11-01-2016_19-30-26 / All_RGP

1.Основные закономерности РГП долотами

При бурении н. и г. скв. основным инструментом, при помощи которого разрушается г.п., является долото. Долото проникает в породу и разрушает ее вследствие перемещения:

1)поступательного сверху вниз под действием нагрузки на долото, создаваемой массой нижней части колонны БТ (осевая нагрузка); 2)вращательного, осуществляемого гидравлическим ЗД, электробуром или ротором посредством БТ.

I. Виды воздействия инструмента:

1)резание-скалывание; 2)истирающее-режущее; 3)дробление-скалывание.

Впроцессе скалывания и дробления приложенное усилие действует на забой прерывно, что вызывает дополнительные динамические нагрузки на забой (удары). Исследованиями установлено, что в результате ударов горные породы могут разрушаться при напряжениях, меньших, чем критические, соответствующих пределу прочности. Резание может осуществляться лопастными долотами. Скалывание происходит при использовании лопастных или шарошечных долот. Алмазные долота разрушают г.п. путем истирания и резания.

II. Виды разрушение по Шрейнеру:

1)I поверхностное истирание;

2)II усталостное разрушение;

3)III объемное разрушение.

Взависимости от осевой нагрузки Л.А. Шрейнер выделил три характерных вида разрушения г.п., которые на рисунке обозначены соответственно I, II, III.

Вид I: скорость разрушения г.п. прямопропорционально G и весьма мала. Скв. образуется вследствие истирания г.п.

Вид II: прямая пропорциональность между Uм и G нарушается. Это связанно с развитием усталостных явлений при многократных воздействиях долота.

Вид III: напряженное состояние в г.п. достигает такой величины что обеспечивается выкол породы при каждом воздействии элементов вооружения инструмента. Скорость разрушения г.п. и соответственно мех. скорость бурения в начале быстро

возрастает, а затем темп роста снижается. Такой вид разрушения г.п. называется объемным. При бурении стремятся получить разрушение в 3 области (объемное) Области объемного разрушения:

G1 – нагрузка первого скачка разрушения

G2 – нагрузка второго -//-

G3 – нагрузка третьего -//-

соответствующая пределу текучести г.п.

Gs = p0·b·Σ li · η , где b – притупление зубьев, η =0,3 – доля площади в данный момент, li - длина зубьев, p0 - предел текучести г.п. при вдавливании.

Удельная контактная работа определяется отношением полной работы к площади контакта разрушающего инструмента: Объемная работа разрушения при динамическом вдавливании в несколько раз выше, чем при статическом

2 ЭНЕРГОЕМКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД И ВЛИЯНИЕ НА ЭТОТ ПОКАЗАТЕЛЬ ЗАБОЙНЫХ ФАКТОРОВ

Скачкообразность развития форм разрушения горных пород обуславливает немонотонное увеличение объема V разрушения мере увеличения энергии удара (рис. 1). Из рис. 1 видно, что при переходе от первой формы разрушения ко второй (область Т1 - Т2) наблюдается существенный рост объема разрушения. Дальнейшее увеличение энерг. Т2 до Т2' не приводит к существенному изменению объема, и лишь при

Тк > Т2' вновь наблюдается рост объема разрушения, связанный с появлением промежуточных форм разрушения в области Т2'-T3. Развитие тpетьей формы разрушения вновь обусловливает стабилизацию объема разрушения (область Тз-Т'3) т.д.

Энергоемкость разрушения породы при динамическом вдавливании определяют по формуле * Зависимость AV от Тк также приведена на рис. 1, из которой видно, что немонотонное изменение объема разрушения обуславливает наличие минимумов и максимумов на кривой энергоемкости. По мере увеличения Т к каждый последующий минимум и максимум ниже предыдущих, т.е. в целом по мере увеличения Тк наблюдается тенденция к энергоемкости динамического разрушения пород. Первый минимум на кривой энергоемкости соответствует образованию втором формы разрушения, второй минимум - образованию третьей формы разрушения. Стабилизация объема разрушения после образования второй и третьей форм разрушения обусловливает появление максимумов на кривой энергоемкости разрушения пород. Изучение энергоемкости разрушения горных пород показывает, что при бурении следует стремить к увеличению

энергии каждого единичного взаимодействия элемента вооружения долота с горной породой. Это направление оптимизации процесса бурения реализуется повышением подводимой к забою мощности и усовершенствованием породоразрушающих инструментов. В случае одновременного вдавливания нескольких инденторов напряжения складываются, к результате чего повышается эффективность разрушения породы. На рис.1 приведены формы зон разрушения, полученные при одновременном и последовательном вдавливании штампа, в мрамор. При одновременном вдавливании получена общая зона разрушения с плоским дном (рис. 1, а), а при последовательном форма разрушения образована пересечением единичных форм (рис. 1, б). В первом случае объем разрушения вследствие одновременного вдавливания был в 1,4 раза больше, чем во втором, что обусловило соответствующее снижение -энергоемкости. При одновременном вдавливании инденторов большое значение имеет выбор оптимального расстояния между инденторами опытным путем.

Основные забойные факторы(влияющие на форму кривой на рисунке) – глубина бурения, и диф. давление.

Рдиф1>Рдиф2>Рдиф3 При увеличении Рдиф кривая смещается в верх и выполаживается

3. АБРАЗИВНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО АБРАЗИВНОСТИ

Абразивность горных породспособность г.п. изнашивать металлы при трении. Изнашивание – постепенное изменение формы и размеров детали или инструмента в процессе работы.

Абразивность г.п. обуславливает долговечность бурильного и породораз-го инструментов.

Стержень устанавливают в сверлильный станок и сверлят испытываемый образец г.п. с n = 400 об/мин и нагрузке 147 Н по 10 мин каждым концом. Показатель образивности подсчитывается по фор-ле:

Образцы металла готовят из того материала, по отношению которому определяют абразивность г.п. Диаметр колец 30мм, ширина 2,5 мм испытание проводят с промывкой водой. В качестве показателя абразивности принят износ на единицу пути трения при нагрузке 10 кг. Все г.п. разделены на 12 категорий абразивности по отношению к закаленной стали

марки У8

Показатели изнашивания твердого тела:

1) Интенсивность изнашивания: ω =W AТ (мкм/Дж) W-износ в любых еденицах, Ат-работа трения

2) Скорость изнашивания a=W/Т [мм/ч] ; Т-время

4. ПОКАЗАТЕЛИ МЕХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ МЕТОДАМИ СТАТИЧЕСКОГО ВДАВЛИВАНИЯ ШТАМПА И ОДНООСТНОГО СЖАТИЯ

Метод вдавливания штампа позволяет не только определять твердость г.п., но и оценивать их упругие и пластические характеристики на небольших образцах и на кернах, извлекаемых в процессе бурения скв. с различных глубин залегания. Для определения мех. свойств горных г.п. методом вдавливания штампа необходимые образцы пород высотой 30-50 мм и диаметром 40-60 мм. Эти образцы должны иметь две плоскопараллельные шлифованные поверхности.

Рис. 1- цилиндрические штампы Штампы изготавливают из инструментальной стали с

последующей закалкой (рис. 1а) или из твердого сплава (рис. 1б). Штампы из твердого сплава используют для испытания очень тв. пород. Штамп в образец породы вдавливается до тех пор, пока при некоторой нагрузке не произойдет хрупкое разрушение породы под штампом или не будет достигнута предельная величина внедрения.

Г.п. по характеру зависимости нагрузки на штамп от глубины его внедрении делят на три класса:

1- хрупкие

2- пластично-хрупкие

3- высокопластичные и сильнопористые По наибольшей нагрузке Рр определяется твердость породы по штампу рш :

рш = Рр/F

где F-площадь штампа (F= πd2/4, d-диаметр штампа)

При одноосном сжатии имеет место простое напряженное состояние:

σ1 = σ2 = 0; σ3 = σсж , где σсж – предел прочности г.п. при одноосном сжатии. Испытание при одноосном сжатии проводят на цилиндрических образцах диаметром 40-50 мм, с отношением длины образца l к его диаметру d близким к 1. Образец нагружается до его разрушения.

Предел прочности на одноосное сжатие: σсж = Рmax/F

Измерение упругого изменения длины ∆l и диаметра ∆d образца, позволяет определить основные показатели упругих свойств г.п.: модуль упругости г.п. при одноосном сжатии (модуль Юнга) Есж и коэфф. Пуассона µсж : µсж

образца.

Зависимость нагрузки от глубины вдавливания и классы ГП :

1) Хрупкие ГП : I-упругое деформирование

IIIразрушение(деформирование с разрушением) Горные породы 1-го класса

2)Пластично-хрупкие породыкласс 2-й II-пластичная деформация с упрочнением

3)Пластичные и сильно-

пористые ГП -3-й класс

Определяемые показатели св-в:

1) твердость по штампу: твердасть по Герцу (τМАХ=τS); по Шрейдеру (τМАХ=τс) Рш=Рмах/Fш

2)Предел текучести по штампу: Ро=Ро/Fш - это контактное давление при котором

вГП достигается предел текучести.

V-объем лунки δ-глубина лунки

5 КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ПРОЧНОСТИ НА ОДНООСНОЕ СЖАТИЕ И ПО ТВЕРДОСТИ

На основании фактических данных, полученных при вдавливании штампа в образцы многочисленных горных пород, оказалось возможным дать несколько классификационных шкал по отдельным показателям механических свойств.

Все породы по твердости по штампу разделены на три группы: мягкие, средние, твердые. Каждая группа в свою очередь разделена на четыре категории, т. е. всего принято двенадцать категорий твердости.

Классификация горных пород по твердости по штампу

К I группе преимущественно относятся породы высокопластичные и сильнопористые (глины, аргиллиты и наиболее пористые разновидности алевролитов, песчаников и известняков).

Ко II группе по твердости относятся в основном породы из класса пластичнохрупких, в частности, алевролиты, известняки, ангидриты, доломиты и песчаники.

К III группе по твердости относятся породы преимущественно из класса хрупких. Это в основном изверженные и метаморфические породы (кремни, кварциты, а также окремнелые разновидности известняков и доломитов).

По модулю Юнга все г.п. породы разделены на восемь категорий:

По величине коэф-та пластичности все горные породы разделены на шесть категорий:

К I категории относятся хрупкие горные породы, со второй по пятую- пластично-хрупкие, а к шестой — высокопластичные и сильнопористые.

На механические свойства пород отдельных групп влияет не только минералогический состав, но и их строение.

6 ШИФРЫ ШАРОШОЧНЫХ ДОЛОТ. МЕЖДУНАРОДНЫЙ КОД (ШИФР)

Классификация: по ГОСТ, международный шифр МАБП, комбинированный

Іпо ГОСТ:

Вшифр шарошечного долота последовательно входят: 1) виддолотапочислушарошек: (I), (II), т(III);

2) диаметр долота в мм (например, 190,5) до 660,4мм; 3) тип вооружения :

для неабразивных пород:М,МС,С,СТ,Т ДЛЯ АБРАЗИВНЫХ ПОРОД: МЗ,МСЗ,СЗ,ТЗ,ТКЗ,К,ОК

4) расположение промывочных или продувочных отверстий: с центральной промывкой (Ц), с гидромонитор. промывкой (Г), с центральной продувкой (П), с боковой продувкой

(ПГ);

5) особенности конструкций опор: только на подшипниках качения (опора типа В, n >450 об/мин), два радиальных подшипника качения остальные скольжения (опора типа Н,

n=250-450 об/мин, НУ, nд=90-250 об/мин); все подшипники скольжения кроме замкового (опора типа АУ, n <90 об/мин); в случае герметизированной опоры добавляется У.

Примерышифров:; III 215.9ТЗ-ГАУГОСТ20692-75; I I I 215.9С-ГВ-2 ГОСТ20692-75

В последнем случае цифра 2 означает номер модификации. Например: 190.5Т-В ГОСТ 20692-75 и т.д.

II Международный шифр МАБП:

1)содержание шифра – три цифры и буквы. Первые две цифры – вооруж., третья – лапа и опора.

2) вооружение: 1 серия - фрезеров. стальное , 2 серия - твердосплавные.

1) лапа и опора (третья цифра):

открытая опора для промывки

-//- для продувки

-//- для промывки с доп. армированными лапами

НУ

НУ, но с доп. армированием лапы

АУ

А, но с доп. армированием лапы

Типы армирования лап:

1-й тип – делается всегда (не обозначается) 2-й тип – L

3-й тип – S

4-й тип – LS