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

пости /, принятым на апатитовом руднике [40], показало, что / по

ваются растягивающие напряжения, а при определении / по а'сж недоучитываются напряжения сдвига. Исходя из этого, было пред­

изводственными показателями оказалась более тесной, чем корреля­ ция отдельных / по о с ж и а'сж.

Таким образом, теоретически не должно быть строгих взаимных связей различных показателей физико-механических свойств пород. Этп связи могут быть лишь между теми показателями, которые опре­ деляют при одинаковых или близких видах деформаций. Между тем, как уже отмечалось, известны многочисленные попытки установле­ ния корреляционных связей для определения одного показателя

приведены эмпирические зависимости соответствующих показате­ лей. Из приведенных зависимостей даже визуально видно, что наи­ более тесная корреляционная связь показателя дробимости z;m a x имеет место с / по методу толчения (динамической прочностью), ко ­ эффициентом крепости по о'сж и с / о с р . В принципе так и должно быть, поскольку физическая сущность определения всех этих показателей идентична.

Корреляционные связи показателя Vmax с р к и Тш также суще­ ствуют, но в связи с тем, что физическая сущность всех трех показа­ телей и методика их определения существенно различны, данные

тальных точек нельзя объяснить лишь статистическим характером связи двух механических характеристик, зависящим от неоднород­ ности испытуемых пород, погрешностей измерения и т. п.

При испытании пород одного минералогического состава в прин­ ципе корреляционные зависимости должны быть удовлетворитель­

оно изменяется всего в два раза. Эта величина все же относительно большая, поскольку соотношение различных минералов в граните может изменяться довольно в широких пределах.

Не случайно Ю. А. Алексеев [8] установил, что каждой группе пород присущ определенный вид корреляционной связи между различными показателями физико-механических свойств, поэтому корреляционные связи были установлены для аргиллитов, мергелей, алевролитов, песчаников, ангидритов, доломитов и известняков. Вид связей может быть линейным, параболическим и гиперболиче­ ским. Однако даже в этом случае коэффициенты корреляции и корре­ ляционные отношения изменялись в пределах от 0,66 до 0,94.

Таким образом, можно заранее предположить, будет ли удовлет­ ворительной корреляционная связь каких-либо двух показателей физико-механических свойств различных пород. Основным крите­ рием для этого вывода является соотношение растягивающих и сжи­ мающих напряжений при двух способах деформирования образцов пород. Анализ указанного соотношения особенно полезен в том слу­ чае, когда в расчетных формулах один показатель физико-механи­ ческих свойств пород хотят заменить по каким-либо причинам дру­ гим.

§ 4. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА СВОЙСТВ ПОРОД ДЛЯ ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ И Х РАЗРУШЕНИЮ

ПРИ БУРЕНИ И

Очевидно, что теснота корреляционных связей между показа­ телями физико-механических свойств пород и сопротивлением их разрушению при бурении и прочих равных условиях также зависит от соотношения различных видов напряжений. В связи с этим путь упрощения при выборе показателей физико-механических свойств для решения таких сложных задач, как расчет процесса разрушения горных пород при бурении скважин, непригоден. Он возможен для решения лишь некоторых частных вопросов применительно к кон­ кретным техническим или горно-геологическим условиям. Произ­ вольный выбор показателей физико-механических свойств пород заранее приводит к неточности расчета технологического процесса.

В то же время известно, что эффективность разрушения пород зависит от их напряженного состояния как на забое скважины (гор­ ное и гидростатическое давления), так и под породоразрушающим инструментом. Напряженное состояние пород при их разрушении под породоразрушающим инструментом зависит от типа инструмента.

Объективную оценку сопротивления пород разрушению необхо­ димо давать применительно к каждому способу бурения или к каж­ дому технологическому процессу, значительно отличающихся между

Рис. 74. Зависимость показателя дробимости V m a x от различных характеристик

собой механизмов разрушения пород. В бурении по способу механи­ ческого разрушения пород можно выделить несколько отдельных технологических процессов.

1.Бурение шарошечными долотами: а) типа М, С и СТ; б) типа Т, ТК, К и ОК; в) одношарошечными долотами.

2.Бурение алмазными долотами или коронками.

4. Ударно-вращательный способ бурения колонковых и взрывных скважин с применением специальных гидро- и пневмоударных ко­ ронок.

5. Бурение дробью.

При каждом из перечисленных впдов буренпя скважин под породоразрушающпм инструментом возникает специфическое поле на­ пряжений, которое определяет эффективность разрушения пород. Даже при одном виде бурения, но с применением породоразрушающнх инструментов, отличающихся по конструкции, возникает специфическое поле напряжений в породе в процессе ее разру­ шения.

Можно утверждать, что при данном технологическом процессе, при данных параметрах режима буренпя и при определенном диа­ метре скважины на производственные показатели работы породораз­

дача состоит в том, чтобы для оценки сопротивления пород разруше­ нию найти определенный комплекс-физико-механических и абразив­ ных свойств пород, характеризующих эффективность данного вида бурения в конкретных геологических условиях.

Расчет поля напряжений, возникающих под породоразрушающим инструментом, справедлив только в упругой области деформаций пород. При реальных же процессах разрушения (особенно при раз­ рушении пород вдавливанием, которое в большей или меньшей сте­ пени характерно для всех способов бурения) породы в подавляющем большинстве случаев деформируются пластически или псевдопластически, поэтому расчет силовых или энергетических параметров прак­ тически оказывается невозможным.

Прочность различных пород при различных видах деформаций непропорциональна, основные принципы выбора свойств пород для оценки сопротивления их разрушению можно сформулировать сле­ дующим образом.

1. Выбранный метод исследования физико-механических свойств пород должен наиболее полно отражать определенный процесс при их разрушении, а полученные показатели механических свойств должны помочь сделать оценку этому технологическому процессу и управлять им. Этот принцип основан на убеждении в том, что на современном этапе науки только моделирование процесса разрушения при единичном акте взаимодействия породоразрушагощего инстру­ мента с забоем может дать вполне объективный и достоверный ре-

зультат для совершенствования техники и технологии бурения сква­ жин, а также для нормирования буровых работ.

Указанный принцип не значит, что моделирование единичного акта разрушения пород при лабораторном определении физико-меха­ нических свойств должно быть полным. Речь идет лишь о том, чтобы моделировать главное в физической сущности процесса механиче­ ского разрушения пород при бурении скважин.

2.Разрушение горных пород при бурении является сложнейшим процессом, поэтому характеризовать его при прочих равных усло­ виях можно лишь с помощью нескольких показателей физико-меха­ нических свойств. Эти показатели могут быть различными в зависи­ мости от типа породоразрушающих инструментов и их назначения. При исследовании пород необходимо -определять полный комплекс их физико-механических свойств.

3.При выборе показателей физико-механических свойств пород следует исходить из того, чтобы одновременно их можно было ис­

теристик, обеспечивающих наиболее эффективное разрушение пород

механической скорости проходки при любых технологических пара­ метрах режима бурения;

в) при расчете износостойкости породоразрушающего инстру­ мента для определения оптимального времени механического буре­ ния и величины проходки за рейс.

4. Для широкого использования показателей физико-механиче­ ских свойств пород приборы для их определения должны быть по возможности простыми, а методика нетрудоемкой.

По результатам расчетов силовых и энергетических характери­ стик, а также результатов бурения можно будет определить другие технологические и конструктивные параметры, связанные с разру­ шением пород, а также решить вопрос о классификации пород для нормирования буровых работ.

Оптимальные (или рациональные) параметры режима бурения должны обеспечить максимальную производительность существу­ ющей техники и минимальную стоимость 1 м проходки. Именно эти требования определяют главные направления при поиске оптималь­ ных параметров режима бурения.

Одним из способов определения оптимальных параметров режима бурения является способ с использованием правильно выбранных показателей физико-механических свойств горных пород. Этому спо­ собу следует отдать предпочтение на том основании, что он позво­ ляет заранее учитывать сопротивление пород разрушению с учетом получения максимальной рейсовой скорости бурения и минимальной стоимости 1 м проходки.

В настоящей работе не становится задача установления показа­ телей свойств пород для оценки сопротивления их разрушению и,

тем более, не ставится задача расчета оптимальных параметров ре­ жима бурения. Для полного решения этой задачи в общем виде, как и для решения других вопросов, рассмотренных в настоящей главе, необходимо провести широкий комплекс аналитических и ла­ бораторных исследований.

Выше уже отмечалось, что при любом способе бурения механиче­ ское разрушение горных пород в большей или меньшей степени связано с вдавливанием в нее элементов разрушающего инструмента (зуба шарошечного долота, резца буровой твердосплавной коронки и т. д.). Исходя из этого, характеристики, получаемые при дефор­ мации породы вдавливанием, должны быть основными для оценки сопротивления пород разрушению.

Некоторые исследователи считают, что деформаций вдаливания не существует, а есть лишь деформации при элементарных видах напряжений. Такие возражения справедливы, однако современные знания о процессах, разрушения твердых тел при пластических дефор­ мациях вообще и горные пород, в частности, настолько несовер­ шенны, что вести какие-либо расчеты для практических целей при бурении в этом случае нецелесообразно. Поскольку эти расчеты не­ возможны, то для оценки сопротивления пород разрушению при бу­ рении следует применять те свойства, при определении которых вос­ производится объемно-напряженное состояние забоя при воздей­ ствии на него породоразрушагощего инструмента.

К такому свойству относится, прежде всего, твердость горных пород, которая может быть использована (и в некоторых случаях используется) для расчета осевой нагрузки.

Вто же время в ряде случаев сопротивление пород разрушению

взначительной или даже в равной степени определяется другими видами деформаций (например, при бурении твердосплавными корон­ ками колонковых скважин и др.), поэтому для полной оценки горной породы, как объекта разрушения, сопутствующие виды деформаций обязательно необходимо учитывать.

Во всех случаях для расчета силовых характеристик необходимо знать также коэффициент трения пары «сталь — твердый сплав или алмаз — горная порода» и показатель жесткости. Соотношение каж­ дого из этих свойств может быть выявлено при анализе сил, действу­ ющих на конкретный породоразрушающий инструмент, и при вы­ явлении механизма разрушения горных пород.

В целом принцип разработки методики расчета необходимых силовых характеристик при бурении скважин должен производиться

вследующем порядке.

1.Производится графический анализ сил, действующих на рабо­ чий орган породоразрушагощего инструмента.

2.На основании этого анализа производится выбор показателей физико-механических свойств пород.

3.На основании графического анализа сил и проведения лабора­ торных исследований устанавливают эмпирические формулы для расчета осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент.

4. Указанные расчеты проверяют в лабораторных и производ­ ственных условиях на основании получения максимальной произво­ дительности буровых работ.

Следовательно, указанный принцип расчета силовых характери­ стик имеет полуэмпирический характер. Его преимущество перед другими методами заключается в том, что после проведения срав­

методов определения механических свойств горных пород вдавлива­ нием наиболее приемлемым является метод вдавливания штампа в шлифованную поверхность, поскольку он наиболее точен и доста­ точно прост. Кроме того, при расшифровке диаграмм «нагрузка — деформация» определяют не только прочностные, но и пластические свойства, а ровная поверхность образца позволяет достаточно точно определять линейные размеры лунки разрушения и ее объем.

Некоторые исследователи справедливо указывают, что для про­ ведения опытов по методике вдавливания штампа требуется зна­ чительные затраты времени на подготовку образцов пород.

Что же касается определения временного сопротивления пород скалыванию, то желательно было бы разработать новый метод, кото­ рый помог бы объективно оценить усилие, необходимое для наиболее эффективного разрушения пород при горизонтальном перемещении инструмента. Создание такого метода является необходимым усло­ вием для расчета окружного усилия на буровые коронки и долота режущего типа.

Не менее важной является задача расчета скорости вращения породоразрушающего инструмента. Основной предпосылкой для рас­ чета скорости вращения является время, необходимое для реализа­ ции осевой нагрузки, подведенной к инструменту. Это время при прочих равных условиях, очевидно, зависит от нескольких свойств горных пород — пластичности, прочности на вдавливание и скалы­ вание и диаметра зон разрушения под породоразрушающим инстру­ ментом.

Использование показателей физико-механических свойств гор­ ных пород для расчета параметров режима бурения связано с труд­ ностями масштабного характера и геометрической формой инстру­ мента. Поэтому установление приемлемых зависимостей между по­ казателями, полученными при разрушении пород инденторами раз­ личных размеров и формы, является также одной из важных задач исследователей. Эти зависимости должны быть установлены не на одной породе, а на породах различных физико-механических свойств.

Механическая скорость бурения в течение рейса при прочих рав­ ных условиях зависит от времени механического бурения. В связи с этим методику расчета средней vMr можно разработать примени­ тельно к бурению скважин в течение определенного времени в рейсе.

Более универсальную методику расчета показателей бурения также можно разработать, но тогда необходимо знание достоверного за­ кона изменения ум во вредіени в течение рейса. Для разработки этой методики прежде всего необходимо знать величину начальной механической скорости бурения.

Поскольку на ум влияет много различных факторов, учесть которые в расчетных формулах практически невозможно, то при каж­ дом виде бурения необходимы анализ и отбор основных факторов для установления расчетных формул. Во всяком случае формула для определения vo в большей или меньшей степени может быть дей­ ствительной лишь применительно к бурению скважины породоразрушающим инструментом определенного типа и обязательно должна включать в себя две группы факторов, влияющих на эффективность разрушения пород, •— их физико-механпческие свойства и пара­ метры режима бурения.

Для проектирования параметров режима бурения необходимы по крайней мере твердость, прочность на скалывание, пластичность, размеры зон разрушения, жесткость горных пород и коэффициент трения пары «металл — порода». Эти свойства должны определять также величину начальной механической скорости проходки.

При оптимальных параметрах режима бурения процесс разруше­ ния породы происходит за один цикл нагружения. При значениях осевой нагрузки меньших, чем оптимальные величины, происходит объемно-усталостный режим разрушения горных пород (как правило, бурение ведется именно в этом режиме разрушения). В связи с этим необходимо изучение усталостных свойств горных пород, конечной целью которого должно явиться установление числа циклов N, не­ обходимых для полного разрушения породы при различных соотно­ шениях оптимальной и фактической нагрузок на породоразрушающий инструмент, пли, что то же самое, при различном соотноше­ нии фактических напряжений, возникающих в породе при данном виде деформаций, к пределу прочности пород при вдавливании и ска­ лывании.

Эффективность разрушения породы при прочих равных усло­ виях определяется размерами зон разрушения породы при элемен­ тарном взаимодействии индентора с породой, которые зависят от конструктивных параметров породоразрушающего инструмента (раз­ меров, формы и количества рабочих органов, угла атаки породы и т. д.). Размеры зон разрушения можно определять в лабораторных условиях, но применять их в практических целях можно лишь после установления некоторых коэффициентов, учитывающих конструк­ тивные особенности породоразрушающих инструментов.

При разрушении пород вдавливанием (при шарошечном, ударновращательном бурении) для этой цели успешно могут быть исполь­ зованы для расчетов диаметр Дл. р и глубина h3. ? зон разрушения, образующихся при вдавливании штампа в шлифованную поверх­ ность образцов пород. При бурении инструментом режущего типа главными показателями являются глубина зон разрушения Нл, р

ижесткость пород \рж (некоторую роль играет при разрушении пород также' Дз.р).

Следовательно, начальная механическая скорость при бурении незатупленным инструментом каждого типа является функцией прочностных и пластических показателей физико-механических свойств пород; размеров зон разрушения, образующихся при эле­ ментарном взаимодействии инструмента с породой; жесткости пород

икоэффициента трения резца с породой; предела усталости гор­ ных пород, учитывающего влияние параметров режима бурения; коэффициентов, учитывающих влияние конструктивных параметров породоразрушающих инструментов; коэффициентов влияния на vo факторов, связанных с глубиной бурения.

При расчетах следует учитывать еще один важный фактор—диа­ метр породоразрушающего инструмента. Анализ литературных источников, выполненный Э. И. Маркензоном [40], показал, что при­ менительно к ударно-поворотному (перфораторному) бурению шпу­ ров ни одна из известных формул, выражающих зависимости ско­ рости бурения от диаметра головки бура, не может быть универсаль­ ной. Исследования, проведенные на апатитовом руднике, показали, что вид этих связей зависит от физико-механических свойств горных пород и технических условий бурения.

По-видимому, при бурении разведочных колонковых скважин эти зависимости также могут принимать различный вид, поэтому для решения данного вопроса требуется постановка специальных исследований.

§ 5. ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БУРОВЫХ РАБОТ

И РАЗРАБОТКА КЛАССИФИКАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД

Производительность буровых работ можно определить по вели­ чинам проходки за рейс и средней механической скорости бурения. Максимальная производительность может быть достигнута при ра­ циональном времени механического бурения, которое можно опре­ делить на основании знания закона изменения механической ско­ рости проходки во времени в течение рейса и затрат времени на спус- ко-подъемные и сопутствующие рейсу операции.

Поскольку единый закон изменения vM во времени не установлен, поэтому необходимые расчеты производительности буровых работ усложняются. В связи с этим одной из первоочередных задач яв­ ляется установление точных законов изменения УМ ВО времени для различных породоразрушающих инструментов.

При установлении закона изменения УМ ВО времени наиболь­ шую трудность представляет выбор показателей свойств пород, в ко­ торых следует вести исследования. По-видимому, такими свойствами должна быть твердость и абразивность горных пород. Для этого необходимо составить классификацию пород по этим показателям и в дальнейшем вести исследования для определения vH (t) в породах

каждого класса с установлением постоянных параметров найден­ ного закона.

Вероятнее всего, что вид зависимости им (t) при бурении данным породоразрушающим инструментом может быть единым во всех поро­ дах. Параметры режима бурения и физико-механические свойства пород будут изменять лишь величину коэффициентов этих формул. Возможно, что зависимость va (t) окажется единой для отдельных групп породоразрушающих инструментов (например, для мелкоал­ мазных коронок всех типов и размеров, шарошечных долот с клино­ видными зубьями и т. д.).

нических свойств пород для расчета постоянных коэффициентов уравнения должна быть абразивность. Величина же проходки на по­ родоразрушающий инструмент зависит не только от скорости его износа, но и от интенсивности разрушения пород. Следовательно, расчет величины проходки за рейс или на инструмент еще более сло­ жен, чем расчет начальной механической скорости проходки и яв­ ляется фуннией не только тех показателей, которые влияют на на­ чальную скорость vo, но и функцией абразивности пород.

В главе I X уже отмечались недостатки существующих классифи­ каций всех групп. Кажется вероятным, что можно создать новую классификацию, которая отвечала бы современным требованиям наук и техники. Новая классификация должна быть единой, но гибкой и динамичной, с помощью которой можно было бы решать не только вопросы нормирования буровых работ, но и некоторые другие (например проектирование параметров режима бурения и др.):

Очевидно, что создать новую классификацию по принципу ком­ плексного ее использования трудно, поэтому в данной работе сде­ лана попытка наметить лишь принципиальные пути решения этой

кремент затухания скорости бурения во времени. Определение вели­ чин этих параметров при различных природных и технических усло­ виях является генеральной задачей новой классификации (задача упрощается, если vu в рейсе, например, при бурении импрегнированными коронками, постоянна). От их величины зависят время продолжительности рейса t, рейсовая проходка и, следовательно, рейсовая скорость проходки vp. Исходя из этого, решению данной задачи должны быть посвящены все исследования при разработке новой классификации. Методические принципы и порядок решения этой проблемы должны заключаться в следующем.

После выбора главных показателей физико-механических свойств, всесторонне характеризующих сопротивление породы разрушению при данном способе бурения (путь упрощенчества при решении такой