Условие

W_k = U

является основным при анализе ударного взаимодействия инструмента с горной породой.

Вид функции f (d) зависит как от физико-механических свойств горных пород, так и от геометрии породоразрушающего инструмента. Общий вид функции f (d) к настоящему времени не определен, и это затрудняет проведение математического анализа разрушения горных пород при динамическом нагружении. По этой причине единственным методом исследования процесса разрушения при динамическом нагружении является эксперимент.

Эксперимент показывает, что с увеличением кинетической энергии движущегося тела (использовался ударник цилиндрической формы с плоским основанием) картина разрушения поверхности горной породы качественно выглядит следующим образом. Увеличение скорости соударения вначале приводит лишь к небольшому углублению ударника в поверхность породы: на поверхности образца горной породы виден след ударника в виде остаточной деформации. Под пятном контакта и около него возникает сеть трещин, которая с увеличением скорости соударения становится все гуще.

При определенном значении кинетической энергии W₂ (рис. 29) происходит круговой выкол породы в области, окружающей пятно контакта. Этот вид разрушения называют первой формой разрушения при динамическом нагружении. Основной особенностью первой формы разрушения является резкий рост объема разрушенной горной породы.

С дальнейшим увеличением скорости соударения основной прирост объёма разрушенной породы обеспечивается постепенным внедрением ударника в горную породу. При достижении кинетической энергией значения W₄ наступает вторая форма разрушения: объем разрушенной породы вновь резко возрастает вследствие образования лунки под пятном контакта.

Предполагается, что с дальнейшим ростом кинетической энергии будут наблюдаться и последующие формы разрушения.

Изменение энергоёмкости разрушения. Немонотонное изменение объема горной породы при увеличении скорости соударения определяет и аналогичное изменение удельной объёмной энергоемкости разрушения А _v = W _к / V при динамическом нагружении (рис.29).

Минимальные значения энергоёмкости соответствуют скачкам разрушения горной породы, т.е. тем значениям энергии W _к, при которых она полностью идет на разрушение. При изменении энергоемкости наблюдается следующая закономерность: каждый следующий минимум энергоёмкости А _v меньше предыдущего. При увеличении энергии удара от W ₂ до W ₃, от W ₄ до W ₅ и т.д. (рис. 29) энергия удара расходуется на упругие деформации горной породы, уплотнение породы и образование в ней зоны предразрушения.

В горной породе под внедрившимся элементом породоразрушающего инструмента выделяют следующие зоны разрушения (рис. 30). В области 1 кроме разрыва адгезионных связей между минералами происходит и разрушение самих минералов.

Подобный способ разрушения хорош для упругохрупких горных пород. Его можно использовать и для разбуривания упругопластических пород. Но необходимо помнить следующее: для эффективного дробления таких горных пород необходимо повышать скорость соударения, т.к. в этом случае горная порода будет проявлять в меньшей степени свои пластические свойства

6.1.4. Природа динамического действия шарошечного долота. Динамическое воздействие по горной породе забоя скважины реализуется при использованиии любых долот. Исключительно за счет ударной нагрузки разрушаются горные породы при использовании долот дробящего действия. Но для нанесения удара по горной породе забоя скважины вовсе не обязательно использовать долота дробящего действия. Шарошечное долото наносит удары по горной породе забоя скважины при перекатывании шарошки с зуба на зуб, за счет накопления упругой энергии в бурильной колонне и неоднородности горных пород.

Дробящая способность шарошечного долота обеспечивается перекатыванием шарошек по забою с зуба на зуб. Это обеспечивает вертикальное перемещение не только долота, но и всей бурильной колонны. По этой причине на горную породу забоя действует динамическая нагрузка F_д во время удара зуба долота по забою, а затем и статическая нагрузка F_ст, обеспечивающая дальнейшее внедрение зуба в поверхность забоя. Суммарная нагрузка на забой F_S = F_д + F_ст, отнесенная к величине статической нагрузки, определяет коэффициент динамичности:

k = F_S / F_ст.

Коэффициент динамичности возрастает с увеличением твердости горной породы, шага зубьев и частоты вращения долота. При разбуривании мягких, средних и твердых горных пород величина коэффициента динамичности принимает следующие значения: 1.1, 1.2, 1.3, соответственно.

Эффективность разрушения горной породы на забое скважины под действием усилий F_д, F_ст снижается с возрастанием пластических свойств горных пород. Разрушение горных пород на забое глубоких скважин инструментом, вызывающим дробление, обеспечивает малую величину механической скорости.

Под действием ударной нагрузки, превышающей сопротивление горной породы ударному разрушению, происходит ее дробление и образование лунки в результате выкола породы.

И в состоянии устойчивого и неустойчивого положения шарошки под торцом зуба в горной породе возникает напряженное состояние сжатия. Напряжения сжатия в породе достигнет большей величины при опоре шарошки на один зубец. Если при этом возникающие контактные давления превысят сопротивление породы вдавливанию (P _к > H), то горная порода под пятном контакта разрушится, возникнет лунка.

Перекатывание шарошки по забою с зуба на зуб не является единственной причиной появления динамической нагрузки. Так как нагружаемая горная порода забоя скважины практически всегда неоднородна и в каждый момент времени зубья долота находятся в контакте с забоем в разных сочетаниях, то все это приводит к неравномерному разрушению горной породы. При этом возникают колебания с более низкой частотой, но с большей амплитудой, чем при перекатывании шарошки с зуба на зуб.

При работе шарошечного долота различают следующие колебательные процессы, обеспечивающие динамическое воздействие на забой:

а) высокочастотные, появление которых вызвано зубчатостью шарошек,

б) среднечастотные, природа которых связана с изменением во времени числа взаимодействующих с поверхностью забоя скважины зубьев долота,

в) низкочастотные, обусловленные возникновением вследствие неоднородности строения горных пород и их дефектности ухабов на забое скважины.

6.1.5. Природа динамического действия лопастного долота. Лопастные долота также наносят удар по забою в результате накопления упругой энергии в бурильной колонне. В бурильной колонне, являющейся упругим элементом большой протяженности, возникают продольные, крутильные и поперечныеколебания.

Виновником возникновения ударной нагрузки является неоднородность свойств горной породы и использование нежесткой бурильной колонны (системы нагружения): в бурильной колонне при бурении накапливается упругая энергия. Через жесткость бурильной колонны упругую энергию, запасенную в ней, можно представить в виде:

W = D_f ·j² + D_l ·d²,

где D _l – продольная жесткость, d – величина абсолютной упругой деформации, D _f = M _д / j - угловая жесткость, j - угол закручивания бурильной колонны.

Колебания жесткости в процессе бурения приведут не только к изменению энергии W, но и к изменению углубления долота в горную породу.

Изменение осевой нагрузки на долото, происходящее вследствие возникновения продольных колебаний, может составлять 25 ÷ 50 % и более от величины её среднего значения. Продольные (вертикальные) колебания долота с амплитудой, равной 55 мм, являются обычными. Эти колебания приводят к большим динамическим нагрузкам и являются причиной усталостных поломок элементов бурильной колонны. При прочих равных условиях динамичность будет тем меньше, чем больше число лопастей у долота. На возникновение продольных колебаний значительное влияние оказывает неоднородность прочностных свойств горных пород забоя, наличие трещинноватости в породах.

Под крутильными колебаниями понимают изменение угловой скорости около среднего значения, а под поперечными колебаниями понимают периодические перемещение оси долота по забою.

Природа возникновения крутильных и поперечных колебаний одинакова: неравномерная подача долота и неоднородность механических свойств горных пород забоя, приводящие к неравномерному разрушению породы перед лопастями долота (при одинаковой величине запасенной упругой энергии в бурильной колонне). Это приводит к возникновению крутильных ударов (резкое увеличение момента на долоте) и дополнительному закручиванию бурильной колонны на угол j₁. При последующем уменьшении подачи происходит уменьшение момента на долоте, при этом буровая колонна раскручивается на угол:

j₂ = W₁ / M₁ – W₂ / M₂.

Таким представляется механизм возникновения колебаний угловой скорости около среднего значения. Амплитуда и частота колебания зависит как от свойств горной породы, так и от жесткости бурильной колонны. Так как вес бурильной колонны большой, то крутильные колебания вызывают значительные динамические нагрузки на долото в фазе замедления крутильных колебаний. Это может привести к преждевременному повреждению инструмента.

Неоднородность прочностных свойств горных пород приводит к тому, что перед лопастями долота разрушение происходит неодновременно. При этом наблюдается такая картина – вся буровая колонна и долото постоянно смещаются в сторону лопасти, перед которой порода не разрушилась. Это приводит к возникновению поперечных колебаний оси долота. Основная особенность развития поперечных колебаний заключается в том, что скважина приобретает форму многоугольника, число вершин которого на единицу больше числа лопастей долота.

Дата добавления: 2015-08-13