РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ВНИМАНИЕ Данная как

РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

ВНИМАНИЕ !!! Данная (как и последующие) презентация является иллюстративным материалом к учебному пособию «Разрушение горных пород» (авторы Попов А. Н. , Трушкин Б. Н. , Трушкин О. Б. ) и не отменяет изучение самого пособия!

В результате освоения дисциплины обучающийся должен: знать: - методы разрушения горных пород; - назначение, классификацию породоразрушающих инструментов и требования к ним; - абразивность горных пород по отношению к стали и твердому сплаву; - показатели абразивности и классификацию пород по этим показателям; - параметры режима работы долот и показатели их работы; - критерии оптимизации выбора и режима работы долот; - конструктивные особенности основных типов долот и бурильных головок; - виды и области разрушения горных пород при бурении скважин; - основные типы бурильных головок и керноприемных устройств; - причины разрушения керна при бурении и методы обеспечения необходимого выноса керна.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен: уметь: - классифицировать породоразрушающий инструмент по различным признакам; - классифицировать горные породы по показателям механических свойств горных пород, определяемых методом статического вдавливания штампа и по показателям абразивных свойств; - выбрать тип породоразрушающего инструмента и режимы его работы для бурения пород с конкретными показателями механических свойств; - рассчитать долговечность вооружения долот первого класса по заданным параметрам его работы и показателям абразивности породы.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен: владеть: - методикой определения показателей механических свойств горных пород методом статического вдавливания штампа; - методикой кодирования долот по системе Международной ассоциации буровиков подрядчиков; - методикой расчета оптимальных нагрузок на шарошечное долото; - методикой расчета долговечности вооружения долот первого класса.

ЛИТЕРАТУРА: 1. Попов А. Н. , Б. Н. Трушкин, О. Б. Трушкин Разрушение горных пород. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2016. - 138 с. 2. Попов А. Н. , Трушкин Б. Н. Разрушение горных пород: учеб. – методич. пособие к выполнению курсовой работы для студентов специальности 130504 - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010, - 22 с. 3. Попов А. Н. , Матвеев Ю. Г. Конструкции и основные характеристики породоразрушающих инструментов: учеб. методич. пособие к лабораторной работе по дисциплине "Разрушение горных пород при бурении скважин"для студентов специальности 130504 "Бурение нефтяных и газовых скважин"- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005, - 37 с.

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ по происхождению делятся на магматические образовались из магмы в результате ее застывания на глубине или лавы, излившейся на поверхность осадочные метаморфические образовались в результате химико-физического преобразования ранее существующих пород с последующим их переносом и отложением в виде пластов (слоев). В эту группу также входят породы, образованные в результате жизнедеятельности организмов (органогенные осадочные породы). образовались в результате преобразования магматических и осадочных пород под действием высоких давления и температуры.

ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ обломочные Обломочные глинистые (54 %) Обломочные мелкозернистые и песчаные (21 %) Кристаллические хемогенного и органогенного происхождения (24 %) хемогенные кристаллические Вид связей Связные Сцементирован ные Глины Аргиллиты, глинистые сланцы Рыхлые Сцементирован ные Алевриты, пески Алевролиты, песчаники Кристаллизацион ные Известняки, Доломиты, ангидриты, Гипсы, каменная соль, калийная соль, бишофит В скобках показано осредненное содержание рассматриваемых горных пород в разрезах нефтяных и газовых месторождений Описанием пород по составу занимается наука литология.

С точки зрения бурения скважин важными являются следующие геологические характеристики пород: минералогический состав строение неоднородность Строение горных пород описывается двумя основными признаками: структурой обусловлена размером, формой и характером поверхностей слагающих породу обломков и кристаллитов текстурой характеризует особенности сложения породы (слоистость, сланцеватость, пористость, трещиноватость) Важнейшими характеристиками строения горных пород являются их пористость и проницаемость. обусловлена наличием пустот в горной породе и характеризуется коэффициентом пористости характеризует сообщаемость пор

Месторождения нефти и газа приурочены к пористым проницаемым горным породам, которые называют коллекторами.

Методы разрушения горных пород и способы бурения скважин механический ударный вращательный ударновращательный электрофизический термический

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД Свойства горных пород, которые проявляются в механических процессах (при деформировании, разрушении и изнашивании) называются механическими. - прочность горной породы; - твердость горной породы; - абразивность горной породы.

Испытания горных пород методом одноосного сжатия предел прочности на одноосное сжатие: Fmax Классификация горных пород по показателю прочности на одноосное сжатие Группы Очень слабые Средние Прочные Очень прочные Категории 1, 2, 3 4, 5, 6 7, 8, 9 10, 11 12 σсж, МПа < 70 70 -160 160 -320 320 -650 >650

Схема деформирования и разрушения горной породы при статическом вдавливании штампа 4 а – упругое вдавливание; б - хрупкое разрушение горной породы в конце вдавливания; 1 – штамп; 2 – горная порода; 3 – обломок горной породы; 4 - лунка F - нагрузка на штамп; h - глубины внедрения штампа в породу

Зависимости Хрупкая порода , полученные на установке УМГП-3 Пластично – хрупкая порода Высокопластичная порода Зависимости , полученные на гидравлическом прессе

Методика расчета показателей механических свойств горных пород Показатели, характеризующие прочностные свойства породы 1. Твердость горной породы по штампу рш = Fmax/S , МПа (Н/мм 2), где Fтах – нагрузка на штамп в момент хрупкого выкола. S – площадь контакта штампа с горной породой, мм 2, S = 0, 785 d 2, где d – диаметр штампа, мм. Для высокопластичных пород рш не определяется. 2. Предел текучести горной породы по штампу ро = F 0 / S, МПа (Н/мм 2), где F 0 – нагрузка на штамп, соответствующая переходу от упругого деформирования к неупругому

Показатель, характеризующий упругие свойства породы 3. Модуль деформации при вдавливании C = F 0 /(d ho), МПа, где h 0 – глубина погружения штампа в породу, соответствующая переходу от упругого деформирования к неупругому Показатель, характеризующий затраты энергии на разрушение породы 4. Энергоемкость разрушения породы AV=AР / Vл, Дж/ см 3 где АР – полная работа, совершаемая штампом при образовании лунки объемом VЛ. VЛ – определяется методом заполнения лунки парафином или пластилином.

Классификация горных пород по твердости Группы Мягкие Средние Твердые Крепкие Очень крепкие Категории 1, 2, 3 4, 5 6, 7 8, 9 10, 11, 12 рш, МПа < 600 -1400 -2900 -5900 >5900 В нормативной документации по технологии бурения широко используется оценка твердости пород в категориях. Наиболее просто задача определения твердости Н в категориях решается, если известны прочность на одноосное сжатие, твердость или предел текучести по штампу: Н = 12(1 – ехр(-0, 02377σсж 0, 687)), кат. ; Н = 12(1 – ехр(-0, 00487·рш0, 666)), кат. ; Н = 12(1 – ехр(-0, 0349·р00, 433)), кат.

При бурении скважин одним из основных видов деформирования горных пород является динамическое вдавливание элементов вооружения породоразрушающих инструментов. Поэтому: Рассмотрим особенности разрушения горных при динамическом (по вдавливании пород штампа данным Н. М. Филимонова и К. И. Вдовина). В качестве аргумента принята энергия удара штампа о горную породу Т.

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа Р P - нагрузка на штамп; 1 – штамп; Р Р Р 2 – лунка; 3 - обломки горной породы; а – начало разрушения; б, в, г – соответственно первый, второй и третий скачки разрушения породы. Всего бывает до 4 -х скачков разрушения при одном акте воздействия штампа на породу

Зависимости энергоемкости разрушения породы AV и объема лунок V от энергии удара Т С увеличением энергии воздействия энергоемкость разрушения скачкообразно уменьшается, а объем лунки ступенчато растет. Минимумы энергоемкости выделяют как скачки разрушения

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т Подготовка первого скачка Первый скачок разрушения породы - обломки 1 2 3 Под действием нагрузки P на штамп 1 в породе 2 формируется область предельного состояния породы 3 (ядро всестороннего сжатия). Давление в ядре растет вместе с сжатия увеличением нагрузки P и передается на окружающую его породу. При достижении в окружающей ядро породе предельных напряжений в ней образуются боковые трещины и происходит хрупкое разрушение окружающей ядро породы. За одно воздействие - один выкол

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т Переходная область - подготовка второго скачка разрушения - Второй скачок разрушения породы - За одно воздействие - два последовательных выкола

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т Переходная область – подготовка Третий скачок разрушения третьего скачка разрушения - породы - За одно воздействие - три последовательных выкола породы

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т Переходная область - подготовка четвертого скачка разрушения Четвертый скачок разрушения породы - За один акт воздействия четыре последовательных выкола породы

Влияние дифференциального давления на разрушение горной породы вдавливанием Дифференциальное давление рд рд = рс - рп рс - рт = ру, где р0 з – предел текучести горной породы в забойных условиях; а – коэффициент пропорциональности

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

Изнашивание, износ, поломка Изнашивание - процесс постепенного изменения формы и размеров твердого тела при длительном взаимодействии с другим твердым телом. Износ – результат процесса изнашивания. Величина износа измеряется Поломка – процесс изменения формы и размеров твердого тела в результате однократного взаимодействии с другим твердым телом.

Два показателя изнашивания: 1) интенсивность изнашивания - износ, приходящийся на единицу работы трения; 2) скорость изнашивания - износ в единицу времени. а = W/to, где а - скорость изнашивания; W - износ в любых единицах, например, в мг, мм 3 и т. д. ; to - время изнашивания твердого тела.

Факторы, влияющие на изнашивание. Свойства трущихся поверхностей характеризуются шероховатостью, соотношением твердостей поверхностей Режим трения характеризуется контактным давлением, скоростью относительного перемещения изнашиваемых поверхностей обобщенным показателем - удельной мощностью трения Nуд: Nуд = fpvt , где р - давление на поверхностях трения; f - коэффициент трения; vt - скорость относительного перемещения изнашиваемых поверхностей. Среда характеризуется смазывающей и охлаждающей способностями.

Схема изнашивания эталонного стержня Эталонный стержень из стали «серебрянки» диаметром 8 мм, с одного торца отверстие диаметром 4 мм глубиной 10 мм. Сверлят по 5 минут каждым торцом. Определяют а. Э суммарный массовый износ в мг/10 мин. По аэ классификация Все горные породы делятся на восемь классов от весьма малоабразивных до в высшей степени абразивные 1 – горная порода; 2 – эталонный стержень

Схема изнашивания вращающегося диска n 1 – диск из долотной стали радиусом R и шириной рабочей поверхности b; 2 – образец горной породы; 3 – подвод охлаждающей жидкости Параметры режима испытаний: P – нагрузка на диск, Н; n – частота вращения диска, об/с; Vп – скорость протяжки образца породы, мм/с. Измеряется: МТР - момент трения на диске, Н·мм; ΔR - потеря радиуса диска (мм), за время Δt, с.

Обработка результатов экспериментов Рассчитываются: Скорость изнашивания долотной стали а = ΔR/Δt, Параметр режима работы - удельная мощность трения Nуд Мощность трения: Рабочая поверхность диска: отсюда: По результатам испытаний строятся зависимости а от Nуд,

Зависимости скорости изнашивания долотной стали от удельной мощности трения 4 – зависимость для обломочных пород; 5 – зависимость для кристаллических пород выделены три области изнашивания стали по существенному изменению характера зависимости а от Nуд.

Первая область ( Nуд < 0, 4 Вт/мм 2) – область окислительного изнашивания В первой области скорость линейно зависит от удельной мощности трения, т. е. где А 0 - экспериментальный параметр, зависящий от абразивности породы. Вторая область (от Nуд 1 до Nуд 2) - область теплового изнашивания Вторая область изнашивания характерна для работы элементов вооружения породоразрушающих инструментов шарошечных долот для обломочных горных пород где А и В - экспериментальные параметры уравнения изнашивания, зависящие от абразивности горной породы для кристаллических осадочных горных пород где А и k - экспериментальные параметры, зависящие от абразивности породы.

Третья область изнашивания ( Nуд > Nуд 2) – область катастрофического изнашивания наблюдается только при разрушении наиболее твердых пород. Скорость изнашивания твердого сплава при разрушении горных пород в 80… 120 раз меньше, чем скорость изнашивания закаленной стали, и прямо пропорциональна удельной мощности трения. Однако при Nуд > 4 Вт/мм 2 наблюдается резкое увеличение скорости изнашивания твердого сплава,

Показателей абразивности горных пород. Классификации по абразивности Показатели абразивности определяют по областям изнашивания. В первой области в качестве показателя использован угловой коэффициент А 0 уравнения при Nуд = 0, 2… 0, 3 Вт/мм 2 а 11 = А 0 первая цифра индекса показателя - область изнашивания, - вторая - условная удельная мощность

Для второй области изнашивания в качестве показателей абразивности используются две величины скорости изнашивания: а 21 при Nуд = 1 Вт/мм 2 и а 25 при Nуд = 5 Вт/мм 2 (в индексах при а цифра 2 означает вторую область изнашивания, а цифры 1 и 5 - значения Nуд).

Классификация абразивности горных пород по отношению цементированной закаленной стали марки 20 ХН 3 А По второй области изнашивания по показателю а 21. Все горные породы разделены на 12 категорий, которые объединены в три группы по четыре категории в каждой. Классификация по абразивности осадочных горных пород по отношению к закаленным сталям Группы Категории а 21, мм/ч Малоабразивные (неабразивные) Средней абразивности Высокоабразивные (абразивные) 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8 9, 10, 11, 12 < 0, 2 -1, 2 > 1, 2

Определение абразивности горных пород в категориях. В промысловой практике широкое применение находят показатели абразивности горных пород, выраженные в категориях. по данным испытаний методом изнашивания диска Косвенный метод (метод аналогий) оценки абразивности в категориях по шламу и другой геолого-геофизической информации