книги из ГПНТБ / Воздвиженский Б.И. Физико-механические свойства горных пород и влияние их на эффективность бурения

Рис. 69. Зависимость оптимального времени буреиия t от градиента затухания а при различном

времени, затраченном на спуск и подъем инструмента и на работы, связанные с бурением *в -

Рпс. 70. Номограмма определения проходки за рейс.

§ 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Все известные методы расчета (или определения по результатам бурения) декремента затухания а, механической скорости проходки и оптимального времени tonT механического бурения имеют свои недостатки. Эти методы или слишком громоздки, или же методика определения этих показателей не доработана. Однако сущность дан­ ного направления предварительного определения производитель­ ности бурения правильная.

Действительно, определив оптимальное время механического бу­ рения в рейсе и зная закон изменения i>u r во времени, можно сделать расчет оптимальной величины проходки за рейс при бурении с приме­ нением данного породоразрушающего инструмента. Формулы для определения проходки за репс в этом случае получаются громозд­ кими или неудобны для вычисления. В связи с этим для практиче­ ского использования удобнее всего построить номограммы.

После этого не представляет особого труда определить макси­ мальную рейсовую скорость проходки Up.m a x

Для выбора рационального породоразрушающего инструмента необходимо рассчитать теоретическую производительность и стои­ мость 1 м проходки при бурении на данной глубине в данной породе.

Таким образом, установление рациональных областей примене­ ния породоразрушающих инструментов сводится к следующему.

1.Устанавливают закон изменения ум г (t) в течение рейса при бурении различными инструментами.

2.Расчетным или экспериментальным путем определяют началь­

ную скорость бурения vo (также для различных инструментов). 3. Определяют коэффициент скорости абразивного износа а по­

родоразрушающего инструмента (декремент затухания имг).

4. Расчетным путем или по номограммам определяют оптималь­ ное время механического бурения в рейсе конкретным породоразрушающим инструментом при данной глубине скважины.

5. По данным v0, кп, а и і о п т делают расчет оптимальной проходки за рейс при бурении различными породоразрушающими инструмен­ тами (в зависимости от глубины скважин).

6. Делают расчеты по определению рейсовой скорости бурения, сменной производительности (или общего времени, затрачиваемого на 1 м проходки), стоимость 1 м проходки и делают окончательные выводы о целесообразности применения долота или коронки того или иного типа.

При бурении колонковых скважин величина проходки за рейс может ограничиваться геолого-техническими условиями (например для увеличения выхода керна фактическая hp может быть меньше оптимальной проходки за рейс, рассчитанной из условия достиже­ ния максимальной производительности).

§ 6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данные, приведенные в настоящей главе, позволяют сделать один из важнейших выводов, имеющий большое как научное, так и прак­ тическое значение: все корреляционные зависимости, устанавливае­ мые между каким-либо показателем физико-механических свойств горных пород-и средней механической скоростью бурения при буре­ нии любым способом и породоразрушающим инструментом, имеют

весьма ограниченное практическое значение. Это обусловлено тем, что среднюю механическую скорость бурения можно определить при самом различном времени в течение рейса. Учитывая, что конеч­ ная скорость бурения при прочих равных условиях зависит от сте­ пени износа нородоразрушающего инструмента, а степень износа зависит от времени механического бурения, использовать ранее по­ лученные зависимости между У м г и показателями физико-механиче­ ских свойств горных пород в других условиях очень трудно или почти невозможно.

Данный вывод в принципе не новый, однако подчеркнуть его большое значение следует, так как обзор литературных источников показывает, что в настоящее время многие исследователи при выводе эмпирических зависимостей используют значения именно средней механической скорости бурения^которая не соответствует максималь­ ной рейсовой скорости бурения (т. е. v„r определяют при і ф tonT). Кроме того, показатели средней ум г всегда используют для соста­ вления классификаций пород с целью нормирования буровых работ без достаточного обоснования величины проходки за рейс.

В связи с этим методы инженерных расчетов по показателям механических свойств пород необходимо разрабатывать с учетом уменьшения механической скорости бурения в рейсе из-за износа породоразрушающих инструментов.

Г Л А В А X I

НЕКОТОРЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ МЕТОДОВ ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТОВ С УЧЕТОМ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

§1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Анализ литературных источников, освещающих методы исполь­ зования показателей физико-механических свойств горных пород в практике бурения скважин, показывает, что сущность их при­ мерно одинакова: она заключается в установлении между какимлибо показателем производственного процесса и показателем физикомеханических свойств горных пород корреляционных связей. Такой метод имеет, безусловно, большое значение (прежде всего науч­ ное) с точки зрения изучения закономерностей процесса разруше­ ния горных пород.

Однако установленные закономерности справедливы лишь для конкретного породоразрушающего инструмента, применявшегося при проведении экспериментальных исследований. Кроме того, они спра­ ведливы лишь при определенных параметрах режима в определен­

И, наконец, необоснованный выбор показателей физико-механиче­ ских свойств горных пород приводит к тому, что установленные многочисленные частные закономерности оказываются в большинстве случаев "непригодными для широкого практического использования. Последующие исследования, как правило, приводят вне всякой связи с предыдущими часто и по другой методике, поэтому результаты оказываются иными. Незаконченные исследования (а такая незакон­ ченность имела место) способствуют разработкам новых методик и т. д.

Для разработки методики, пригодной для широкого практиче­ ского использования показателей физико-механических свойств гор­ ных пород, можно идти двумя путями. Первый путь заключается в том, что по разработанным в настоящее время методикам необходимо

провести большое колпчество экспериментов для установления частных закономерностей. После накопления достаточного коли­ чества экспериментального материала необходимо будет решить не менее трудную задачу по его обобщению и отбору всего полезного для составления единой универсальной методики инженерных рас­ четов. По существу сейчас и происходит процесс накопления резуль­ татов экспериментальных исследований.

Другой путь решения этой сложной задачи заключается'не в том, чтобы исследования вести большим коллективом специалистов по еди­ ной методике, разработанной с учетом перспективного плана.

§ 2. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА БУРИМОСТЬ ПОРОД

Разрушение пород при каждом способе буренпя породоразрушающим инструментом является достаточно сложным процессом, и механизм их разрушения до настоящего времени полностью не вы­ яснен. На процесс разрушения пород влияют различные природные.

Рис. 71. Схема качественного влияния природных, технических и тех­ нологических факторов на механическую скорость проходки при бурении скважин шарошечными долотами.

технические и технологические факторы, в результате чего все пред­ ложенные методы расчета производственных показателей пока являются приближенными.

Качественное влияние многочисленных взаимосвязанных фак­

Как видно из приведенного рисунка, основными факторами, влия­ ющими на vu при бурении шарошечными долотами (независимо

от способа очистки забоя от выбуренной породы), являются следу­ ющие:

1) конструкция вооружения долота; 2) режим разрушения гор­ ных пород; 3) размеры зон разрушения (объем лунок), образующихся при элементарном акте вдавливания индентора в породу; 4) качество очистки забоя от шлама.

Кроме этих основных факторов, на vM влияют многочисленные косвенные факторы. При этом взаимная зависимость всех влияющих факторов приводит к исключительно сложной картине.

вают все эти факторы при бурении колонковых скважин. Например, анализ показывает, что при ударно-вращательном бурении колон­ ковых скважин на механическую скорость бурения влияют более 30 различных факторов.

Нет необходимости перечислять факторы, влияющие на буримость пород при всех способах их разрушения, поскольку они хорошо известны. Здесь же приведен пример лишь для того, чтобы подчеркнуть всю важность учета основных факторов для практиче­ ских расчетов, а использование лишь одного или даже нескольких показателей физико-механических свойств пород без учета других факторов в научно-методическом отношении несостоятельно. Эта несостоятельность обусловлена тем, что характер влияния каждого фактора на эффективность разрушения пород (природного или тех­ нического) имеет свою специфику при каждом способе бурения.

Кроме того, механизм разрушения горных пород при каждом способе бурения имеет свои специфические особенности. При буре­ нии шарошечными долотами в твердых породах основной объем породы разрушается вдавливанием, а при бурении коронками, ар­ мированными резцами из твердого сплава, — резанием и скалыва­ нием. При любом изменении в конструкции или расположении рабо­ чего органа нородоразрушающего инструмента в процессе бурения происходит изменение характера напряженного состояния породы и энергетических затрат на ее разрушение.

В связи с этим при бурении интенсивность влияния на механиче­ скую скорость бурения других факторов также изменяется, хотя в целом закономерность этого влияния может оставаться прежней.

Иногда некоторые показатели физико-механических свойств по­ род могут влиять незначительно или вообще не оказывать влияния на механическую скорость бурения. Например, по-разному влияет на vM при шарошечном и гидроударном бурении абразивность, хотя в том и другом случаях горные породы разрушаются в основном вдавливанием.

Влияние всех этих факторов на механическую скорость бурения ни у одного из исследователей не вызывает сомнения, однако до на­ стоящего времени в технической литературе пока не было приведено единой общепризнанной методики исследования совместного влия­ ния всех этих факторов или хотя бы методики исследований

комплексного влияния показателей физико-механических свойств на эффективность разрушения горных пород без учета других факторов.

Все вышесказанное позволяет сделать выводы, которыми следует руководствоваться при изложении принципов классификации и ком­ плексного использования физико-механических свойств горных пород:

1)установленные корреляционные связи между буримостыо и ка­ ким-либо показателем физико-механических свойств горных пород действительны только для тех условий, при которых проводились исследования. Изменение этих условий хотя бы частично уменьшает тесноту корреляционных связей или нарушает ее совсем;

2)на механическую скорость бурения и величину проходки за рейс оказывает влияние не один какой-либо показатель физико-меха­ нических свойств горных пород, а несколько. В связи с этим тесная корреляционная связь буримостп с одним из показателей физикомеханических свойств пород может быть только при условии, что другие одноименные показатели свойств каждой из испытанных по­ род одинаковы пли близки между собой;

3)классификации горных пород, в основе которых лежит один или даже несколько показателей физико-механических свойств по­ род, для нормирования работ при проходке скважин в научнометодическом отношении несостоятельны;

4)для практики необходимо разработать новые принципы клас­ сификации и комплексного использования физико-механических свойств горных пород, которые удовлетворяли бы современные за­ просы науки и техники в области горного дела, и в том числе в бу­ рении.

§ 3. ВЗАИМНЫЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ СВЯЗИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

В настоящее время проводится большая работа по сопоставлению различных показателей физико-механических свойств пород [25, 29, 30, 36, ИЗ и др.]. Проведение подобных сопоставлений производится по трем основным причинам.

1. При разработке какой-либо новой методики определения ме­ ханических свойств пород полученные показатели сопоставляются с известными (общепризнанными) показателями. Примером такого сопоставления может служить (рис. 72) сопоставление показателей абразивности, определенной методом истирания стержня [30] и ме­ тодом истирания свинцовой дроби раздробленными массами [ИЗ]. Поскольку с ростом одного показателя возрастает другой, то отме­ чалось [113], что по абразивности раздробленных минеральных масс приближенно можно определить абразивность монолитной породы.

Очевидно, что при разработке новой методики определения фи­ зико-механических свойств пород главным критерием достоверности получаемых показателей является проверка по расчетным формулам технологических процессов, применительно к которым вели данную разработку.

2. Для доказательства своеобразности и особенности свойств нового показателя Л. И. Барон показал, что коэффициент трения стали или твердого сплава по породе имеет слабые корреляционные связи с другими показателями физико-механических свойств и, сле­ довательно, этот показатель является особым свойством пары «гор­ ная порода — резец (или зуб)». С этой целью сопоставления отдель­ ных показателей свойств пород Л. И. Барон делал неоднократно.

3. Для определения одних показателей свойств горных пород по показателям других, на рис. 73 приведена зависи­ мость динамической контактной пластичности пород от твердости по Шору Тш. На графике видна довольно четкая корреляцион­ ная связь этих двух показате­ лей (особенно при Г ш > 2 0 ) . Та­ кая же тесная корреляционная

Шору была получена в ЦНИГРИ при испытании осадочных пород Донбасса. Следовательно, по показателю Тш можно определять ди­ намическую контактную пластичность 0.

В данном случае взаимная зависимость показателей Тш и 6 ка­ жется вполне закономерной. Действительно, контактное упрочне­ ние породы при испытании на склероскопе Шора, как правильно от­ мечал М. И. Койфман [101, 102], носит ложный характер. Поскольку после первого удара разрушенные частицы заполняют поровое про­ странство и его дальнейшее движение ограничено матрицей породы, то естественно, что при последующем ударе упругие свойства породы возрастают и возрасгает соответственно высота отскока шарика. Уплотнение породы в месте удара будет тем больше, чем большая

ее мцкротрещциоватость и пористость. Следовательно, при меньшей Тш динамическая контактная пластичность 0 будет большей.

Общепризнано, что критерием пластичности пород может слу­ жить условный коэффициент пластичности, определенный методом вдавливания штампа.

Сопоставление динамической контактной пластичности 0 и услов­ ного коэффициента пластичности К некоторых пород Донбасса по­ казало совершенно произвольный разброс экспериментальных дан­ ных, что свидетельствует о том, что показатели К и 0 не идентичны.

Действительно, известны несколько типов связей в соединениях:

ствия проявляют себя одновременно, однако во многих случаях, особенио в сравнительно простых соединениях, один из видов связи определяет свойства твердых тел.

Любое вещество характеризуется определенными расстояниями, соответствующими положению равновесия элементарных частиц. При увеличении этого расстояния начинают превалировать силы притяжения, а при уменьшении — силы отталкивания. Очевидно, что прп разных расстояниях между частицами необходимо прило­ жить неодинаковую силу для разрушения кристаллической решетки. Величина этой силы определяется также видом связи между части­ цами и видом деформации. Этим и объясняется непостоянство соот­ ношения прочности на сжатие, разрыв, изгиб и сдвиг при испытании различных материалов, имеющих различный вид связи элементар­ ных частиц. Прочность же пород, кроме того, зависит от прочности между кристаллическими зернами.

Следовательно, в связи с различием в типе связи между части-4 цами в кристаллах и между самими кристаллами сопротивление по­ род разрушению зависит от того, какая доля при данной деформации приходится на долю сжимающих и растягивающих напряжений.

Именно поэтому сопоставление коэффициентов крепости по вре­ менному сопротивлению горных пород раздавливанию образцов пра­ вильной (сгс ж ) и неправильной (о'сж) Ф°рм с коэффициентом кре-