Основные схемы воздействия вооружения долот на забой скважины

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНА ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ВДАВЛИВАНИИ

Горные породы забоя скважины находятся в сложном напряженном состоянии, которое определяется соотношением горного, пластового и гидростатического давлений, а также конфигурацией забоя. Разрушение забоя в процессе бурения происходит не сразу по всей площади, а дискретно

По принципу взаимодействия с горной породы все порода разрушающие инструменты можно разделить на три большие группы (рис.) а- режуще- скалывающие, б- дробящие и –в- дробящее- скалывающие.

Рис. .I. Схемы взаимодействия элементов вооружения до­лота с горной породой: а—резание-скалывание; б —дробление; в — дробление-скалывание

Из схемы а видно, что элемент вооружения долота, перемещаясь со скоростью _с срезает (скалывает) горную породу. Силы Р и Ғ и свойства горных пород являются основными характеристиками условий разрушения породы.

По схеме б долотом дробящего действия наносятся прямые удары по поверхности забоя скважины. Динамический процесс деформирования и разрушения описывается уравнениями кинетической энергии инструмента

Т_к = m² ₀ /2

И потенциальной энергии деформирования породы

= ₀^{б max} P_z (б) d б,

Где m –масса долота и ударной штанги; ₀ – скорость в момент соударения долота с горной породой; ^max – максимальная глубина погружения долота в породу; Р () –сопротивление горной породы внедрению долота.

По схеме- в взаимодействующий с породой зуб долота вдавливается в породу силой R и совершает сложное движение. Одновременно соседний зуб движется к поверхности породы со скоростью _у и наносит удар по поверхности породы

_у = _у +

Где _с – скорость перемещения долота; - линейная скорость вращения шарошки; =r; здесь - угловая скорость вращения шарошки; r – расстояние от вершины зуба до мгновенного центра вращения шарошки.

Каждый элемент вооружения шарошечного долота периодически оказывает на горную породу сложное дробящее- скалывающее действие.

Элементы вооружения порода разрушающих инструментов имеют различную конфигурацию рабочей поверхности : плоскую, сферическую и цилиндрическую.

Рассмотрим задачи о распределении и напряжений при вдавливании порода разрушающих инструментов (инденторов) разной формы. При этом приняты следующие допущения: 1. вдавливание инденторы абсолютно жесткие, т.к. модули деформации металлов на порядок и более выше чем модули деформации горных пород.

Б. горные породы изотропные однородные и подчиняются закону Гука, а упругие характеристики пород постоянные

1. Жесткий цилиндрический штамп с плоским основанием вдавливается в горную породу силам Р, действующей по оси £;

Рас. .2. Расчетная схема при вда­вливании жесткого штампа

Экспериментальное исследования показали, что распределение давлении по плоскости контакта неравномерно только в начальный период вдавливания, а затем его можно принять равномерно распределенным т.е.

Р = Р/ а²

Где а –радиус штампа

Перемещение штампа для случая равномерного распределения давления по плоскости контакта

= 0,54/ Р (1-²)/ а Е

Где - коэффициент. Пуассона , Е – модуль Юнга

2. Вдавливание жесткой сферы. При отсутствии нагрузки сфера контактирует с поверхностью твердого тела в точке. По мере увеличения нагрузки на сферу формируется круговая площадка контакта (рис.). радиус а площадки контакта можно определит по формуле Герца:

а= ³3 РR_с (1-²)/ 4Е

где R_с - радиус сферы

Наибольшее давление в центре площадки

р_max =3Р / (2π а²)

Наибольшее перемещение центральной точки контакта

δ_max =3P(1-μ²) / (4aE)

Анализ напряжонного состояния в твердом теле проведенный -, проф. Эйгелесом Р.М. показал что наибольшее значение максимальных касательных напряжений отмичается на оси симетрии на некоторой глубине от поверхности контакта, а так же на контре давления.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ СТАТИЧЕСКОГО

ВДАВЛИВАНИЯ ШТАМПА

В первые метод вдавливания для оценки сопротивления горных пород разрушению при бурении был предложен профессор Е.Ф. Эпштейном. По этому методу в образец породы вдавливается резец в виде острого двухстороннего клина с углом при вершине 60⁰. Вдавливание клина производится до некоторой нагрузки, затем нагрузка снимается и измеряется глубина образовавшейся лунки. По нагрузке Р, глубине лунки Б и длине лезвия резца Е вычисляется агрегатная твердость породы:

Ра = Р/2бℓtg /2

Где - угол при вершине резца.

Позже профессор Л.А. Шрейнер сделал вывод о том, что для горных пород, следует задать площадь контакта и измерять нагрузку на индентор, под действием которой происходит деформирование и разрушение породы. За основу существующих стандартный методы вдавливания штампа принято это высказывание.

Метод вдавливания штампа позволяет не только определять твердость горных пород, но и оценивать их упругие и пластические характеристики. Кроме того, этот метод позволяет определять показатели механических свойств на небольших образцах практически всех горных пород, как правило на кернах, извлекаемых в процессе бурения скважин с различных глубин залегания.

Параметр твердости достаточно полно характеризует процесс внедрения рабочих органов породоразрушаюшего инструмента в горную породу, вслед за внедрением или одновременно с ним происходит скалывание породы; сколоть породу после внедрения резца или алмаза легче, поэтому твердость породы при бурении является главным параметром прочности. Твердость определяется на специальной лабораторной установке (рис. 1); в качестве вдавливающего элемента используется металлический пуансон (штамп).

Цена деления манометра зависит от предельного давления в гидравлической системе. Например, для предельного давления 6 МПа цена одного деления равна:

Для площади нижнего торца индентора, имеющего площадь S= 26,4 мм², цена одного деления манометра в единицах силы (Н) равна:

Рис. 1. Схема установки для определения механических свойств горных пород вдавливанием пуансона

1 – манометры образцовые, 2 – стрелочный индикатор, 3 – траверса гидравлического пресса, 4 – колонка, 5 – оправа индикатора, 6 – упор, 7 – пуансон, 8 – образец породы, 9 – стол поршня гидравлического пресса, 10 – манжета, 11 – цилиндр гидравлического пресса, 12 – стержень направляющий; 13 – манометр технический, 14 – компенсатор давления, 15 – регулировочный кран, 16, 17 – впускной и запорный краны соответственно

Наиболее удобной геометрической формой индентора является цилиндрический штамп с плоским основанием. В этом случае не происходит увлечение площади контактов процессе вдавливания, которое наблюдается во время вдавливания конуса, пирамиды, двухгранной призмы – клина и сферы.