Назовите основные физико-механические свойства горной породы и поясните их влияние на процесс бурения

Ответ на вопрос: «Назовите основные физико-механические свойства горной породы и поясните их влияние на процесс бурения».

В механике горных пород изучаются следующие механические процессы и соответствующие им свойства.
1. Деформирование – процесс изменения размеров или формы твердого тела под действием внешних сил. При деформировании проявляются такие свойства, как упругость, пластичность и вязкость твердых тел.
2. Разрушение – разрыв внутренних связей (нарушение сплошности) твердого тела. При разрушении проявляется такое свойство, как прочность твердого тела.
3. Изнашивание – диспергирование твердого тела с поверхности под действием работы трения. При изнашивании проявляются такие свойства, как износостойкость (сопротивление изнашиванию) и абразивность (способность изнашивать противостоящие материалы при трении).

При описании механических процессоров важнейшими являются понятия о деформациях и напряжениях.

Деформация – это относительное изменение размера или формы тела. Обратимой (упругой) деформация называется в том случае, если при устранении внешних сил размеры и форма тела полностью восстанавливаются. Необратимой (пластической) деформация называется в том случае, когда с устранением внешних сил форма и размеры тела не восстанавливаются.

Сопротивление тела деформированию в рассматриваемой точке принято характеризовать отношением равнодействующей внутренних сил dR, действующих на элементарной площадке сечения, проведенного через рассматриваемую точку, к площади dF этой площадки:
dR / dF = p.
Величина р векторная и называется напряжением в точке.

Проекция вектора р на нормаль к рассматриваемой площадке обозначается σ и называется нормальным напряжением, а проекция вектора p на плоскость площадки обозначается τ и называется касательным напряжением.

Соответственно деформация, обусловленная нормальным напряжением и совпадающая с ним по направлению, обозначается ε и называется нормальной, а деформация γ называется касательной деформацией или деформацией сдвига.

Способность твердого тела оказывать сопротивление разрушению от внешнего механического воздействия называется его прочностью. При разрушении рвутся связи между частицами кристаллической структуры, не меняя агрегатного состояния вещества. Прочность оценивается по предельным напряжениям, которые могут быть созданы в опасном сечении твердого тела.

Основные модели твердых тел следующие:
1. Идеальное упругое тело или тело Гука, деформация которого прямо пропорциональна соответствующему напряжению. При рассмотрении моделей использованы деформации сдвига и касательные напряжения, тогда
   γ = τ / G,где γ – деформация сдвига;
   τ – касательные напряжения;
   G – модуль деформации (упругости) при сдвиге.
2. Идеальное упругопластическое тело деформируется упруго в области τ < τs, где τs – касательные напряжения, соответствующие пределу текучести материала куба, а при τ = τs деформируется пластически при постоянных напряжениях (τ = τs = const, γ → ∞).
3. Упругопластическое упрочняющееся тело отличается от идеального упругопластического тела только тем,
   что при τ > τs для приращения пластической деформации необходимо увеличивать напряжения.
4. Вязкое тело или тело Ньютона описывает зависимость скорости деформирования от напряжения, а именно
   dγ / dt = τ / η,где t – время; η – коэффициент вязкости твердого тела.

Виды и классы разрушения твердых тел

Разрушение называется хрупким, если необратимая (пластическая) деформация, предшествующая разрушению, практически отсутствует, но четко выражены поверхности разрушения. Разрыв – второй вид разрушения, при котором отсутствует поверхность разрушения, например, в результате пластической деформации растяжения сечение твердого тела уменьшается до исчезающе малых размеров. Хрупкое разрушение и разрыв являются предельными видами разрушения.

Пластическое разрушение – это промежуточный вид, который характеризуется значительной пластической деформацией, предшествующей разрушению, и явно выраженной поверхностью разрушения.

Рис. 1. Зависимости деформаций сдвига от касательных напряжений для хрупких (а), хрупко-пластичных (б) и пластичных (в) твердых тел и области их деформирования:
I — упругая; II — пластичная с упрочнением; III — пластичная с разупрочнением (разрушение)

Хрупкие твердые тела отнесены к первому классу (рис. 1, а). Они деформируются линейно до момента их разрушения.

Хрупко-пластичные твердые тела отнесены ко второму классу (рис. 1, б). Вторая область характеризуется пластическим деформированием при увеличивающемся напряжении (упрочнении). Третья область характеризуется пластическим деформированием при уменьшающемся напряжении. Говорят, что имеет место разупрочнение материала.

Прочность твердого тела в этом случае описывают двумя показателями: пределом прочности τс и пределом текучести τs.

Пластичные твердые тела (рис. 1, в) деформируются сначала упруго (первая область), затем пластически (вторая область), а разрушение не происходит. Такие горные породы отнесены к третьему классу и их прочность характеризуется только пределом текучести.

Напряженное состояние горных пород в недрах земли

Осредненные напряжения в горных породах называются горным давлением, которое характеризуется двумя компонентами: геостатическим давлением р_г и боковым давлением р_б.

Горные породы не являются идеально упругими твердыми телами, и в них в разной степени проявляется их вязкость, которая обусловливает такие процессы, как релаксация напряжений и ползучесть.

Осадочные породы представляют собой двухкомпонентные системы – твердый скелет и флюид, заполняющий поры, каверны и открытые трещины между элементами скелета. Естественное давление флюида в породах-коллекторах принято называть пластовым, а в непроницаемых породах – поровым.

Схемы воздействия элементов вооружения породоразрушающих инструментов на горную породу при бурении

По принципу воздействия на горную породу все механические породоразрушающие инструменты для бурения скважин можно разделить на режуще-скалывающие, дробящие и дробяще-скалывающие.

Из схемы видно, что элемент вооружения долота, перемещаясь со скоростью v_t, срезает (скалывает) горную породу.

Рис. 2. Схемы воздействия элементов вооружения породоразрушающих инструментов на горную породу при бурении: а — резание—скалывание; б — дробление; в — дробление—скалывание.

Долотом дробящего действия (рис. 2, б) наносятся прямые удары по поверхности забоя скважины.

Еще сложнее схема взаимодействия элементов вооружения дробяще-скалывающих долот (рис. 2, в). Зуб долота вдавливается в породу силой P_z и одновременно участвует в обусловленных кинематикой долота скольжении со скоростью v_t и вращении с угловой скоростью ω. В это же время соседний зуб движется к поверхности породы со скоростью v_y и наносит удар по поверхности породы. В следующие моменты времени нагрузка перераспределяется с первого зуба на второй, и далее первый зуб выходит из контакта с горной породой.

Элементы вооружения породоразрушающих инструментов имеют различную конфигурацию рабочей поверхности. В одних случаях это резцы с плоской или скругленной поверхностью режущей кромки, в других – зубья в виде клина с плоской или скругленной вершиной, а в третьих – штыри (зубки) со сферической головкой. Выбор формы рабочей поверхности подчинен проблемам обеспечения высокой интенсивности разрушения горной породы и достаточных прочности и износостойкости элементов вооружения.

Понятие о твердости

Твердость – это сопротивление, которое оказывает испытуемое тело при внедрении в него другого, более твердого тела.

Мерой твердости в технике является давление на поверхности контакта индентора, соответствующее достижению под индентором предельного состояния испытываемого материала.

Инденторы для испытания материалов на твердость классифицируются по виду их рабочей поверхности:
1. острые, например, конус для определения твердости по Роквеллу, пирамида Виккерса для определения твердости по Виккерсу и микротвердости минералов или материалов деталей весьма малых размеров;
2. сферические, например, шарик для определения твердости по Бринеллю;
3. с плоской рабочей поверхностью, например, цилиндрический штамп с плоским основанием для измерения твердости по Л.А. Шрейнеру.

Рис. 3.

Наиболее удобной геометрической формой индентора является цилиндрический штамп с плоским основанием (рис.3, а). Метод вдавливания штампа позволяет не только определять твердость горных пород, но и оценивать их упругие и пластические характеристики на небольших образцах и на кернах, извлекаемых в процессе бурения скважин с различных глубин залегания.

Рис. 4. Характерные графики зависимости нагрузки на штамп от глубины его вдавливания для пород:
а — хрупких, б — пластично-хрупких, в — высокопластичных и сильно пористых.

Обработка результатов испытаний. Горные породы по характеру зависимости нагрузки на штамп от глубины его внедрения делятся на три класса: I – хрупкие, II – пластично-хрупкие, III – высокопластичные и сильно пористые.

Л.А. Шрейнер предложил все горные породы по их твердости и пределу текучести по штампу разделить на 12 категорий.

Основные сведения об абразивности горных пород и изнашивании металлов

В горном деле под абразивностью горных пород понимают их способность изнашивать металлы при трении.

Изнашивание – процесс преимущественно механический (усталостные явления на поверхностях трения, их деформирование, царапание, резание), а поэтому показатели абразивности горных пород рассматриваются как показатели их механических свойств.

Под изнашиванием понимается постепенное изменение формы и размеров детали или инструмента в процессе работы. Результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения частиц твердого тела или остаточной деформации его поверхности, называется износом.

В технике используются, в основном, два показателя изнашивания:
1. интенсивность изнашивания – износ, приходящийся на единицу работы трения;
2. скорость изнашивания – износ в единицу времени a = W / t₀,
   где
   W – износ в любых единицах, например, в мг, мм, мм³ и т.д.;
   t₀ – время изнашивания твердого тела.

Вид и показатели изнашивания зависят от большого числа факторов, к основным из которых относятся: свойства трущихся поверхностей (шероховатость, соотношение твердостей), режим трения, вид и свойства среды, в которой работают детали или инструменты.

Режим трения характеризуется контактным давлением, скоростью относительного перемещения изнашиваемых поверхностей, характером приложения нагрузки, частотой взаимодействия и др.

Среда характеризуется, главным образом, смазывающей и охлаждающей способностями. Детали горного оборудования и инструмента чаще всего работают в воздушной среде, в воде и водных растворах, в среде углеводородных жидкостей (масла, буровые растворы на нефтяной основе), а также в различных эмульсиях.

Абразивность горных пород обусловливает долговечность бурильного и породоразрушающего инструментов и, следовательно, оказывает большое влияние на выбор техники и технологии бурения. Для определения показателей абразивности применяют два метода: метод изнашивания эталонного стержня (метод «сверления») и метод изнашивания вращающегося диска.

Метод изнашивания вращающегося диска разрабатывался по инициативе Л.А. Шрейнера применительно к работе инструментов с периодическим контактом элементов вооружения с забоем, характерным для шарошечных инструментов.

Рис. 5.

Образцы металла 1 (см. рис. 5) готовят из долотных сталей или твердого сплава, т.е. из того металла по отношению к которому определяют абразивность горной породы.

К группе высокоабразивных горных пород относят карбонатные и обломочные отложения с примесью кварца и халцедона песчаной фракции, алевролиты и мелкозернистые песчаники. Средне- и крупнозернистые кварцевые песчаники относятся к 12 категории.

Вопросы для подготовки к госэкзамену по специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин»