Рис.25

Расчетная схема при вдавливании жесткого штампа

,

а при r = 0:

,

а если r = а, то Р ? ?.

Рис.26

Это говорит о том, что давление по площади распределяется неравномерно, с максимальной величиной его на контуре контакта. Графически эта картина выглядит следующим образом (рис.26). На основании изложенного можно сделать вывод, что наиболее опасной зоной является контур давления, где деформации идут независимо; хотя и одновременно с общим деформированием всего объема тела под основанием

цилиндра,т. к. давление по контуру много выше, чем под остальной плоскостью вдавливания, то и касательные напряжения, возникающие в глубине тела по контуру давления, достигают предельных значений много раньше, чем на оси симметрии.

Экспериментами установлено, что такое неравномерное распределение давления по плоскости контакта наблюдается только в первоначальный момент вдавливания. При дальнейшем вдавливании давление по площади можно принять равномерно распределенным. В этом случае давление в любой точке круга можно определить по формуле:

.

В первоначальный момент, когда имеет место неравномерное распределение давления перемещение штампа в полупространство можно определить по формуле:

,

а при равномерном распределении давления величина ? может быть определена по формуле:

,

где ? - коэффициент Пуассона,

Е - модуль Юнга.

Для правильной оценки поведения горной породы под цилиндрическим штампом необходимо рассмотреть картину напряженного

состояния горной породы вглубь, ниже поверхности контакта. Различаются три области напряженного состояния при вдавливании цилиндрического штампа (см. рис.27).

I - область всестороннего сжатия, ограниченная поверхностью ?₁ = 0,

II - в этой области одно из главных напряжений - растягивающее напряжение - больше нуля (? ? 0). Эта область ограничена поверхностью ?₂ = 0.



Рис.27

III - эта область лежит ниже границы, где ?₂ = 0. Здесь ?₁ ? 0 и ?₂ ? 0.

Для оценки величин нормальных напряжений (?₁, ?₂, ?₃) рассмотрим картину изменений напряжений по оси симметрии z (рис.28).

Рис.28

График изменения напряжений в полупространстве на оси симметрии (r=0)

Из этого графика видно, что напряжения уменьшаются с удалением вглубь от поверхности контакта.

Причем, более быстро уменьшаются величины ?₁ и ?₂, которые на некоторой глубине переходят, хотя и в незначительные, но в растягивающие.

В случае вдавливания цилиндрического Пуассона в горную породу, принято характеризовать ее напряженное состояние касательными напряжениями , от величины которых во многом зависит энергоемкость процесса разрушения.

Рис.29

На рис.29 показано распределение максимальных касательных напряжений в относительных единицах.

Величину максимального касательного напряжения можно определить по формуле С. П. Тимошенко:

,

либо по формуле Р. М. Эйгелеса:

.

Из этих формул видно, что величина максимальных касательных напряжений зависит только от коэффициента Пуассона. Наибольшее значение ?_max ,будет иметь место на контуре штампа.

Вдавливание в горную породу жесткой сферы

Рис.30

Если нагрузка, приложенная к сфере, равна нулю (т.е. Р = 0), то контакт этой сферы с поверхностью породы будет осуществляться в точке (рис.30).

Рис.31

В случае приложения нагрузки на сферу контакт между сферой и горной породой будет происходить по круглой площадке, радиус которой можно подсчитать по формуле:

.

В центре площадки давления, т. е. по оси Z будет максимальное давление, которое подсчитывается так:

.

При удалении от центра к периферии величина давления (Р) изменяется (уменьшается) по следующему закону:

.

Перемещение вглубь тела (первоначальной) точки контакта зависит от величины приложенной нагрузки и определяется по формуле:

.

При вдавливании сферы область всестороннего сжатия значительно меньше, чем при вдавливании цилиндрического пуансона. Область максимальных касательных напряжений в этом случае находится на оси симметрии (ось Z) и на некоторой глубине, равной ? 0,5а, а также на контуре давления.

Графически эта картина выглядит так, как представлено на рис.31 б.

Максимальные касательные напряжения по оси симметрии можно подсчитать по формуле:

,

где .

Если мы будем вдавливать прямоугольный штамп, то картина максимальных касательных напряжений будет выглядеть так, как это показано на рис.32. (Также в относительных единицах).

Рис.32

Вдавливание в горную породу жесткого цилиндра по образующей

Половина ширины площадки контакта можно определить по формуле:

,

где Р₁ - нагрузка на единицу длины образующей цилиндра;

R - радиус цилиндра.

Распределение давления по ширине контакта полностью описывается уравнением:

,

Р₀ - максимальное нормальное давление на площадке контакта, которое можно подсчитать:

.

Установлено, что максимальные напряжения имеют место на плоскости симметрии на некоторой глубине от поверхности и зависят только от коэффициента Пуассона. Графически распределение давления представлено на рис.33.

Рис.33

Лекция №8

Определение механических свойств горных пород методом вдавливания штампа

Несмотря на сложность напряженного состояния реальных горных пород по сравнению с идеально-упругим телом, что определяется, в основном, анизотропией горных пород, качественная картина все же будет аналогичной при испытании образцов с обломками и кристаллитами меньших размеров, чем вдавливаемые штампы.

Приложение возрастающей нагрузки на штамп приводит к возникновению пластических деформаций, или к разрушению породы. Анализ такого метода показывает, что довольно сложно разграничить переход от упругой деформации к пластической и к дальнейшему разрушению.

Учитывая то, что горные породы по своей сути тела хрупкие, наибольший интерес представляет механизм хрупкого разрушения. Существует несколько мнений по поводу качественной картины такого такого разрушения.

Наибольшее распространение нашли схемы хрупкого разрушения, предложенные Эйгелесом ( I ) и Павловой, Шрейнером ( II ) (см. рис.34).

I. а. Сначала образуется кольцевая трещина в виде конуса, которая распространяется вглубь образца. Вследствие того, что поперечная деформация породы, прилегающей к штампу, незначительная, здесь возможно раскрытие трещин и снижение давления на периферийную область.



Рис.34

Схемы хрупкого разрушения

б. С глубиной раскрытие трещин более затруднительно. Образовавшийся конус начинает передавать давление на окружающую породу. Это давление стремится оторвать матрицу.

в. Вам уже известно, что сопротивление пород сдвигу, а тем более отрыву (разрыву) значительно меньше других усилий. Дальнейшее увеличение нагрузки на штамп вызывает образование лунки с отрывом конуса породы от матрицы. В этот период снижается боковое давление, и конус разрушается, а штамп резко погружается в породу.

При вдавливании сферы в большинство горных пород разрушение их будет происходить по схеме, приведенной на рисунке 35.

Рис.35

Схемы разрушения породы при вдавливании сферы

Здесь:

а - образуются кольцевые трещины и зона предельного состояния.

б - образуется кольцевой скол.

в - образуется лунка, происходит хрупкое разрушение.

(А как же ведут себя пористые породы и породы с низким модулем упругости ?)

Пористые породы и породы с низким модулем упругости при деформировании уплотняются с медленным ростом напряжений. В этом случае происходит быстрое увеличение площади давления.

При вдавливании клина или конуса предельное состояние при меньших нагрузках, чем при вдавливании рассмотренных инденторов. Механизм разрушения горной породы при вдавливании клина представляет следующую картину (рис.36).

Рис.36

Рис.37

А график зависимости глубины вдавливания (?) клина в горную породу от нагрузки (Р) будет иметь вид ломаной линии (рис.37).

После первого скачка при дальнейшем вдавливании вследствие упругой и пластической деформации глубина погружения растет очень медленно вплоть до нового скачка погружения (и т. д.).

Из сказанного можно сделать вывод, что разрушение горных пород заостренными элементами носит скачкообразный характер, причем каждый новый скачок больше предыдущего вследствие увеличения площади контакта.

При вдавливании притупленного клина картина разрушения аналогична вдавливанию острого клина и конуса.

Скачкообразное разрушение горной породы характерно для работы шарошечных долот с вооружением в виде зубцов различной конфигурации.

(Мы рассмотрели поведение пород при вдавливании инденторов различной формы. Однако, основным методом, характеризующим свойства горных пород является метод вдавливания абсолютно жесткого штампа. В чем же заключается методика такого исследования?).

Методика испытания горных пород при определении

механических свойств путем вдавливания штампа

Для определения механических свойств в горную породу вдавливается двусторонний клин в виде резца с углом заострения 60⁰.

По глубине лунки, полученной в результате вдавливания такого клина, определяется площадь контакта между породой и индентором, а затем по нагрузке и площади контакта определяется критическое напряжение или (как принято называть) агрегатная твердость породы по следующей формуле:

,

где Р_а - твердость (агрегатная);

Р - нагрузка на резец;

? - глубина лунки;

- длина лезвия резца;

? - угол при вершине.

По этой формуле определяют твердость только высокопластичных пород при внедрении в них индикатора в виде резца.

Наиболее удобной формой индентора является форма цилиндра, т. к. В этом случае не происходит увеличения площади контакта в процессе увеличения нагрузки. При вдавливании цилиндрического штампа возможно определить твердость горных пород, их упругие и пластические характеристики.

ГОСТом 12288 - 66 предусматривается ряд требований, которые необходимо строго соблюдать для получения сопоставимых результатов.

Испытуемые образцы горных пород должны быть высотой 30-50 мм и диаметром 40-60 мм, причем торцевые поверхности должны быть строго параллельно друг другу отшлифованы. Вдавливаемые штампы изготавливаются из качественной стали с последующей термообработкой с целью получения высокой прочности и жесткости.

Эти штампы могут иметь следующий вид и размеры(рис.38).

Величина диаметра рабочей части таких инденторов (d) подбирается в зависимости от твердости испытуемых пород.

При исследовании плотных и однородно пористых пород используются штампы площадью 2 мм², а при исследовании высоко пористых, малопрочных пород - 5 мм² и более.



Рис.38

Цилиндрические штампы

акие исследования проводятся с помощью автоматического прибора УМГП-3 и УМГП-4, у которых с ростом нагрузки записывается величина внедрения штампа в поверхность испытуемого образца. Прибор УМГП-3 рассчитан на работу в 4 диапазонах нагрузки (0-100, 0-250, 0-500, 0-1000 кгс) с предельной глубиной внедрения 750 мк.

Нагружение при испытаниях ведется до хрупкого разрушения. В результате опыта на при боре записывается график, по виду которого можно определить характер поведения породы при вдавливании в ее поверхность цилиндрического штампа. На рис.39 показаны характерные графики испытания различных пород).

Рис.39

Характерные графики нагрузка-глубина вдавливания штампа для пород:

а - хрупких; б - пластично-хрупких; в - высокопластичных и сильнопористых

Эти три графика определяют три класса горных пород при вдавливании штампа.

Для хрупких пород твердость по штампу определяется по формуле:

,

где Р_р - нагрузка в момент хрупкого разрушения;

S - площадь рабочей поверхности штампа.

Для пластично-хрупких твердость по штампу можно также определить по формуле для хрупких пород. Для этих пород можно определить также предел текучести по формуле:

,

где - предел текучести в кгс/мм² (10⁷ Н/м²).

Пластичность испытуемой породы можно определить по формуле:

,

где А_р - работа деформирования до разрушения;

А_у - работа упругого деформирования.

Эти величины определяются графически, т. е.

,

где m - масштаб графика в размерности работы.

Подставить значения А_р и А_у в формулу пластичности К можно записать:

.

Величину К принято еще называть коэффициент пластичности.

Для хрупких пород упругая деформация равна деформации разрушения , а это значит, что пластичность таких пород К = 1.

При исследовании высокопластичных пород и сильно пористых пород по этому методу можно определить только предел текучести . Коэффициент пластичности (К) в этом случае принимается равным бесконечности. бурение горный порода грунт

Для области прямой пропорциональности между нагрузкой и глубиной внедрения индентора модуль деформации при вдавливании определяется по формуле:

,

где С - модуль деформации при вдавливании;

Р - нагрузка на штамп;

d - диаметр штампа;

- погружение штампа (соответствующее изменение нагрузки от нуля до величины Р).

Этот метод вдавливания штампа позволяет также определить одну из важных характеристик горных пород - удельную объемную работу разрушения А_у:

,

где А_р - общая работа до разрушения;

V - объем лунки разрушения в см³.

Объем лунки определяется опытным путем. Лунка заполняется парафином. Затем парафин извлекается из лунки и взвешивается. Далее, объем лунки определяется по формуле:

,

где Q - вес парафина, извлеченного из лунки в г;

? - плотность парафина в г/см³.

Лекция №9

Классификация горных пород по механическим свойствам

В результате испытания горных пород методом вдавливания штампа появляется возможность составить несколько различных квалифицированных шкал, таких как: по твердости, по модулю Юнга, по пластичности и по пределу текучести.

Большой популярностью пользуется шкала твердости Мооса.

Шкала Мооса - это случайные 10 минералов, которые царапают предыдущий минерал, т. е. расстановка этих минералов осуществлена по взаимному царапанью:

Тальк 4. Флюорит 7. Кварц

Гипс 5. Апатит 8.Топаз 10. Алмаз

Кальцит 6. Полевой шпат 9. Корунд

Между ними неравномерно распределяется величина твердости. Более равномерная шкала, в которой последующий минерал в два раза прочнее, выглядит так:

--------- 10 6. Апатит 320

Гипс 20 7. Кварц 640

--------- 40 8. Корунд 1280 - относительная

Кальцит 80 9. ----------- 2560 твердость

Флюорит 160 10. Алмаз 5120

Наиболее распространенные шкалы, основанные на методе вдавливания штампа следующие:

1.Шкала по твердости. Все породы разделены на три группы: мягкие, средние и твердые. Каждая из этих групп делится на четыре категории, т. е. всего 12 категорий.

К I группе относятся высокопластичные и сильно пористые породы (глины, песчаники, известняки).

Ко II группе относятся пластично-хрупкие породы (известняки, доломиты, песчаники).

К III группе относятся преимущественно хрупкие породы (кремни, кварциты и др.).

Твердость пород (Р_ш кг/мм²) в группах колеблется:

I - ? 10-100

II - 100-400

III - 400- ? 700

Шкала по пластичности. По пластичности горные породы разделены на шесть категорий:

Категория	1	2	3	4	5	6
Коэффициент пластичности	1	? 1-2	2-3	3-4	4-6	6-?

К первой категории относятся хрупкие горные породы, от 2^й до 5^й - пластично-хрупкие, а к 6^й категории - относятся высокопластичные и сильно пористые.

Размеры зон разрушения штампа в различных

горных породах

При вдавливании штампа в горные породы различных групп по твердости получаются различные зоны разрушения (см. рис.40).



Рис.40

Здесь: h - глубина зоны разрушения;

- деформация.

На рисунке видно, что по мере увеличения пластичности горных пород, отношение глубины зоны разрушения (h) к деформации до момента разрушения для пород высокопластичных становится равным единице:

.

Практическое использование данных механических свойств горных пород

Условия разрушения горных пород на забое далеки от условий проведения экспериментов. (Н₀), учитывая то, что определение твердости горных пород методами вдавливания штампов представляют собой модель процесса, определяющего разрушение, имеет большую практическую ценность.

Кроме этого, методами вдавливания штампа определяется совокупность механических характеристик, с помощью которых можно осуществить энергетическую оценку процессов разрушения при бурении.

Располагая материалами по механическим характеристикам горных пород можно производить качественную оценку процессов разрушения горных пород, анализировать применяемые и устанавливать необходимые режимы бурения для осуществления наиболее эффективного разрушения горных пород.

На основании данных исследования различных форм штампов, можно выбрать наиболее рациональную геометрию породоразрушающего инструмента.

Изучение механических свойств горных пород позволяет более отчетливо определить пути дальнейшего совершенствования технологии и техники бурения, создания новых способов разрушения горных пород и т. д.

Разрушение горных пород и упругие характеристики

при динамическом вдавливании

При динамическом разрушении горных пород картина (зона разрушения) механизма разрушения аналогична статическому вдавливанию (см. рис.41).

Рис.41

В первоначальный период вдавливания на поверхности породы отмечается только след штампа, а далее появляется кольцевой скол. С увеличением энергии удара на штамп размер скола увеличивается незначительно. Основной прирост объема разрушения идет в результате постепенного погружения штампа.

Динамические характеристики горных пород можно определить следующим образом. Одна из таких характеристик - динамический модуль упругости (Е_д), которую можно определить по формуле:

,

где С - скорость распространения упругой продольной волны в образце породы, изготовленного в виде стержня (малые образцы);

? -плотность горной породы.

Для больших образцов породы возможно определить коэффициент Пуассона (?_д) и модуль упругости (Е_д):

;

где - динамический коэффициент Пуассона;

- динамический модуль упругости,

- отношение скорости распространения поперечной волны к скорости распространения продольной волны в породе, вызванные в результате удара.

По величине скорости поперечной волны (С_n) можно определить модуль деформации при сдвиге:

,

где ? - плотность породы.

Значение позволяют определить модуль объемной деформации (уже известный вам), т. е.:

только: .

Следует отметить, что динамический модуль Юнга значительно превышает статический (см. табл.):

№п/п	Горная порода	Статический модуль Юнга Е, кгс/мм2	Динамический модуль Юнга Ед, кгс/мм2
1	Ангидрит	1650	6050	3,66
2	Известняк	1360	4810	3,53
3	Доломит	690	3420	4,95

В процессе бурения скважин в значительной степени наблюдается усталостное разрушение. Установлено, что чем глубже ведется бурение, доля усталостного разрушения растет.

Усталостный процесс разрушения аналогичен схеме динамического разрушения, однако, необходимо, чтобы удельная нагрузка на породу была не менее ее предела усталости.

На графике (рис.42) показана зависимость разрушающих напряжений (?_у) от числа циклов нагружения N. На этом графике показана усталостная кривая, которая описывается уравнением:

,

где m - показатель степени усталостной кривой;

С_у - постоянная усталостной кривой.

Рис.42

Усталостная кривая

Лекция №10

Абразивные свойства горных пород

Факторы, влияющие на износ металлов при трении

При износе трением обычно происходят как упругие, так и пластические деформации, сопровождающиеся хрупким выкрашиванием, скалыванием, смятием и срезанием частиц.

На величину износа влияют: свойства материала трущихся тел (их химический состав и структура); род и характер трения; форма и размер трущихся поверхностей; скорость трения; давление между телами; начальное состояние поверхностей; свойства и поведение продуктов износа; среда, в присутствии которой происходит трение и т. д.

По мере износа долота изменяется его геометрия, что приводит к изменению характера разрушения горной породы в отличие от первоначального, к снижению производительности долота и к увеличению расхода энергии на разрушение единицы объема породы.

На износ бурового инструмента влияют три группы факторов: природные, технологические, технические.

К числу природных факторов относятся абразивные свойства горных пород.

Абразивами обычно называют сыпучие и массивные твердые тела, служащие орудиями поверхностной обработки материалов при шлифовании, истирании, полировке и т. д. (алмаз, корунд, наждак - корундовая пыль с примесью пирита и др., граниты, кварцы и др.).

Нас же интересуют абразивные свойства горных пород с точки зрения выявления их свойств, влияющих на износ металлов и сплавов при трении).

Под абразивным износом понимается такой процесс, в котором поверхность работающей детали разрушается вследствие трения о нее небольших твердых частиц (которые носят название) - абразивных частиц.

Установлено, что при одинаковой твердости износостойкость металлов в 11,4 раза больше износостойкости минералов (это можно объяснить тем, что у металлов пластичность выше.

Абразивность горных пород определяется совокупностью физико-механических свойств и в первую очередь прочностных свойств трущихся тел. В связи с этим, понятию абразивность горных пород дается более широкое определение - способность горных пород изнашивать при трении о них металлы и твердые сплавы независимо от состояния твердости трущихся тел и состояния горной породы (монолитная или раздробленная горная порода).

Абразивность горных пород обычно оценивают по износу материала, контактирующего с горной породой.

Так, проф. Федоров за меру абразивной способности горной породы предлагает принять коэффициент ?, равный произведению:

Наиболее приемлемой принципиальной схемой для определения абразивных свойств минералов и горных пород является износ при трении вращающегося кольца о поверхность твердого тела.

Здесь за меру абразивности принималось отношение объема изношенного металла кольца на единицу пути трения (в см³/м) к нагрузке на кольцо. Физически, это величина износа металла, пропорциональная работе трения на единицу пути при нормальной нагрузке в 1 кг.

Для практических целей более правильно абразивную способность горных пород оценивать по износу стали в единицу времени, относящемуся к единице рабочей поверхности изнашиваемого образца, так как эта величина характеризует скорость изнашивания металла.

Для изучения закономерностей абразивной способности горных пород рассматривается износ стали в зависимости от удельной мощности трения.

? = f(N_уд)

где ? - износ металла в мг/мм²?сек;

N_уд - удельная мощность трения, реализуемая единицей рабочей поверхности образца стали в кгм/мм²?сек.

Например, удельная мощность, реализуемая рабочей поверхностью долота составляет около 0,5 кгм/мм²?сек.

Влияние различных факторов на абразивную

способность горных пород

В начале мы уже отмечали основные факторы, влияющие на абразивный износ, т. е. на абразивную способность горных пород.

К основным факторам, влияющим на абразивность горных пород, относятся такие свойства горных пород, как их строение, минералогический состав, форма поверхности, ее характер, механические свойства изнашиваемых материалов, окружающая среда, давление соприкасающихся материалов, скорость скольжения, условия охлаждения и другие.

В практической деятельности при бурении скважин наиболее часто приходится решать вопросы, связанные с абразивностью горных пород, как кристаллические, обломочные, а также вопросы абразивности штамма, т. е. раздробленной породы при бурении. Поэтому, в первую очередь, представляют интерес в этом плане именно эти категории горных пород.

Установлено, например, что абразивность кристаллических горных пород по отношению к закаленным сталям прямо пропорциональна микротвердости минералов, из которых состоит горная порода, т. е. с увеличением твердости минералов, входящих в состав данной породы, увеличивается ее абразивная способность.

Зависимость износа твердых сплавов ВК6, ВК15 идентична. Разница лишь в том, что абсолютная величина износа этих материалов меньше, чем для закаленной стали.

Сульфатные породы, такие, как гипс, барит, обладают меньшей абразивной способностью. Далее, по мере возрастания абразивной способности, кристаллические породы можно распределить следующим образом: карбонатные породы (известняки, доломиты), кремнистые (халцедон, кремний), железисто - магнезиальные полевые шпаты, кварц и кварциты.

Полиминеральные кристаллические породы по абразивным свойствам оцениваются по средней абразивности всех минералов, входящих в данную породу. Следует отметить, что при разбуривании таких пород возникает дополнительная шероховатость, которая способствует увеличению абразивности, а, следовательно, и более быстрому износу породоразрушающего инструмента в случае низких механических свойств материала этого инструмента.

Оценка абразивных свойств горных пород по износу металла является определяющей, т. к. такая оценка характеризует стойкость вооружения буровых долот. Процесс бурения, как правило, ведется в присутствии бурового раствора. В качестве промывочной жидкости может быть использована и техническая вода. Поэтому представляет интерес износ горной породы в присутствии воды (см.рис.43).

На этом графике приведена зависимость относительного износа от микротвердости минералов и кристаллических горных пород при взаимном износе и охлаждении водой

При рассмотрении вопроса абразивного износа может быть два



Рис.43

Если величина микротвердости породы (Р_м) меньше микротвердости изнашиваемой стали (Р_ст) и равна примерно половине ее, то относительный износ можно определить по формуле .

Если величина микротвердости горной породы (Р_м) равна больше половины микротвердости изнашиваемого металла ,то величину относительного износа можно определить по следующей зависимости:

или ,

где ?₀₁ и ?₀₂ - относительный износ для первого и второго случая;

Р_м - микротвердость минералов и кристаллических горных пород, в кг/мм²( 10⁷ Н/м²);

Р_ст - микротвердость изнашиваемого металла в кг/мм² (10⁷ Н/м²),

К₁ и К₂ - коэффициенты пропорциональности, зависящие от твердости изнашиваемого металла;

С - коэффициент, равный 0,5-0,6.

Поверхностный слой поликристаллических тел, металлических и не металлических, характеризуется пониженными механическими свойствами. Кристаллы, образующие поверхностный слой, находятся в полусвободном состоянии, так как они не окружены со всех сторон другими кристаллами, подобно залегающим более глубоко под поверхностью. Существование ослабленного поверхностного слоя оказывает, по-видимому, основное влияние на характер износа, происходящего при взаимном истирании двух тел.

На графике можно различить две области. Первая область (1) характерна тем, что здесь твердость минералов и пород меньше микротвердости изнашиваемых ими сталей и твердых сплавов. В этой области происходит интенсивный износ минералов и пород. Такой износ характерен для гипса, мрамора, доломита и др.

Вторая область (II) характеризуется тем, что здесь твердость минералов и пород почти равна или больше твердости изнашиваемых сталей и сплавов.

Разрушение пород, относящихся к этой области, с увеличением их твердости становится более трудным. Наблюдается значительный износ стали. Такой износ может наблюдаться при бурении полевых шпатов, кварца и других горных пород.

На основании этого можно сделать вывод, что величина абразивного износа зависит от соотношения твердости горной породы и твердости изнашиваемого металла (сталь, твердый сплав). Зависимость между этими величинами прямо пропорциональная.

По оценке абразивных свойств обломочных горных пород в качестве основной механической характеристики необходимо принимать твердость по штампу, которая определяет прочность связи между отдельными обломками, т. е. прочность цементирующего вещества, т. к. прочность этих горных пород зависит от прочности и структуры цементирующего вещества. У малопрочных обломочных пород абразивность более высокая за счет постоянной смены поверхности.

Например, по отношению к закаленным сталям абразивность обломочных кварцевых пород с небольшой твердостью по штампу во много раз больше, чем, например, кварцитов, которые считаются высоко абразивными горными породами.

Как мы уже знаем, горные породы состоят из зерен различной формы и различных размеров. (Какое влияние оказывают эти факторы на абразивные свойства этих пород?).

Как правило, для одного и того же материала с увеличением размера зерен увеличивается и абразивный эффект. На этом факте основаны все процессы поверхностной обработки.

При жидко-абразивной обработке металлов износ металла также увеличивается по мере увеличения размеров зерен, хотя иногда бывает и наоборот.

Форма зерен абразива существенно влияет на износ металлов лишь в том случае, когда твердость зерна горной породы выше твердости изнашиваемой поверхности металла.

Влияние среды на абразивное изнашивание стали и твердых сплавов

Среда вызывает химический, адсорбционный, диффузивный эффект. Кроме этого, среда является как смазочный материал. Все эти явления безусловно сказываются на характере изнашивания. Например, за счет смазывающего действия среды: уменьшается коэффициент трения и облегчаются пластические деформации и износ контактных поверхностей, а также происходит проникновение среды в поверхностные трещины и способствует выкрашиванию.

Адсорбция поверхностно-активных молекул на стенках трещин в процессе их развития приводит к снижению поверхностной энергии и облегчает тем самым дальнейшее развитие пластических сдвигов и разрыхление металла. Адсорбционный слой препятствует также смыканию трещин. За адсорбционными процессами следуют коррозионные, которые способствуют дальнейшему разрушению металлов.

Исследователями установлено, что ПАВ имеют пониженную охлаждающую способность и при высокой удельной мощности повышают склонность металла к потере устойчивости. В этом случае наблюдается эффект пластифицирования поверхности металла под влиянием ПАВ.

Смазочные пленки не только уменьшают скорость изнашивания металлов, но и снижают скорость разрушения горных пород. Это происходит в том случае, когда имеет место преимущественно поверхностное и усталостное разрушение горных пород. Если же будем рассматривать вопросы объемного разрушения, то повышение смазочной способности среды может повысить скорость разрушения породы.

Об износе металла судят по величине относительного износа в паре металл - горная порода по формуле:

,

где а - показатель скорости изнашивания;

?₀ - скорость разрушения породы.

Очевидно, чем меньше относительный износ металла, тем более производительно будет работать инструмент.

А как себя ведут твердые сплавы? В процессе повышения удельной мощности растет температура поверхности твердого сплава, что приводит к уменьшению его твердости. Скорость изнашивания твердого сплава при разрушении горных пород в 60-100 раз меньше, чем долотной стали. Наиболее благоприятные условия работы твердых сплавов на забое при промывке его водой и водными растворами.

Износ металлов раздробленными горными породами

Раздробленные горные породы (шлам) вызывают абразивный износ всего инструмента.

Рис.44

V_c - скорость относительного перемещения деталей;

V_окр - окружная скорость долота;

V_n - скорость относительного движения обломков породы,

V - скорость потока жидкости.

Обломки горных пород между трущимися поверхностями интенсивно разрушают металл.

Обломки, перемещаясь по поверхности металла, изнашивают его.

При движении обломков в буровом растворе они, ударяясь о поверхность металла, разрушают его.

Установлено, что чем больше микротвердость абразивных частиц и остроугольнее их форма, тем больше интенсивность изнашивания бурового инструмента.

Методы изучения абразивности горных пород

В 1971 году разработан и утвержден международный стандарт по вопросам трения и изнашивания - ГОСТ 16429-70.

Как, например, трактует это понятие «изнашивание» этот ГОСТ?

Изнашивание это такое явление, когда при затрате энергии, равной работе сил трения, с поверхности твердого тела отделяются частицы и масса тела уменьшается, а результат изнашивания называется износом.

Величина износа на единицу работы силы трения называется интенсивностью изнашивания и определяется как отношение: ,

где

,

иногда

,

где W - износ;

- коэффициент трения;

А_т - работа трения ;

Р - нормальная нагрузка;

L - путь трения.

Часто для определения интенсивности изнашивания пользуются упрощенной формулой:

.

Величина износа в единицу времени называется скоростью изнашивания и определяется по формуле:

,

где а - скорость изнашивания;

t - время опыта.

Учитывая условия работы породоразрушающего инструмента при изучении абразивных свойств горных пород, применяются следующие схемы изнашивания:

Рис. 45

Показатель абразивности горной породы определяется по формуле:

,

где W₁ и W₂ - масса коронки до и после бурения в г;

- проходка в м.

Исследования абразивного изнашивания и абразивности горных пород, выполненные на установках такого типа, наиболее полно описывают картину реального износа металла на забое. Нагрузка на кольцо подбирается по величине требуемой интенсивности нагрузки:

,

где Р - нагрузка на кольцо;

Р_в - нагрузка на единицу длины образующей кольца;

в - длина образующей кольца (ширина кольца.

Скорость скольжения определяется по формуле:

,

де V_c - скорость скольжения;

D - диаметр кольца;

? - частота взаимодействия.

Охлаждение производится технической водой. Расход этой воды производится по формуле:

Q = qS,

где q - удельный расход воды на единицу рабочей поверхности изучаемого объекта;

S - рабочая поверхность кольца.

За показатель абразивности принята скорость изнашивания (а). Скорость изнашивания - это толщина слоя металла, снимаемого при изнашивании с рабочей поверхности образца в единицу времени.

Скорость изнашивания определяется по формуле:

,

где W - массовый износ образца металла;

?_м - плотность металла;

t₀ - время опыта.

В том случае, если износу подвергается кольцо, средняя удельная емкость может быть подсчитана по формуле:

Вт/мм²,

где М - средний момент трения за опыт в кгс?м;

n - скорость вращения кольца в об/ мин;

S - рабочая поверхность кольца в мм².

Скорость разрушения горной породы (?₀) можно определить по формуле:

,

где V_n - скорость подачи образца горной породы.

Коэффициент трения пары металл - горная порода определяется следующим образом:

,

где М - средний момент трения за опыт в кгс?м;

Р - нагрузка на кольцо,

D - диаметр кольца.

Лекция №11

Новые методы разрушения горных пород

Основные принципы разрушения горных пород

при бурении скважин

Общее развитие науки и техники позволило разработать новые методы разрушения горных пород, таких, как термический, электрофизический, термомеханический, электрогидравлический и др.

Независимо от способа разрушения горной породы разрушение наступает при достижении напряжений, равных пределу ее прочности.

Разрушение породы может произойти и при меньших напряжениях. Этому способствует среда, обладающая поверхностно-активным эффектом и др.

Метод разрушения горной породы определяется характером физических, химических и физико-химических процессов, происходящих в породе, которые приводят к возникновению в ней разрушающих напряжений.

Все основные методы делятся на следующие группы: 1) механические, 2) термические, 3) электрофизические, 4) комбинированные.

Механические методы разрушения горных пород

В результате износа инструмента в процессе бурения, как правило, меняется его геометрия. Это, в свою очередь, приводит к изменению напряжений в природе, к снижению производительности и увеличению энергии на разрушение единицы объема породы. Поскольку пока еще не созданы высокопрочные инструменты, основное внимание уделяется разработке таких механических методов разрушения, при которых снижается износ инструмента, или происходит без него.

К методам разрушения горных пород с помощью породоразрушающего инструмента относятся следующие:

Резание горных пород. Этот метод применяется при вращательном способе бурения скважин.

Резание горных пород с энергетической точки зрения является достаточно совершенным методом. Однако, этот метод малопроизводителен вследствие быстрого затупления инструмента при бурении абразивных пород средней и более высокой крепости.

Ударное разрушение горных пород отличается тем, что после каждого удара долото отрывается от забоя и проворачивается на некоторый угол. При небольшой частоте ударов этот метод (ударно-канатное бурение) малопроизводителен.

Резание и бурение с наложением ударных нагрузок. Удары могут передаваться в направлении подачи инструмента, либо в направлении резания. (Второй способ пока не нашел широкого распространения).

Ударно-вращательное бурение отличается тем, что к породоразрушающему инструменту приложены усилие подачи, крутящий момент и удары определенной частоты и силы.

При бурении шарошечными долотами динамические нагрузки возникают при перекатывании шарошек долота по забою. При правильном выборе параметров режима бурения и конструкции рабочего инструмента ударно-вращательное бурение для большинства горных пород более производительно, чем ударно-поворотное и вращательное.

При ударно-вращательном бурении сочетание статического усилия подачи и ударов позволяет повысить эффективность разрушающего действия ударных нагрузок, а также сдвигать элементы породы, находящиеся впереди (по движению) углубившегося в породу непрерывно вращающегося резца.

Чем выше модуль упругости горной породы, тем лучше ее разрушать ударными нагрузками. Чем выше коэффициент пластичности породы, тем успешнее может быть она разрушена путем сдвижения ее элементов непрерывно вращающимися прижатыми к породе и воспринимающими удары резцами. Поэтому для пород, характеризующимися разными коэффициентами пластичности, модулем упругости и твердостью, влияние статического усилия подачи на скорость бурения неодинаково.

Энергоемкость, т. е. количество энергии, расходуемое на разрушение единицы объема породы (кгм/см³) при ударно-вращательном бурении с увеличением усилия подачи вначале довольно быстро снижается, а при дальнейшем увеличении усилия подачи - остается постоянной или даже несколько возрастает (см. рис.46).

Рис.46

Зависимость энергоемкости от усилия подачи для разных коронок

На графике показана зависимость энергоемкости ударно-вращательного бурения от усилия подачи для разных коронок по песчанику при n = 196 об/мин. Коэффициент крепости по Протодьяконову f = 8-12.

В заключение (по этому методу) можно сказать следующее: на

скорость бурения при ударно-вращательном способе оказывают существенное влияние скорость вращения и усилие подачи.

Классификация методов разрушения горных пород

Механические методы.

Термические методы.

Электрофизические методы.

Комбинированные методы.

1. Механические.

1 а. Механические с породоразрушающим инструментом.

2 б. Механические без породоразрушающего инструмента.

1 а. Механические методы разрушения горных пород

с породоразрушающим инструментом

Резание горных пород.

Ударное разрушение горных пород.

Резание с наложением ударных нагрузок.

а) ударно-вращательное (роторный способ, турбинный и электробур),

б) ударно-вращательное бурение погружными гидробурами,

в) ударно-вращательное бурение с наложением гармонических колебаний.

1 б. Механические методы разрушения горных пород

без породоразрушающего инструмента

Разрушение струей воды.

Взрывной метод.

Ультразвуковое разрушение.

Электрогидравлический метод.

Электрофизические методы разрушения.

Высокочастотный.

Разрушение горных пород в быстропеременном магнитном поле.

Комбинированный метод

Термомеханическое разрушение.

Ударно-вращательное бурение погружными гидробурами

При глубоком бурении с промывкой скважин водой или глинистыми (или другими) растворами могут быть использованы погружные гидравлические механизмы, которыми создаются удары по рабочему инструменту. Первой гидроударной машиной был гидравлический таран В. Вольского (1900).

Следует отметить, что до сих пор гидроударные механизмы не нашли практического применения при глубоком бурении. В настоящее время есть некоторые сдвиги в этом вопросе, в связи с бурным развитием гидромашин.

Ударно-вращательное бурение с наложением на рабочий инструмент гармонических колебаний

Ударная нагрузка на инструмент может передаваться также при помощи устройств, генерирующих гармонические колебания .

Частоты колебаний (полные колебания за 1 сек.) принято разделять на инфразвуковые до 16 гц, звуковые до 2000 гц и ультразвуковые свыше 2000 гц.

Установлено, что величина статического усилия подачи при бурении с наложением колебаний существенно сказывается на скорости бурения и на проходке на одно долото.

Чтобы повысить производительность труда при разрушении горных пород, необходимо увеличивать мощность, передаваемую на забой и одновременно снижать расход этой мощности на износ породоразрушающего инструмента и на другие непроизводительные потери. В связи с этим, в частности, большой интерес представляют механические методы разрушения горных пород без использования породоразрушающего инструмента или таким инструментом, который, изнашиваясь, почти не меняет своей геометрии.

Ультразвуковое разрушение

В настоящее время ультразвук пытаются использовать для разрушения горных пород. При таком методе разрушение производится инструментом, совершающим возвратно-поступательные колебания с высокой частотой и небольшой амплитудой, причем в зону разрушения поступает суспензия абразивов в жидкости, а инструмент подается в направлении колебаний с небольшим усилием.

Здесь скорость разрушения зависит от амплитуды и частоты колебаний инструмента, твердости и размера зерен абразива, содержания абразива в жидкости, вязкости жидкости, усилия подачи, формы инструмента, глубины резания и др.

Разрушение струей воды

В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию гидравлического бурения горных пород в глубоких скважинах. Исследования показывают, что струя воды, истекающая из сопла диаметром 0,5-1,1 мм под давлением 700-1000 атм способна разрушать очень крепкие породы.

Разрушение крепких пород струей воды высокого давления является перспективным методом, однако для его реализации нужно решить ряд вопросов, в частности, сохранение оптимального расстояния между насадками и породой в процессе резания, создания промышленного оборудования, позволяющего получать высокие давления и пр.

Взрывной метод

Этот метод заключается в том, что на забое скважины, в которой циркулирует промывочная жидкость, с некоторой частотой взрывают небольшие по сравнению с диаметром скважины ампулы с взрывчатым веществом.

Последовательным действием многократных взрывов породы разрушаются с образованием ствола скважины. Благодаря многократному воздействию первоначально возникшие трещины растут и образуются новые, что приводит к отделению кусков породы от массива.

При аналогичных условиях взрывным методом можно получить скорость бурения в 4 раза больше, чем при турбинном бурении.

Взрывное бурение является одним из перспективных методов для бурения скважин на больших глубинах.

Электрогидравлическое разрушение

В данном способе используется электрический разряд в жидкости , в результате чего давление в среде резко увеличивается (гидравлический удар).

Термическое разрушение горных пород

Термическое бурение неглубоких скважин, предназначенных для взрывных работ заключается в следующем.

Горящая смесь керосина, этилового спирта или дизельного топлива с кислородом создает в огнеструйной горелке пламя с температурой 2400-3200⁰. Скорость истечения раскаленных газов составляет 1800-2000 м/сек, благодаря чему обеспечиваются огромная скорость передачи тепла нагреваемой поверхности породы и большие температурные напряжения в горной породе приводят к ее разрушению. Этот метод перспективный для бурения в крепких породах для неглубоких скважин.

Термотехническое разрушение

Для повышения эффективности разрушения твердых пород предложены комбинированные тепловые и механические методы воздействия. При этом нагрев горных пород служит только для уменьшения их прочности, а окончательное отделение пород от массива производится механическим способом.

Электрофизические методы разрушения

Высокочастотный метод. Работы по разрушению и ослаблению горных пород при высокочастотном нагреве в СССР начаты в 1949 году. Известно, что электрический пробой твердых диэлектриков часто сопровождается их механическим разрушением. Большинство горных пород является плохо проводящими электрический ток материалами. Поэтому возникла идея использовать хорошо известное явление теплового и теплоэлектрического пробоя диэлектриков для разрушения горных пород.

Разрушение горных пород в быстропеременном

электромагнитном поле

Физическая основа разрушения горных пород токами высокой частоты - это высокочастотный нагрев с возникновением разрушающих температурных напряжений. Высокочастотный нагрев диэлектриков (к которым относятся большинство горных пород) обычно производится в электрическом поле под обкладками конденсатора. Этот принцип и заложен в конструкцию такого бурового инструмента.

Лекция №12

Породоразрушающий инструмент для бурения скважин

Буровые долота классифицируются по двум признакам - по назначению и по характеру воздействия на породу.

По назначению долота подразделяются на три класса:

долота для сплошного бурения;

долота для колонкового бурения;

долота для специальных целей (пикообразные, зарезные, расширители, фрезеры и др.).

Для сплошного бурения наша промышленность выпускает шарошечные, алмазные, фрезерные и лопастные долота с различной системой промывки.

В зависимости от геологических условий бурение с отбором керна производится бурильными головками - шарошечными, алмазными, фрезерными и лопастными.

Долота для специальных целей вам уже известны из практических занятий, поэтому на этом классе инструмента останавливаться не будем.

По характеру воздействия на горную породу буровые долота делятся на четыре класса:

дробящие;

дробяще-скалывающие;

истирающе-режущие;

режуще-скалывающие.

К первому классу относятся долота и бурильные головки дробящего действия двух-, трех- и четырехшарошечные с одно- и многоконусными шарошками, расположенными без смещения относительно оси долота (рис.47), т. е. ось симметрии шарошки проходит центр симметрии долота. В этом случае разрушение породы происходит за счет ударов зубцов шарошек о забой.

Рис.47

Рис.48

Ко второму классу относятся долота и бурильные головки дробяще-скалывающего действия двух-, трех- и четырехшарошечные (многошарошечные) с двух-, трехконусными и сферическими шарошками, расположенными со смещением относительно оси симметрии долота(рис.48), где к -величина смещения (в пределах до 5 мм).

При вращении такого долота со смещенными шарошками, вооружение этих шарошек будет наносить удары о забой, вызывая эффект дробления горной породы, и проскальзывать по забою, вызывая эффект скалывания. Такие долота эффективны при бурении пластичных пород.

К третьему классу относятся долота и бурильные головки режуще-истирающего типа. К этому классу относятся алмазные и фрезерные долота и бурильные головки.

К четвертому классу относятся все лопастные буровые долота и головки.

Наиболее раннее развитие из всех этих известных долот получили долота режущего типа. Поэтому рассмотрение теоретических вопросов разрушения горных пород различными видами долот начнем с лопастных долот, которые относятся к классу долот режуще-скалывающего действия.

Разрушение горных пород при бурении долотами

режуще-скалывающего типа

При бурении в породах, не обладающих большой твердостью, применяются долота, режущая часть которых представляет собой односторонний клин.

Геометрическая форма режущей части у таких долот характерна углом заострения (?) и углом резания (?). Оптимальная величина угла ? = 20⁰, а угла ? порядка 70⁰ - для легкобуримых, мягких; ? = 22⁰, ? = 75⁰ - для мягких и средних пород; ? = 25⁰, ? = 85⁰ - для средних пород.

Долота режущего типа под стати ческой нагрузкой, действующей вдоль оси, погружается в породу, а при вращении скалывает ее по всей длине забоя. Таким образом, каждая точка, лежащая на режущей кромке долота, совершает одновременно два вида движения: вращение по кругу радиува (а) (расстояния от центра оси вращения) и поступательное - в направлении, перпендикулярным к плоскости этого круга, т. е. каждая точка при бурении описывает в пространстве винтовую линию.

Для простоты рассмотрения движения долота можно заменить движением по наклонной плоскости с углом наклона, равным углу подъема винтовой линии в данной точке долота, тогда картина

забоя будет выглядеть так (рис.49):

в - толщина стружки;

? - угол наклона плоскости.

Рис.49

После поворота двухлопастного долота на 180⁰ забой будет представлять вид двух наклонных плоскостей. Перед каждой лопастью долота образуется уступ с той максимальной высотой, которая соответствует суммарной глубине погружения за 1/2 оборота долота и называется толщиной стружки (в).

Если глубину разрушения за один оборот долота обозначим через h, то толщина стружки для двухлопастных долот будет h/2, а для трехлопастных - h/3 и т. д.

Рассмотрим силы, действующие на долото в процессе бурения.

? - угол заострения;

? - угол резания;

Р₁ - усилие резания (окружное усилие;



Рис.50

R - величина сопротивления породы вдавливанию. Сила R раскладывается на две силы: - нормальная сила к поверхности резания и сила Т.

Под действием нормальной силы N на поверхности резания возникают силы трения fN, где f - коэффициент трения.

Горизонтальному перемещению долота будет противодействовать сила Q, нормальная к передней грани долота, а сила трения fQ (на ней возникающая) будет действовать в том же направлении, что и сила R.

Рис.51

Теперь рассмотрим силы, действующие на элемент стружки (рис.51):

? - угол резания; ? - угол между передней гранью долота и плоскостью скалывания; ?^/ - дополнительный угол к углу ?.

Сумма углов ? + ? = Const = 155-160⁰ - называется углом скалывания.

Силы: Р₁ = R + Qf

R₂ = Q + fNCos? ( 1 )

Р₂ = Q + fRCos²? ( 2 )

Величина силы в момент скалывания элемента стружки определяется сопротивлением, возникающим по плоскости скалывания.

Так как на отдельный элемент стружки действуют только две силы Q и fQ, то их можно заменить силами А и В (А -нормальное сопротивление скалыванию, В - сила, прижимающая стружку к плоскости скалывания, которая вызывает увеличение сопротивления скалывания на коэффициент внутреннего трения f^/.