, которое

Определение ожидаемой механической скорости бурения является одной из важнейших задач теории бурения, однако до полного решения этой задачи на основании показателей физико-механических

размерам зон разрушения, так и по показателям агрегатной твердости пород является приближенным, поскольку оба метода имеют свои недостатки.

Расчетная начальная механическая скорость бурения по размерам зон разрушения на практике может быть получена при объемном разрушении пород, перекрытии зонами раз-рушения линии образу­ ющей конуса развертки забоя, при достаточной очистке забоя от шлама и при хрупком разрушении пород. Таким образом, расчетным способом можно получать лишь приближенное значение максимально возможной (начальной) механической скорости бурения. Однако на практике не всегда можно применять оптимальные нагрузки на шарошечное долото (при высокой твердости пород допустимые на­

Nz, необходимое для образования лунки выкола.

Рассчитать же прямым расчетов по вышеприведенным формулам среднюю иы по размерам зон разрушения, а также по другим пока­ зателям свойств пород вообще нельзя, поскольку с первых же минут бурения происходит абразивный износ вооружения долот, и vM начинает уменьшаться.

Расчет ум по прочностным показателям при вдавливании инденторов еще более приближенный. Для возможности этих расчетов

необходимо знать большое количество зависимостей vM от рш или рк при бурении различными породоразрушающими инструментами и при различных параметрах режима бурения.

Еще менее точные результаты получают при расчете иы по пока­ зателям ас > к , FA и другим, так как прочность пород в условиях слож­ ного напряженного состояния по сравнению с прочностью пород при элементарном нагружении образцов различных пород увеличи­ вается непропорционально. Применение этих показателей дает неудовлетворительные результаты, особенно при способах бурения, когда основной объем породы разрушается вдавливанием.

В то же время использование для расчета v„ при некоторых спо­ собах бурения показателей свойств, определенных методом вдавли­ вания инденторов, также далеко не полностью характеризует про­ цесс разрушения пород и, следовательно, получаемые результаты расчета также весьма приближенные.

Наиболее перспективной является, по-виднмому, методика ис­ пользования нескольких показателей свойств пород для определе­ ния механической скорости бурения, хотя предложенные формулы имеют свои недостатки. Главным из этих недостатков являются неудачно выбранные (полностью или частично) показатели физи­ ко-механических свойств пород (например, большинство исследова­ телей не учитывает одно из важнейших свойств пород — абразнвность), а также наличие в формулах опытных коэффициентов, которые определены для конкретных условий бурения.

Методы расчета, основанные на анализе сил, действующих на рабочий орган породоразрушающего инструмента, должны быть наиболее точными. Однако неудачный и неполный выбор показателей физико-механических свойств пород, ряд допущений при анализе сил, а также попытка представить некоторые показатели как кон­ станты пород, которые в сущности, можно определить только экспе­ риментальным путем, часто приводят к большим ошибкам, чем при расчетах с помощью простейших эмпирических зависимостей.

Простые эмпирические формулы для расчета механической ско­ рости бурения по показателям свойств пород могут в ряде случаев применяться на стадии планирования и составления смет на прове­ дение буровых работ. Для этой цели необходимо провести большой объем экспериментальных исследований в породах различных раз­ новидностей с использованием различных породоразрушающих ин­ струментов при различных параметрах режима бурения. Для более точной оценки буримости пород необходимо, прежде всего, выявить ряд показателей физико-механических свойств (в том числе абразивность), которые в полной мере характеризовали бы сопротивление пород разрушению при бурении данным породоразрушакяцим инст­ рументом.

Г Л А В А V I

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОХОДКИ _

НА ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Величина проходки на породоразрушающий инструмент зависит от интенсивности его износа. Износ же инструмента во времени зависит при прочих равных условиях от абразивности горных по* род. Несмотря на это, расчеты величины проходки на инструмент часто ведут в зависимости от других показателей физико-механиче^ ских свойств пород, методика которых рассматривается ниже.

§ 1. РАСЧЕТ ВЕЛИЧИНЫ ПРОХОДКИ НА ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО ПО РАЗМЕРАМ ЗОН ^РАЗРУШЕНИЯ

ПРИ ЭЛЕМЕНТАРНОМ АКТЕ ВДАВЛИВАНИЯ

Сотрудниками лаборатории геомеханики глубинных зон земной коры ИГиРГИ [229] предложена формула для определения механи­ ческой скорости проходки по размерам зон разрушения, образующих­ ся при статическом вдавливании штампа. Одновременно была пред­ ложена формула для расчета максимально возможной проходки на долото (без учета износа зубьев) при объемном разрушении пород

ТГ _ Bfe3 - pyZ>3 .рСрб /Т7Т л \

где Р и у — коэффициенты изменения соответственно глубины h3 р

Следует учитывать, что размеры зон разрушения, определенные методом вдавливания штампа цилиндрической или конической форм, отличаются от размеров при вдавливании инденторов другой формы. В частности, при вдавливании клиновидных зубьев величины h3 р и D3 р следует увеличивать примерно в 1,5—1,6 раза, а при вдавли­ вании полусферических штырей уменьшать в среднем в 2 раза.