Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

Между лопастью долота и горной породой забоя скважины возникает трение скольжения, обеспечивающее сильный абразивный износ лопастных долот.

Породоразрушающий инструмент ДС-действия отличает размещение вооружения в виде инденторов (зубьев) на вращающихся деталях – шарошках. Работа долота происходит при вертикальном перемещении (углублении) и горизонтальном перекатывании со скольжением

или без него под действием осевого усилия и вращающего момента. При работе на забое шарошки вращаются вокруг оси долота по часовой стрелке с угловой скоростью wд (переносное движение долота) и одновременно вращаются вокруг своей оси против часовой стрелки с угловой скоростью wш (относительное движение).

Схема взаимодействия горной породы забоя с долотом дробящескалывающего действия выглядит следующим образом. Каждая шарошка, перекатываясь по забою, опирается то на один из своих зубцов (неустойчивое положение), то на два смежных зубца (устойчивое положение). При этом происходит возвратно-поступательное вертикальное перемещение центра вращения шарошки и корпуса долота. Амплитуда такого колебательного движения шарошки прямо пропорциональна ее диаметру и увеличивается с уменьшением числа зубьев.

Параметры колебательного процесса определяют периферийные венцы долота, т.к. они являются самыми крупными. При разбуривании однородных горных пород (если бы таковые нашлись) при неизменной величине осевого усилия амплитуда колебания долота будет постоянна, но в силу неоднородности строения горных пород амплитуда колебаний долота изменчива.

Число ударов m в минуту зубьев венца шарошки по горной породе забоя определяется по формуле

m = nш k = i·nдk,

где i–передаточное отношение скоростей вращения шарошки и долота,

nш,nд– частота вращения шарошки и долота, соответственно, k– число зубьев в рассматриваемом венце шарошки.

Время контакта зуба долота с горной породой при перекатывании шарошки по забою по забою фк при отсутствии проскальзывания определяется формулой

фк = 60/m = 60 / inдk.

Разрушение горной породы на забое скважины таким инструментом происходит, во-первых, за счет ударов, наносимых зубьями перекатывающихся шарошек по забою, и, во-вторых, за счет действия осевой нагрузки F, обеспечивающей вдавливание породоразрушающих элементов в горную породу забоя. При определенных конструктивных особенностях данного породоразрушающего инструмента в разрушении горной породы принимает участие и сдвиговая нагрузка, осуществляя дополнительно к удару и вдавливанию резание породы при кратковременном проскальзывании зубьев долота вдоль забоя при отсутствии вращения шарошки вокруг своей оси.

При перекатывании шарошки по горной породе между последней и зубом шарошки возникает трение качения. При проскальзывании – трение скольжения.

Общим для первой и третьей подгрупп инструментов является внедрение породоразрушающих элементов вооружения долот в горную породу под действием осевого усилия F при одновременном действии и тангенциальной силы резания T.

6.1 Особенности разрушения образцов горной породы при динамическом приложении нагрузки

Любое внешнее воздействие на твердое тело сопровождается генерированием и распространением в нем упругих волн. Распространяющиеся волны передают информацию об имевшем место внешнем воздействии от точки к точке в теле.

Динамическим считается такое нагружение, при котором частицы деформируемой среды получают ускорение, и в теле возникают силы инерции. Строго говоря, все виды нагружения следует считать динамическими. На практике же исследователи всегда стремятся провести границу между этими двумя видами приложения нагрузки. В конечном итоге, все определяется скоростью приложения нагрузки, длительностью нагружения.

При кратковременном воздействии малой интенсивности наблюда-ется динамическая волновая картина, которая складывается из прямых и отраженных от любых (как внешних, так и внутренних) границ тела волн. Воздействие большой интенсивности приведет к образованию поверхностей разрыва, в теле распространяется ударная волна упруго-пластической нагрузки. Во всех случаях определяющее значение в процессе деформирования имеют волновые процессы.

Напряженно-деформированое состояние, возникающее в образце горной породы при динамическом воздействии, существенно отличается от напряженно-деформированного состояния, возникающего при статическом нагружении такого же образца: если при статическом нагружении образца (при сжатии, например) весь объем образца подвержен действию сжимающей нагрузки, то главной особенностью напряженно-деформированого состояния, возникающего при скоростном взаимодействии двух тел, является неравномерность распределения напряженного состояния во времени и по величине в образце.

Рассмотрим качественную картину деформирования образца при статическом и динамическом приложении нагрузок (рис. 27). При динамическомнагружении верхнего торца образца в нем возникает волна сжатия, распространяющаяся по образцу со скоростью звука в данном теле. В зависимости от продолжительности Дt действия силы F в образце может возникнуть следующее напряженное состояние: в момент времени t1 верхняя часть образца будет сжата, а остальная часть образца – свободна от напряжений. При достижении противоположной поверхности образца в момент времени t2 весь образец может быть сжат. Отразившись от этой поверхности, волна сжатия превращается в волну разгрузки – волну растяжения.

Рис. 27. Разрушение образцов горной породы при статическом (а) и динамическом (б) приложении нагрузок: а – коническое макроразрушение, б – развитие раздробления образца

В результате, при динамическом нагружении образца в теле образуется резко неоднородное поле напряжений, возникают большие градиенты напряжений и деформаций. Разрушение в таком поле напряжений происходит во всем объёме образца. Если еще вспомнить, что горная порода есть гетерогенное образование с большим количеством пор и трещин, адгезионных границ раздела между минералами, между минералами и цементирующим веществом, то станет понятно, что возникновение волн отражения будет происходить на всех границах раздела во всём объёме образца. Этот процесс приведёт к разупрочнению всего образца горной породы, а при большой скорости соударения и к его распаду на мелкие части.

При большой энергии соударения может произойти разрушение на контакте соударяющихся тел: возможно наблюдение откольных явлений при достижении волной сжатия торцовой поверхности образца.

6.1.1 Локальное импульсное механическое воздействие на поверхность твердого тела

Участок поверхности упругого однородного и изотропного полупространства подвергается кратковременному действию вертикальной нагрузки (рис. 28). В теле на некотором расстоянии от источника возмущения формируется продольная волна растяжения-сжатияP и поперечная волна сдвигаS. Разделение типов волн происходит по ориентации движения частиц на их фронтах: во фронте продольной волны движение частиц происходит по направлению ее распространения, а во фронте поперечной волны частицы двигаются перпендикулярно направлению ее распространения.

 Скачать реферат