2.5. Энергетика дробления шлама на забое скважины

Разрушение горной породы, происходящее при бурении приводит к появлению на поверхности забоя продуктов разрушения - шлама. Плохо организованная промывка забоя скважины приводит к накоплению шлама на забое, происходит зашламование забоя. В этих условиях породоразрушающий инструмент вместо разрушения породы забоя осуществляет вторичное разрушение частиц шлама, происходит переизмельчение шлама.

Лишь при реализации совершенной очистки забоя породоразру-шающие элементы вооружения взаимодействуют не со шламом, расположенным на забое, а с неразрушенной горной породой забоя скважины. К реализация совершенной очистки необходимо стремиться.

Для этого необходимо совершенствовать и породоразрушающий инструмент, и промывку забоя скважины.

В реальных условиях бурения почти невозможно избежать переиз-мельчения уже разрушенной, но не отделенной от поверхности забоя породы. Переизмельчение горной породы в этом случае происходит в присутствии промывочной жидкости (бурового раствора). На раз-рушение шлама (дробление шлама) тратится дополнительная энергия. При дроблении частиц шлама под действием инструмента твердые час-тицы шлама сначала претерпевают объёмное деформирование (упругое, пластическое) и только после этого происходит разрушение.

Работу, необходимую для дробления щлама, можно разделить на две части: одна часть расходуется на деформирование частицы, а другая - на образование новых поверхностей при разрушении. Работа упругого и пластического деформирования частицы шлама пропор-циональна её объёму: W_деф = k₁V, где k₁ - коэффициент пропор-циональности, равный работе объёмного деформирования единицы объёма частицы шлама, V - объём частицы.

Работа образования новой поверхности при дроблении минерала пропорциональна приращению свежей поверхности: W_п =_о·s, где s - прирост свежей поверхности, _о - энергия образования единицы свежей поверхности (удельная свободная поверхностная энергия минеральной частицы). Полную работу, затрачиваемую на дробление, можно выразить уравнением Ребиндера П.А.:

W = W_деф + W_п = kV + _оs.

Так как объёмное деформирование пропорционально объёму нагружаемого тела V, который, в свою очередь, пропорционален кубу своего линейного размера, т.е. l³, а изменение поверхности тела пропорционально квадрату линейного размера тела, т.е. l², то выражение для полной работы дробления можно записать следующим образом:

W = k₁l³ + k₂l²s = l²(k₁ + k₂_о),

где k₂ - коэффициент пропорциональности.

Из последнего выражения следует, что при больших размерах тела, т.е. при больших значениях l, можно пренебречь величиной работы образования поверхности. В этом случае

W  k₁l³,

т.е. полная работа диспергирования определяется работой упругого и пластического деформирования образца.

При k₁ =_сж²/2E из последнего выражения получаем закон дробления Кирпичева-Кика.

При малом линейном размере разрушаемого тела полная работа диспергирования определяется работой, затраченной на образование свежей поверхности:

W  k₂l²_о,

так как в этом случае можно пренебречь работой объёмного дефор-мирования диспергируемого тела.

При измельчении частиц шлама на забое при реализации несовер-шенной очистки забоя частицы шлама разрушаются, в первую очередь, в местах прочностных дефектов (макро- и микротрещины). По этой причине по мере измельчения прочность частиц породы, остающихся на забое, растет (масштабный фактор). Под масштабным фактором понимают изменение прочности образца твердого тела при изменении его размера: чем больше объем образца, тем меньше его прочность. Такое изменение прочности обычно связывают с вероятностью нахождения опасного (т.е. большого по величине) дефекта в теле: чем больше объем образца, тем больше вероятность нахождения в нем опасного дефекта.

Упрочнение горной породы, связанное с масштабным фактором, наблюдается при плохой промывке забоя скважины: уменьшение размера частиц шлама при переизмельчении горной породы cпособ-ствует росту прочности частиц шлама (масштабное упрочнение). Руководствуясь этим, можно заключить, что энергоёмкость процесса дробления шлама на забое будет зависеть от степени измельчения породы. Увеличение дисперсности шлама на забое скважины при плохо организованной промывке приводит к большому расходу энергии при их дальнейшем дроблении.

По размеру частиц шлама, возникающих в процессе бурения сква-жины, можно судить об эффективности бурения скважины: преоб-ладание мелкой фракции в продуктах разрушения свидетельствует о плохой промывке забоя и низкой эффективности разрушения горных пород на забое.

47