Описові моделі процесів руйнування гірських порід при бурінні сучасними долотами

Із усіх можливих способів заглиблення свердловин найпоширенішим є механічне руйнування гірських порід шляхом послідовного впорядкованого контактування інденторів (тобто елементів озброєння долота) з локальними ділянками вибою і вилучення зруйнованої породи струменем бурового розчину. Ефективність розподілу окремих механічних контактів по площі вибою забезпечується певними схемами розташування інденторів на боковій поверхні конусоподібних шарошок, що перекочуються по вибою, або ж ці індентори розміщені певним чином на поверхні долота стираючого чи ріжучого типів у вигляді різців. Таким чином при бурінні маємо безперервну або періодичну дію інденторів на породу.

Механічне руйнування вибою жорсткими інденторами поки що найефективніше серед відомих методів буріння, бо лише таким чином удається реалізувати найбільш спрямований процес витрати енергії на створення і розвиток в породі магістральних тріщин.

Магістральні тріщини потрібні для роз’єднання одразу великих об’ємів зруйнованої породи. Задача полягає в тому, щоб за допомогою таких тріщин направлена енергія витрачалася лише на утворення нової поверхні. Новоутворена поверхня повинна обмежувати якомога більші куски породи і мати під собою якнайменшу товщину незворотно деформованого шару, який називають “комірцями” тріщин. Мікротріщинуватість або пластична деформація, що супроводять розвиток тріщин у вказаних “комірцях”, збільшують загальну роботу руйнування в сотні і тисячі разів. Часто вся енергія витрачається саме на вище згадані процеси, і роз’єднання породи на частини не відбувається.

Дія на породу індентора (зуба, зубця, різця) пов’язана з реалізацією двох завдань. По-перше, індентор повинен заглибитися в породу в зоні контакту з нею. По-друге, він повинен сколоти оточуючу породу по деякій магістральній тріщині аж до межі з ділянками, що припадають на сусідні індентори озброєння долота.

Ці два завдання повинні вирішуватися послідовно, і їх можна вважати двома стадіями дії долота на породу.

На рис. *** показано варіанти схематичного представлення процесів руйнування порід озброєнням сучасних доліт. Вони отримані на базі аналізу різних експериментальних даних.

За першою схемою (див. рис. ** а) при вертикальному втискуванні індентор під його контактною площадкою з породою при дії контактного тиску P_z спочатку з’являються прикромкові концентрації напружень, а потім – граничний глибинний напружений стан (ГНС) вздовж поздовжньої осі індентора.

Прикромкова концентрація напружень уже на ранній стадії втискування формує під кромкову граничну зону, боковий розпір якої спричинює сколювання породи з утворенням прикромкової зони руйнування.

При подальшому втискуванні зона глибинного ГНС з’єднує прикромкові деформаційні “вуса”, забезпечуючи тим самим утворення під площадкою контакту індентора з породою приблизно півсферичного породного ядра. На цьому перша стадія втискування закінчується. Якщо індентор продовжує занурюватися в породу вертикально, боковий розпір ядра розпирає породу-матрицю, котра сколюється по деякій тріщині, яка і називається магістральною (показана штриховою лінією). Крім цього при сколюванні потрібно перебороти опір тиску бурового розчину, який притискує частинку до вибою. Так закінчується друга стадія процесу втискування. Всебічне дослідження і розрахунок процесу руйнування породи за даною схемою здійснив Колєсніков Н.А.

Втискування “зацентрованого” індентора, який має робочу поверхню у вигляді півсфери, конуса, усіченої піраміди чи клина, можна розглядати як різновид першої схеми (див. рис. ** б). В цьому випадку сам індентор частково є “ядром”, який при зануренні “розсовує” породу. Під дією вертикального тиску P_z в глибині масиву виникає зона граничного стану, котра одночасно з індентором розпирає породу. Крім P_z, на породу діє тиск бокового розпору , де g – кут, утворений робочою поверхнею індентора з віссю симетрії, і тиск сил тертя .

Більш узагальнений вид дії на породу здійснюється за третьою схемою (рис. ** в), коли крім вертикально Dz має місце і бокове зміщення Dx індентора при його втискуванні в породу. Це так зване, косе або складне втискування, яке відбувається при приблизно постійному співвідношенні

, ()

При вказаному кінематичному обмеженні дія в напрямі осі OХ передається в вигляді сил тертя по площадці контакту і вигляді опору породи зрізуванню при одночасному зануренні індентора під дією вертикально розподіленого зусилля P_Z. Як показали дослідження Байдюка Б.В. останнє має місце лише для дуже пластичних порід. Для всіх інших порід через прикромкове сколювання породи на ранній стадії втискування величина P_X передається тільки через тертя по площадці контакту і при необмеженому зростанні Ke має місце де f_тр – коефіцієнт тертя індентора по породі.

Горизонтальне зусилля P_X впливає на процес втискування на усіх його стадіях, починаючи з активізації прикромкового мікроруйнування і утворення “ядра”, і закінчуючи боковим сколюванням “матриці” з утворенням лунки руйнування, видовженої в напрямі дії сили P_X. Такий вид дії на породу є головною складовою частиною практично всіх способів механічного буріння.

За третьою схемою (рис. ** г), яка є подальшим розвитком другої, у індентора немає гострих кромок на периферії площадки контакту і тому “ядро” в попередньому вигляді не формується (у кромок немає “вусів”). Зберігається лише нижня “придонна” частина ядра, на якій покоїться шар породи, прилеглий до індентора.

Через свою випуклість поверхня контакту індентора з породою є відносно великою і через тертя по ходу руху індентора створюється великий тиск P_X, прикладений до об’єму породи, розташованого поблизу індентора. Цей об’єм, відділений знизу від основної породи нижньою частиною “ядра”, захоплюється рухомим індентором під дією сил тертя, і таким чином формується об’ємне руйнування при бурінні. Такий спосіб дії на породу реалізується при алмазному бурінні, а також при бурінні долотами ріжучого типу із сильно затупленими різцями.

Четверта схема дії відображає процес різання гірської породи гострим або помірно затупленим (закругленим через зношування вістрям) різцем (див. рис. ** г).

Як показали дослідження, різання гірських порід відбувається не суцільною безперервною стружкою, а шляхом послідовних сколювань, причому рухомий різання породи не відбувається безперервною стружкою, а через послідовні сколювання коли різець кожен раз зрізує поверхню породи, що залишилася від попереднього сколювання. Ця поверхня підіймається догори спочатку плавно, а потім – різко. Можна помітити, що четверта схема є різновидом другої схеми. Однак, при цьому індентор має лише одну кромку, а вся інша поверхня не контактує з породою. Завдяки зменшенню площі контакту відносна величина горизонтальних сил тертя зведена до мінімуму. Але роль прикромкового контактного тиску P_Z сильно збільшена, так що під індентором досить швидко (див. рис. **в) досягається умова утворення прикромкового “мікроядра” і наступного за цим мікросколювання породи по ходу руху індентора. При цьому через малу контактну площу прикладена до різця сила здатна призвести до скачкоподібного руйнування під кромкою індентора. Воно відбувається при косому (складному) втискуванні за другою схемою руйнування.

Оскільки індентор рухається горизонтально, він зразу після чергового сколювання впирається в крутіший, чим до утворення лунки, борт заглиблення і наступний скачок проходить уже при меншому значенні , де Dx спрямовано по дотичній до цього борту, а Dz – перпендикулярно до нього. З кожним мікроскачком руйнування і пересуванням різця вперед точка прикладення основного опору породи поступово переміщується з нижньої на передню стінку кромки індентора. Таким чином відбувається перехід до основної відмінної особливості четвертої схеми. Вона полягає в тому, що в результаті здійснення на початковому етапі попередніх мікро сколювань як за другою схемою при реалізації четвертої схеми забезпечуються умови для здійснення прямої передачі індентором горизонтального зусилля на бокову породу, що є причиною її магістральному сколюванню. Сколювання під прямою боковою дією індентора набагато ефективніше за сколювання при передачі бокової дії через нежорстке “ядро”, на утворення якого до того ж витрачається дуже багато енергії.

Розглянуті вище схеми дії на породу при сучасному механічному бурінні можна назвати схемами приконтактного об’ємного руйнування породи, оскільки кінцева задача цих дій полягає в забезпеченні сколювання породи саме довкола площадки контакту з нею індентора. Магістральні, близькі до горизонтальних, тріщини, що відділяють породу від масиву, зароджуються (див. рис ** а, в) відносно недалеко від кромки індентора під поверхнею породи і потім по деякій траєкторії прямують або до виходу на поверхню, або на зустрічну тріщину від сусіднього індентора. Тому об’єми зруйнованої породи відносно обмежені навіть при ідеальному вилученню продуктів руйнування і використанні енергії пластових флюїдів, що насичують породи.

В майбутньому слід очікувати пошуки модифікованих схем дії на породу, які б забезпечили ефективніше об’ємне руйнування вибою. Мова може йти насамперед про подальший розвиток існуючих схем взаємодії породоруйнівних елементів долота з породою.

Удосконалення схем дискретної дії (див. рис. ** а, б) можна пов’язати з тим, що через зростаючу дію “ядра” до виникнення магістральних тріщин розвиваються радіальні тріщини. Вони вертикально розсікають породу на великі куски, які, однак, не можуть відділитися від масиву. Задача полягає в тому, щоб навчитися управляти напрямом розвитку цих тріщин, для чого потрібно вирішити ряд проблем.

Перша з них пов’язана з тим, що зароджуючись під “ядром”, ці майже вертикальні тріщини розвиваються рівноважно під дією розпору “ядра”, прямуючи до поверхні, де вони розходяться від площадки контакту індентора з породою. Для цього потрібна відчутна залишкова деформація “ядра”. Вона встигає розвинутися лише в пластичних і пластично-крихких породах. В крихких породах такі тріщини практично відсутні. Тут бокова порода встигає розколотися по магістральній тріщині з руйнуванням “ядра” уже при його незначній залишковій деформації, яка ще незначна для проявлення “променів” радіальних тріщин. Тому потрібно затримати сколювання по магістральній тріщині, використовуючи, наприклад, індентори із згладженими кромками або гранично загострити індентори, щоб кромка і центр індентора зблизилися аж до збігання.

Друга проблема полягає в тому, щоб розчленування породи тріщинами на блоки було симетричним не відносно осі, а відносно площини. Таким чином зменшується кількість кусків, на які розділюється півпростір. Цього можна досягнути, наприклад, використавши індентори з площадками контакту у вигляді витягнутої стрічки. Тоді тріщина з радіальної перетвориться в діаметральну.

Третя проблема зводиться до того, щоб площину симетрії відхилити від вертикалі, бо тільки тоді з’явиться можливість відділити утворений кусок від монолітного півпростору знизу. Відхилення напряму діаметральної площини тріщини від вертикальності можливе, якщо навантажувати індентор за другою схемою (див. рис. ** в), спрямувавши горизонтальну силу перпендикулярно до довгої осі площадки контакту з породою.

Таким чином можна організувати деяку комбіновану схему навантаження, наприклад, наклавши ударні дії на процес, описаний четвертою схемою. Тобто в процес, що відбувається за четвертою схемою, вводяться акти другої схеми, в яких через незначну площу контакту з породою різко зростає роль спрямованої нахиленої діаметральної тріщини, а різка інтенсифікація напружень на контакті з породою за допомогою удару збільшує глибину відділення кусків породи від масиву.

Експериментально підтверджено, що у вказаному випадку об’єм руйнування дійсно різко збільшується. Акти накладеної ударної дії через їх нетривалість не повинні призводити до помітного збільшення крутного моменту при різанні. Тому питоме зношування різців на одиницю об’єму зруйнованої породи різко зменшується. Цей ефект може підсилитися шляхом заміни долота ріжучого типу шарошковим долотом із значним горизонтальним зміщенням при перекочуванні шарошок.

Дата добавления: 2014-01-11