Способы разрушения пород при бурении
Разрушение горных пород при бурении происходит за счет воздействия на горную породу забоя скважины физических, электрических, электрофизических, тепловых, акустических, кавитационных, плазменных, лазерных полей и др.
Передача энергии на породу забоя может осуществляться через породоразрушающий инструмент или напрямую, формируя при этом ствол скважины. Преобладающим в настоящее время при бурении является механический метод воздействия на породу забоя скважины породоразрушающими инструментами в виде коронок, буровых долот бурильных головок.
Механический метод разрушения породоразрушающими инструментами имеет мною разновидностей в зависимости от условий бурения и поставленных целей при сооружении скважины. В мягких и рыхлых горных породах производительность вращательного и ударно-вращательного бурения в значительной степени определяется интенсивностью удаления продуктов разрушения горной породы.
В случае необходимости получения качественного керна используют буровые снаряды с комбинированной (прямой и обратной) промывкой. Обратную промывку при вращательном бурении используют при сооружении высокодебитных скважин на воду. При бурении в поглощающих разрезах применяют бурильные колонны, составленные из двойных труб, в которых подача раствора газожидкостной смеси (ГЖС) осуществляется по межтрубному зазору.
При ударном бурении разрушение породы осуществляют нанесением ударов забойного породоразрушающего инструмента.
Вращательный способ разрушения – путем «резания» породы породоразрушающим инструментом при одновременном воздействии на нее осевого усилия.
Ударно-вращательное разрушение пород предусматривает наложение на вращательный способ ударных импульсов, передаваемых на породоразрушающий инструмент с поверхности или с помощью забойных машин (гидро- и пневмоударников).
Гидромеханическое бурение, основанное на разрушении горных пород высоконапорными водяными струями, применяют исключительно в мягких и рыхлых породах. Использование гидромониторных насадок, обеспечивающих скорость истечения жидкости в пределах 80-120 м/с, применяется при вращательном бурении долотами лопастного и шарошечного типа.
Вибрационное разрушение горных пород, осуществляющееся за счет периодических вертикальных перемещений породоразрушающего инструмента, используют в мягких и рыхлых горных породах.
При термическом (огневом) способе разрушение породы происходит за счет высокотемпературного теплового воздействия. Сгорание керосина с кислородом создает на забое температуру 2300°С, в результате чего происходит отслаивание чешуек и растрескивание массива породы. Огневое бурение применяют при бурении взрывных скважин на карьерах; производительность бурения в крепких породах при этом способе достигает 30 м/смену и выше.
В мягких и рыхлых породах используют также метод статического вдавливания породоразрушающего инструмента (индентора), при котором порода спрессовывается и выдавливается из-под индентора в сторону. Данный метод используют при инженерно-геологических исследованиях.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН
Механическое разрушение горных пород при бурении скважин осуществляется специальными породоразрушающими инструментами. Объем разрушенной горной породы в единицу времени V непосредственно связан с мощностью N, подводимой к забою скважины:
(VII. 1)
где Av — энергоемкость разрушения горной породы. Применительно к скважине можно записать, что
(VII. 2)
где v — скорость проходки скважины; F — площадь забоя.
Приравняв правые части уравнений (VII. 1) и (VII.2) и сделав преобразования, получим
(VII.3)
Обозначим N/F= No и назовем удельной забойной мощностью. Тогда окончательно получим, что
(VII.4)
т. е. скорость проходки прямо пропорциональна удельной забойной мощности и обратно пропорциональна энергоемкости разрушения горной породы.
Мощность N ограничена прочностью бурильного инструмента. Наиболее эффективно подведенная к забою мощность будет реализована таким породоразрушающим инструментом и при таком режиме его работы, которые обеспечат минимальную величину Av.
Непосредственно порода разрушается вооружением породораз-рушающих инструментов, которое выполнено либо в виде резцов, либо в виде инденторов. При рассмотрении разрушения горных пород динамическим вдавливанием штампа было показано, что Av тем меньше, чем больше номер достигнутого скачка разрушения породы.
Этот принцип справедлив и для других видов разрушения. Но чем больше номер скачка, который мы стремимся получить, тем выше удельные нагрузки на элементы вооружения, т. е. достижимый скачок разрушения породы объективно ограничен прочностью и износостойкостью породоразрушающего инструмента. Обозначим NB удельную мощность, которая может быть реализована вооружением. Тогда из условия N-const найдем Долю площади забоя, на которой в данный момент эффективно реализуется подведенная мощность:
где Fк — площадь контакта вооружения с забоем. Величина ξ много меньше единицы. Из изложенного выше вытекает первый основной принцип механического разрушения горной породы на забое — дискретность разрушения с целью получения минимально возможной энергоемкости процесса.
Нежелательно, чтобы в процессе бурения резко изменялась величина ξ, так как снижение удельной мощности, реализуемой вооружением, ведет к уменьшению скорости разрушения породы, а повышение — к возможным поломкам или резкому уменьшению долговечности вооружения. Следовательно, в процессе бурения Необходимо стремиться, чтобы NB=const. Это условие при механическом разрушении горных пород можно выполнить лишь при равномерном углублении скважины в результате последовательного разрушения всей площади забоя. Отсюда вытекает второй основной принцип — последовательное разрушение забоя с целью равномерного углубления скважины и обеспечения максимальной производительности породоразрушающего инструмента.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДОЛОТ
Породоразрушающие инструменты по основным функциям делятся на три большие группы:
1) для бурения сплошным забоем — долота;
2) для бурения кольцевым забоем с образованием образцов-породы (кернов) — бурильные головки и коронки;
3) вспомогательный инструмент-пикообразные долота, фрезеры калибраторы, расширители и др.
Первую и вторую группы инструментов по характеру воздействия вооружения на горную породу делят на четыре подгруппы:
режуще-скалывающего (PC), истирающе-режущего (ИР), дробяще-скалывающего и дробящего действия.
Породоразрушающие инструменты типов PC и ИР характеризуются выполнением вооружения в виде резцов или секторов оснащенных износостойкими материалами, длительным контактом вооружения с горной породой и деформированием ее по схеме резания, скалывания или истирания.
Породоразрушающие инструменты дробяще-скалывающего действия характеризуются размещением вооружения в виде инденторов на вращающихся деталях — шарошках, кратковременным периодическим динамическим воздействием каждого индентора на горную породу по схеме вдавливания со сдвигом.
Инструменты первой, второй и третьей подгрупп широко применяются при бурении скважин на нефть и газ при вращательном способе бурения. Инструменты четвертой подгруппы предназначены для ударного бурения, которое в настоящее время при бурении нефтяных и газовых скважин практически не применяют.
Возможность применения той или иной подгруппы инструментов обусловлена механическими свойствами пород и прежде всего их твердостью. Кроме этого, в пределах каждой подгруппы инструменты имеют особенности в зависимости от того, для пород какой твердости они предназначены. Это нашло отражение в классификации инструментов по типам.
Категория твердости пород
 |
Из приведенных данных видно, что породоразрушающие инструменты, в частности долота типа М (для мягких пород), выполняются всех трех подгрупп, типа С (для средних пород) и типа Т (для твердых пород) — второй и третьей подгрупп, а типов К (для крепких пород) и типа ОК (для очень крепких пород) —только третьей подгруппы. Следует подчеркнуть, что шарошечными долотами (третьей подгруппы) осуществляется около 90% объема бурения на нефть и газ; кроме того, долота типов К и ОК по характеру воздействия на породу близки к долотам дробящего действия.
ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА И ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДОЛОТ
Режим работы долот для вращательного бурения скважин принято характеризовать следующими параметрами: осевой нагрузкой на долото, кН; частотой вращения долота, об/мин; количеством промывочной жидкости или воздуха, подаваемых в скважину в единицу времени для выноса разрушенной породы (шлама) и охлаждения долота, л/с.
При нагружении долота осевой нагрузкой G создается необходимое для разрушения горной породы напряженное состояние и осуществляется отбор энергии от вращающегося инструмента для обеспечения последовательного разрушения породы по всему забою.
По частоте вращения долота различают три режима работы: низкооборотный (роторное бурение) — nд
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
Основы теории разрушения горных пород при механических способах бурения. Виды разрушения горных пород.
БУРЕНИЕ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН НА ТВЕРДЫЕ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ
Буровые скважины. Классификация.
Способы бурения скважин. Классификация.
Физико-механические и технологические свойства горных пород. Классификация горных пород по буримости.
Классификация горных пород по буримости
I категория
Рыхлые: пески, лесс, супеси без щебня и гальки; растительный слой без корней; торф; иловатые грунты; слабый мел.
II категория
Охристая железная руда; растительный слой с корнями или вкраплениями мелкого (до 3 см) щебня и гальки; продукты выветривания метаморфизованных горных пород; суглинки и супеси с примесью мелкого щебня и гальки (до 20%); галит (каменная соль); сажи; диатомит; мел; плывун без напора; рыхлый мергель; лесс; плотный суглинок.
III категория
Супеси и суглинки с незначительной (порядка 20%) примесью мелкого (до 3 см) щебня или гальки; глинистые бокситы; плотный лесс; окисленная железная и марганцевая руда; напористый плывун; дресва; разрушенные тальковые сланцы всех разновидностей; бурый и каменный уголь; глины с прослойками мергелей и песчаников; тонкокристаллический гипс; магнезит; плотный мел; слабоцементированные известковым или глинистым цементом песчаники.
IV категория
Галечник; бокситы; мягкая и вязкая железная руда; торф, ил и мёрзлые водоносные пески; сильно выветренные мартитовые руды; плотный мергель; глинистые песчаники; плотные глинистые алевролиты; кимберлиты; выветренные перидотиты, дуниты; кристаллический апатит; неплотные скарны ам-фибол-слюдистого и хлоритового состава; глинистые сланцы; змеевики; каменный уголь; калийные соли; ангидрит; кристаллический гипс; пористые туфы и известняки.
V категория
Связанный песчано-глинистым материалом мёрзлый галечник; галечно-щебнистые грунты; мартитовые руды; дуниты; серпентинизированные вулканические туфы; змеевики; плотные аргиллитоподобные глины; алевролиты; плотный ил; крупнозернистый песок; дресва; слюдяные и глинисто-слюдяные сланцы; желваковые фосфориты; выветренные пористые опоки; антрацит; твёрдый каменный уголь; осадочные породы на пористом цементе.
VI категория
Плотные ангидриты с вкраплениями туфогенных материалов; сидериты; гематито-мартитовые руды; бурые ноздреватые железняки; осадочные породы на цементе известковистом; плотные и мёрзлые глины; сыпучий колчедан; эпидото-кальцитовые скарны; апатиты; крупнокристаллические пирокоениты; амфиболиты; подвергнувшиеся выветриванию перидотиты; дуниты; слабо окремнелые аргиллиты; порфириты; кератофиры; рассланцованные и хлоритизированныеальбитофиры; опоки; плотные доломиты; глинистые сланцы; долмитизированные плотные известняки; алевролиты с вкраплениями кварца; полевошпатовые песчаники.
VII категория
Конгломераты изверженных пород с высоким содержанием гальки (до 50%); мелкий щебень (без валунов), галечник метаморфических и изверженных пород; окремненные аргиллиты; амфибол-магнетитовая руда; гематитовые и мартито-сидеритовые руды; сульфидные руды; хромиты; пористые бурые железняки; полевошпатовые окварцованные известняки; плотные доломиты; кварцевые песчаники; осадочные породы на цементе кремнистого типа; пироксениты (как рудные, так и обычные);габбро, диориты, сиениты и другие породы, образовавшиеся в результате извержений; креатофиры; альбофитырассланцованные; кварцевые песчаники; крепкие плотные опоки; слабо окремненные сланцы; фосфоритовая плита; пористые кварцы (охристые; ноздреватые; трещиноватые).
VIII категория
Диаспоровые бокситы; плотный колчедан; плотные гидро-гематитовые плотные руды; магнетитовые руды; пористые бурые железняки; кварцево-баритовые и кварцево-карбонатные породы; эпидозиты; авгито-эпидотовые и авгито-гранатовые скарны (кристаллические средней зернистости); пегматиты, гранито-гнейсы и кварцево-турмалиновые породы, затронутые выветриванием; габбро; подвергнувшиеся выветриванию гранито-гнейсы; перидотиты; не затронутые выветриванием диориты; андезиты; диабазы; выветренные базальты; кератофиры и среднезернистые альбитофиры; гнейсы; слюдяные, кварцево-хлорито-эпидотовые и кварцево-серицитовые окремненные сланцы; плотные пластовые фосфориты; доломиты и окремненные известняки; окварцованные доломиты; породы на известковистом цементе, образовавшиеся в результате извержений; кремнистые аргиллиты.
IX категория
Плотные бариты; кварцы, содержащие большое количество колчедана; плотные бурые железняки; не затронутые выветриванием кварцево-турмалиновые породы; окварцованные колчедан и амфиболит; гранатовые крупнозернистые скарны; березиты; пегматиты; габбро-нориты; сиениты; средне- и крупнозернистые граниты, гранодиориты и гранито-гнейсы; подвергнувшиеся выветриванию микрограниты и липариты; окремненные туфы; тонкокристаллические диабазы; окварцованные порфиры; трахиты; кератофиры и альбитофиры; серицитизированные и амфибол-магнетитовые роговики; плотные мартито-магнетитовые кварцы; тонкополоcчатые и гематитовые кварцы; кремнистые сланцы; окремненные пластовые фосфориты; кремнистые доломиты и песчаники; карстовые и кремнистые известняки; изверженные породы на цементе кремнистого типа; не затронутые выветриванием базальты.
X категория
Сильно окварцованные порфириты; жильный кварц; бурые окремненные железняки; мартитовая и магнетитовая руда; гранатовые мелкозернистые скарны; кварцевые плотные пегматиты; микрограниты; гранодиориты и гранито-гнейсы; мелкозернистые граниты; липариты; кератофиры и кварцевые альбитофиры; роговики с небольшими вкраплениями сульфидов; кварциты неравномерно зернистые; фосфатно-кремнистые породы, затронутые выветриванием; джеспилиты; кварцевые сливные песчаники; валунно-галечные отложения метаморфизованных пород, возникших в результате извержений.
XI категория
Гематито-магнетитовые и гематито-мартитовые джеспилиты; корундовые породы; плотный кварц; железистые твёрдые роговики; кварциты; кремнистые яшмовидные сланцы; не затронутые выветриванием джеспилиты; тонкозернистые альбитофиры.
XII категория
Монолитно-сливные джеспилиты, совершенно не затронутые выветриванием; корундовые и эгириновые породы; кварциты; роговики; яшмы; кремень.
Чтобы буровое оборудование эксплуатировалось правильно и не подвергалось дополнительному износу, категория буримости горной породы должна быть определена безошибочно.
Основы теории разрушения горных пород при механических способах бурения. Виды разрушения горных пород.
Бурение с помощью породоразрушающих инструментов приводит к трем видам разрушения породы на забое: усталостное, поверхностное и объемное.
Объемное разрушение имеет место, если в месте контакта резца породоразрушающего инструмента и породы возникает поверхностное напряжение большой силы. Если эта сила превосходит твердость породы, то она разрушается.
Поверхностное разрушение наблюдается в том случае, если сила напряжения меньше, чем твердость породы. В таком случае разрушение получается только за счет незначительной силы трения резцов инструмента с поверхностью. Следует заранее отметить, что этот вид разрушения невыгоден и неэффективен.
Усталостное разрушение занимает промежуточную позицию между поверхностным и объемным разрушением.
Разрушение горной породы редставляет собой отделение от массива ее кусков и дробление их до кондиционной крупности. В настоящее время это основной процес технологии добычи твердых полезных ископаемых.
Различают следующие виды разрушения горных пород: механическое, взрывное, гидравлическое, термическое, электрическое, комбинированое и др.
Механическое разрушение – это отделение горных пород от массива или их измельчение путем воздействия породоразрушаещего инструмента (резца, коронки, фрезы, ударника и др.). При этом протекают физические процессы чисто механического разрушения породы рабочим органом: резание, разделывания, скалывание, дробление, сжатие и др. Механический способ разрушения пород широко используют для непосредственной добычи угля, бурения шпуров и скважин.
Взрывное разрушение представляет собой отделение горных пород от массива и перемещение их под действием энергии взрывчатых веществ, размещенных в массиве (в шпурах, скважинах). Взрывной способ разрушения горных пород применяют в породах различной крепости, но наиболее экономичен он в крепких породах, когда другие способы разрушения неэффективны или вовсе применять нельзя.
Гидравлическое разрушение связано с отделением горных пород от массива путем воздействия на него струи воды под високим давлением (>10 мПа). Этой же водой осуществляется и транспортировка горной массы. Гидравлический способ разрушения горных пород применяется при добыче угля и слабых пород.
Термическое разрушение происходит под действием физических полей за счет физико-химических процессов, протекающих под действием высокой температуры без использования породоразрушающих инструментов.
Электрическое разрушение основано на воздействии на горную породу электрической энергии в виде электрического разряда, электромагнитного поля и др.
Комбинированное разрушение основано на использовании комбинации двух видов разрушения (буровзрывное, механогидравлическое и др.).
Взрыв– это процесс быстрого физико-химического превращения вещества, при котором выделяется тепло и большое количество сжатых газов, способных
производить механическую работу по разрушению и перемещению разрушаемых объектов в окружающей среде.
Взрывание представляет собой процесс инициирования зарядов в заданной последовательности способами, обеспечивающими безопасность и эффективность работ.
Зарядсостоит из определенного количества взрывчатых веществ (ВВ), подготовленное к взрыву, с введенным в них инициатором взрывания. Величина (масса) заряда указывается в килограммах или тоннах.
Источник
