Исследование дестабилизирующих сил в процессе резания-скалывания горной породы

Исследование дестабилизирующих сил в процессе резания-скалывания горной породы [9J. Размеры ядра сжатия породы определяют глубину формирования борозды разрушения. Во втором случае (h2) борозда глубже. В то же время сопротивление породы перемещению резца, внедренного в породу на указанную глубину, будет ниже также во втором случае, так как при перемещении резца в направлении восстания слоев трещина отрыва сечет породу в направлении, согласном со слоистостью или сланцеватостью (рис. 2.24, б).

Рис. 2.24. Схема для анализа процесса резания-скалывания-раздавливания анизотропной горной породы алмазными резцами при их перемещении по забою навстречу восстания слоистости или сланцеватости [о, в) и в направлении слоистости или сланцеватости породы (б, г) при угле встречи у > укр {а, б) и угле встречи у < укр (в, г)

Результирующее усилие R при перемещении резца навстречу восстания слоев, как следует из схемы, представленной на рис. 2.24, а, ориентировано в направлении слоистости или сланцеватости. Во втором случае (см. рис. 2.24, б) усилие R ориентировано перпендикулярно слойкам породы. Поэтому в первом случае усилие сопротивления разрушению породы больше, чем во втором. Разность сопротивлений будет максимальной, когда направление действия усилия R в первом случае совпадет со слоистостью или сланцеватостью породы, а во втором — будет перпендикулярно слоистости или сланцеватости. Этот вариант при работе резцов коронки возможен при равенстве осевого усилия на резец Рос и усилия резания- скалывания породы Fp. В этом случае угол ц/ = arctg Poc/Fp будет составлять 45° и сравняется с углом встречи инструмента со слойками породы у.

Таким образом, при бурении анизотропной породы экстремальное значение интенсивности искривления возможно при угле встречи инструмента и слоистости у = 40—50° для породоразрушающих инструментов, обладающих вооружением, для которых характерно равенство усилий резания-скалывания и осевого. Рост усилия резания-скалывания до значения, близкого к осевому усилию на резец, возможен для инструмента, оснащенного дроблеными алмазами с острыми гранями.

Породоразрушающий инструмент с овализованными алмазами характеризуется тем, что при работе резца усилие резания в 1,5—3 раза меньше осевого, а угол наклона общего усилия R равен 60- 70° (см. рис. 2.24). Поэтому верхний предел интенсивности искривления для таких инструментов может наблюдаться при углах встречи 50—60°.

При угле встречи 0 < у < у кр (см. рис. 2.24, в, г) ядра сжатия породы как при перемещении алмазного резца навстречу, так и в направлении восстания слоев близки по размерам и форме. Поэтому при малых углах встречи можно говорить или о равенстве усилий резания-скалывания породы различными резцами коронки (при у=укр дисбаланс сил резания-скалывания и соответственно дестабилизирующее усилие AF равны 0), или о ситуации, при которой усилие резания-скалывания породы будет больше при перемещении резца в направлении восстания слоев породы (у < укр, a AF может поменять направление действия). При этом формируемые борозды разрушения h3 и h4 примерно одинаковы по глубине (см. рис. 2.24, в, г).

Дестабилизирующее усилие, вызванное различной сопротивляемостью породы резанию-скалыванию различными диаметрально противоположными частями торца инструмента при их перемещении в направлении и навстречу слоистости — Г, и Г3 можно определить по формуле [21, 26]:

где /?, и /?3 — средние значения глубин борозд разрушения на забое для каждой из половин торца инструмента; v^/v6 — соотношение скоростей фрезерования стенки скважины и углубления забоя; т — число резцов инструмента, взаимодействующих с забоем; о^к, а|1к — предел прочности породы на скалывание перпендикулярно и вдоль слоистости или сланцеватости, Па; р1, р" — коэффициенты трения резцов о породу в направлении перпендикулярно и вдоль слоистости или сланцеватости.

На рис. 2.25, а представлены графики зависимости глубин борозд разрушения породы на забое от угла встречи у, рассчитанные по аналитическим зависимостям.

Зависимости глубин борозд разрушения анизотропной породы (а) и дестабилизирующего усилия AF (б) от угла встречи

Рис. 2.25. Зависимости глубин борозд разрушения анизотропной породы (а) и дестабилизирующего усилия AF (б) от угла встречи:

1,2 — глубина борозд при уф6 = 0,0001 при перемещении резца в направлении и навстречу слоистости соответственно; 3, 4 — то же — при иф6 = 1; 5 — AF при Уф/у6 = 0,0005; б — AF при уф6 = 0,005; 7 — AF при иф6 = 0,05; 8 — AF при иф6 = 0,1

Графики, представленные на рис. 2.25, отражают возможные предельные значения соотношения скоростей фрезерования и бурения Тф/уб, определяющие формирование ствола скважины в анизотропных породах. Из полученных графиков следует, что глубина борозд разрушения на забое различна при любых углах встречи кроме 0° и 90°, причем их глубина будет больше при движении резцов в направлении восстания слоистости по сравнению с глубиной борозд при перемещении резца навстречу восстания слоев породы.

Расчеты по приведенной выше формуле показывают (см. рис. 2.25, б), что усилие AF в основном задается дисбалансом сил трения и усилий на резание-скалывание породы. Обе эти составляющие в разной степени зависят от осевой составляющей Рос: если сила трения напрямую определяется осевой нагрузкой, то дисбаланс сил резания-скалывания определяет влияние осевого усилия через глубины внедрения алмазных резцов. Из представленных кривых линии 5 и 6 по соотношению уфб более всего соответствуют реальным условиям естественного искривления — интенсивности искривления от 2 до 15 град./100 м. Для этих кривых максимальные значения AF равны 18—30 даН при следующих условиях расчета: показатель анизотропии по упругости — 1,5 и коэффициенты внешнего трения — 0,25 и 0,2 при перемещении резцов перпендикулярно и вдоль слоистости соответственно.

Проведенный анализ бурения анизотропных пород показал, что более рационально использование породоразрушающих инструментов, гарантирующих высокие значения механических скоростей бурения, но при умеренных значениях осевого усилия. Для снижения осевого усилия без снижения механической скорости бурения можно рекомендовать ряд технологических мер интенсификации процесса разрушения, таких, например, как применение промывочных жидкостей с поверхностно-активными веществами, использование инструментов, обеспечивающих гидродинамическую интенсификацию процесса удаления продуктов разрушения и воздействия на зону предразрушения.

Здесь уместно подчеркнуть, что применение жидкостей с ПАВ, а также гидродинамическое воздействие на забой обеспечивают снижение искривления скважин не только за счет повышения механической скорости бурения без повышения осевой нагрузки на колонну и инструмент, но в значительной степени за счет воздействия на зону предразрушения. Как было указано выше, трещины зоны предразрушения развиваются преимущественно в направлении слоистости или сланцеватости (рис. 2.26), т.е. в направлении максимальной твердости и упругости анизотропной породы. В этом же направлении, как правило, ориентированы плоскости отдельностей, пористость и трещиноватость горной породы. Поэтому возможное проникновение промывочной жидкости с ПАВ или жидкости под напором в трещины зоны предразрушения гарантирует снижение коэффициента анизотропии породы за счет преимущественного понижения твердости и упругости забоя в направлении именно слоистости или сланцеватости породы. Проникновение жидкости по трещинам обеспечивает выравнивание асимметрии ядра сжатия породы и соответственно снижение опрокидывающего момента Моп и дестабилизирующего усилия AF.

Схема формирования зоны предразрушения в анизотропной

Рис. 2.26. Схема формирования зоны предразрушения в анизотропной

породе:

/ — границы ядра сжатия в породе; 2 — зона предразрушения

Экспериментальные работы подтверждают сделанные выводы.

Например, в ТПУ на специальном стенде определены зенитная PQ и азимутальная Ра составляющие дестабилизирующего усилия AF при бурении рассланцованной породы алмазной коронкой диаметром 36 мм при промывке водой и ПАВ — водным раствором 1%-го раствора сульфонола. В результате при бурении с ПАВ получен прирост механической скорости бурения на 11%, зенитная составляющая дестабилизирующего усилия снизилась в 2,2 раза (8,6 даН/3,8 даН), а азимутальная, не изменившись по величине, изменилась по направлению действия (—0,72 даН/0,78 даН) [8].

В ИрГТУ был проведен эксперимент по разбуриванию анизотропного туфо-дацита коронкой 36 мм при промывке 0,3%-й сульфонолом и технической водой при различных параметрах режима бурения и под разными углами к плоскостям флюидаль- ности породы. Некоторые результаты представлены на графиках рис. 2.27.

Экспериментальные зависимости прироста механической скорости бурения от осевого усилия и угла встречи ус плоскостями флюидальности туфо-дацита

Рис. 2.27. Экспериментальные зависимости прироста механической скорости бурения от осевого усилия и угла встречи ус плоскостями флюидальности туфо-дацита: при частоте вращения 560 мин'1 (сплошные линии); 355 мин"1

(пунктирные линии)

Анализ полученных данных позволил отметить рост механической скорости бурения по мере повышения осевого усилия до определенного предела (интервал Рп на рис. 2.27), после которого рост замедлялся или прекращался, что указывает на достижение в породе предельных напряжений, при которых прекращается развитие зоны предразрушения, а потому снижается активное влияние очистного агента на эту зону.

При этом несколько более интенсивный прирост механической скорости бурения наблюдался при больших частотах вращения коронки, что можно объяснить снижением напряжений и размеров области деформирования в породе при росте частоты вращения и поэтому более существенным влиянием активного очистного агента на процесс разрушения породы.

Прирост механической скорости бурения при смене промывочной жидкости оказался наибольшим при меньших значениях углов встречи инструмента с плоскостями флюидальности (у = 25), что указывает на более активное воздействие очистного агента на область деформирования и зону предразрушения породы, ориентированной прослоями преимущественно вдоль оси скважины, так как в этом случае порода максимально открыта для проникновения очистного агента.

Частота вращения как фактор влияния на естественное искривление скважин в отличие от осевого усилия может не ограничиваться, а задаваться исходя из оптимального значения механической скорости бурения.

Полученный результат расчета усилия AF согласуется с экспериментальными данными и силовой теорией искривления, изложенной в работе [8J.

На рис. 2.28 приведена экспериментально полученная на специальном стенде в ТПУ зависимость дестабилизирующего усилия от осевой нагрузки.

В соответствии с приведенными результатами исследований связь усилия AF с параметрами режима бурения определяется следующим:

  • — осевая нагрузка активно повышает усилие AF за счет увеличения составляющих силы трения и отклоняющего усилия, при этом рост AF наиболее активен на интервале упругого деформирования породы, предшествующего этапу пластического деформирования и объемного разрушения горной породы (при меньших значениях осевого усилия);
  • — повышение частоты вращения обеспечивает снижение усилия А^за счет уменьшения размеров области напряжений и деформаций в породе, отмеченное экспериментально.
Экспериментальная зависимость дестабилизирующего усилия AF от осевой нагрузки при частоте вращения алмазной коронки диаметром

Рис. 2.28. Экспериментальная зависимость дестабилизирующего усилия AF от осевой нагрузки при частоте вращения алмазной коронки диаметром

  • 36 мм 400 мин-1:
  • 7 — график получен по точкам замеров AF; 2 — усредненная кривая AF

Последний из вышеприведенных выводов может иметь следующее объяснение. Согласно анализу напряженно-деформационного состояния анизотропной породы, сделанному ранее, снижение размеров поля механических напряжений и деформаций в породе приводит к уменьшению опрокидывающего момента и соответственно отклоняющего усилия, определяющего значение силы AF. Снижение размеров области деформаций и напряжений в породе объясняется, очевидно, уменьшением глубины внедрения резцов в породу по мере увеличения частоты вращения при постоянной осевой нагрузке.

 
Посмотреть оригинал