Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

б) z = a[2(1 + ) / (7 – )]0.5 = z*, r = 0 – область, располагающаяся на оси симметрии zпод пятном контакта.

Возникающее на оси симметрии r = 0 максимальное касательное напряжение лишь на 5 % меньше касательного напряжения, возникающего на контурной линии.

В соответствии с наличием

двух экстремальных областей выделяют и два механизма разрушения горной породы под вдавливаемым в неё индентором. Ниже мы их рассмотрим. В обоих механизмах процесс разрушения горной породы при вдавливании индентора состоит из трёх стадий, сменяющих друг друга по мере увеличения контактного давления Pк: развитие упругих, остаточных деформаций в горной породе под пятном контакта, а затем отделение части породы от массива (образца) в результате развития кольцевой трещины отрыва, охватывающей контактную площадку.

Первый механизм разрушения. Этот механизм разрушения характерен для таких горных пород, как кварцит, доломиты, песчаники и пр.

Разрушение начинается в первой экстремальной области. Упругая стадия взаимодействия индентора с горной породой определяется в значительной степени контактными условиями: формой пятна контакта (отклонение формы пятна от окружности), величиной трения между индентором и поверхностью породы. При отсутствии смазочного материала (третьего тела), расположенного между индентором и поверхностью образца горной породы, последняя не способна деформироваться вдоль поверхности образца (отсутствие радиальных смещений). Это приводит к тому, что при определенном значении контактного давления от точек контурной линии растет конусная трещина, которая уходит в глубь горной породы и делит породу под индентором на усеченный конус (УК) и консоль (К) (рис. 34).

Дальнейший рост осевого усилия вызывает упругое сжатие усеченного конуса, затем происходит полное или частичное разрушение материала конуса.

Перечисленные процессы приводят к увеличению давления конуса на консоль и изгибу консоли. На внутренней поверхности консоли под действием растягивающих напряжений появляется трещина нормального отрыва, которая при дальнейшем росте усилия F выходит на свободную поверхность. Эту трещину нормального отрыва называют магистральной, т.к. её развитие вызывает завершение разрушения горной породы при вдавливании индентора.

Заключительная стадия разрушения горной породы при вдавливании цилиндрического индентора состоит в отломе консоли в результате передачи на неё части давления Pк индентора через материал конуса.

Откалывание консоли стимулирует смятие усеченного конуса, индентор при этом скачком погружается в глубь горной породы. Дальнейшее разрушение породы под пятном контакта происходит при следующем внедрении индентора в горную породу осевым усилием.

Рис. 34. Два механизма разрушения горной породы: а – первый механизм, б – второй механизм

Второй механизм разрушения. Разрушение начинается во второй экстремальной области (рис. 34 б). Рост силы F приводит к образованию на оси симметрии r = 0 в районе точки z* серповидной области, в которой касательное напряжение достигает максимальной величины max. В этой области развивается зона необратимых структурных изменений (пластическая деформация, рост микротрещиноватости зерен, потеря связности между ними). При малых осевых усилиях зона необратимых деформаций (зона предразрушения) локализуется в приповерхностном слое породы. При дальнейшем росте осевого усилия область необратимых деформаций увеличивается за счет развития в глубь массива (образца). Возникает ядро предразрушения, представляющее собой усеченный овал (УО) и упругую консоль (К) (рис. 34 б).

По мере накопления структурных изменений в ядре, оно начинает передавать осевое усилие, развиваемое индентором, на консоль в возрастающей степени, и это приводит к отлому консоли. Так реализуется первый скачок процесса разрушения при вдавливании. При дальнейшем внедрении индентора в горную породу весь процесс повторяется, образуя второй и следующие скачки разрушения. Значения контактного давления, вызывающего последовательные скачки разрушения, возрастают.

Третий механизм разрушения. Этот механизм возникает в горной породе, находящейся на большой глубине при большом давлении и при повышенной температуре. В этом случае вследствие увеличения пластических свойств породы осевое усилие вдавливает индентор в горную породу на большую глубину. Вылом консоли происходит при больших значениях осевого усилия. Возникающая при этом лунка имеет большие размеры.

Механизм разрушения горных пород по Л.А. Шрейнеру. Разрушение горной породы под индентором является результатом развития пластической деформации (пластических сдвигов). Начало пластического деформирования породы связывается с достижением контактным давлением предела текучести породы. Непосредственно под пятном контакта в горной породе в объёме полусферы вследствие большого всестороннего сжатия породы пластического течения не происходит. Пластические сдвиги происходят в горной породе за границей полусферы, причем с ростом контактного давления пластическим деформированием охвачены все более глубокие слои породы, прилегающие к сжатой полусфере.

Когда пластические сдвиги по некоторой конической поверхности, касательной к полусфере, достигают поверхности образца, горная порода под пятном контакта теряет устойчивость, и индентор резко движется вниз, разрушая не только ядро сжатия, но и выламывая консоль. В малопластичных горных породах пластические сдвиги развиваются только в нижней части ядра сжатия и не доходят до поверхности образца.

Вдавливание сферы и усеченного конического индентора. Главной особенностью вдавливания инденторов такой геометрии в горную породу является увеличение площади контакта индентора с горной породой.

Рис. 35. Вдавливание сферического индентора в полупространство

В результате вдавливания сферы радиуса R осевым усилием F (рис. 35) в плоскую поверхность образца горной породы возникает круговой контур давления радиуса a. С ростом осевого усилия радиус кругового контура возрастает, т.е. а = a(F). Это приводит к неравномерному (эллиптическому) распределению давления в горной породе под пятном контакта. Максимальное контактное давление возникает на оси симметрии r = 0, т.е. в центре площади давления. Увеличение радиуса а контура обеспечивает снижение величины давления под пятном контакта, но, с другой стороны, способствует дополнительному разрушению горной породы поверхностью вдавливаемой сферы.

При вдавливании сферы в поверхность горной породы также возникает две экстремальные области, имеющие следующие координаты. Координаты первой области

│r│ = a, z = 0,

 Скачать реферат