ОСНОВНИ ЗАКОНОМЕРНОСТИ НА РАЗРУШАВАНЕ НА СКАЛИ - Студиопедия
ЛЕКЦИЯ 5
Проучванията установяват, че скалите се разрушават поради разделяне (от нормални напрежения) или срязване, срязване, срязване (от срязващи напрежения). При натиск скалата се разрушава главно чрез отчупване, докато при опън - чрез отделяне. Разрушаването на скалите е сложен процес, а фрактурите за срязване и разкъсване се придружават взаимно.
Процесът на унищожаване отнема време и протича постепенно, но с различна скорост. Разрушаването обикновено става по контактните повърхности на отделните минерални зърна. Продължителността на разрушаване на една и съща скала, при равни други условия, се определя от натоварването, температурата, активността на околната среда, напрегнатото състояние и др.
При пробиване на кладенци разрушаването на скали с инструменти от различни видове може да бъде повърхностно и обемно. Първият тип разрушаване обикновено е неефективен - свежда се до раздробяване, абразия, "избиване" на скалната маса и изтласкване на скалните частици по посока на движението на инструмента. Без да навлизаме в по-подробно разглеждане на последния процес, нека се спрем на обемното разрушаване на скалите.
Много специалисти по разрушаване на скали смятат, че разрушаването на скала по време на пробиване с раздробяващо-срязващ инструмент (конус) с известно приближение може да се разглежда като процес на натискане на върха (щампа) с плоска или извита основа в скалата.
Преходът от по-ниска степен на натоварване на матрицата към по-висока променя скоростта на деформация. В този случай се разграничават три фази на напрегнатото състояние на скалата под щампа: уплътняване (отслабване на деформацията), ограничаващо равновесие (разкъсвания и измествания) и разрушаване.
В първата фаза скоростта на деформация намалява донула; в скалите деформациите са еластични; в глинестите пластични скали първата фаза е фазата на уплътняване. По време на разрушаването на скалите първата фаза се характеризира с повърхностно разрушаване.
Във втората фаза скоростта на деформация не намалява и при известно натоварване деформацията на пълзене става постоянна. Външната проява на втората фаза на деформация е появата на срязване по контура на налягане в крехки скали (поява на клиновидна депресия) или пластични деформации в пластични скали. При цялостно компресиране (под сферичен печат) скалата се характеризира с механична хетерогенност. Всеки дефект е вероятно огнище на концентрация на пренапрежение, причиняващо растеж на пукнатини.
С увеличаване на напрежението и увеличаване на мрежата от пукнатини в скалата се появяват повърхности на последователни срязвания, които характеризират деформации. Настъпва обемно разрушаване на скалата, а при истински скали, характеризиращи се с наличие на дефекти, процесът на разрушаване протича и при натоварвания, по-ниски от критичните, но бавно. Продължителността на втората фаза се определя от натоварването и условията, при които протича процесът на разрушаване (температура, активност и др.).
Третата фаза е фазата на прогресивно нарастване на деформациите, фазата на обемно разрушаване. За скалите трае част от секундата.
Три фази на разрушаване съставляват пълен цикъл на разрушаване на скалите. Изразен спазматичен характер се наблюдава при крехки, като правило, здрави скали. В крехките, но по-малко издръжливи скали цикличността се повтаря, но спазматичният характер не е толкова ясно изразен. Скалите с ниска якост се характеризират с още по-гладък характер на разрушаване. По време на разрушаването на пластичните глини спазматичността изобщо не се наблюдава.
Процесът на динамично разрушаванескалите при използване на режещо-срязващи инструменти (RSD), според редица изследователи, не могат да бъдат моделирани само чрез „статично вдлъбнатина“. Физическата картина на динамичното "разсичане на скали", включително процесите на абразия на скалата, въвеждането на фреза, отстраняването на "стружки" (отчупване) е много по-сложна и разнообразна.
В крайна сметка, поведението на цял клас скали по време на тяхната деформация и разрушаване, което е доста широко представено при пробиването на кладенци за нефт и газ - пластични меки скали - изобщо не се описва с методи, които симулират процеси на вдлъбнатина.
Енергийните характеристики в динамичната система на взаимодействие на единичен скалоразрушаващ елемент на режещо-срязващо действие със скалата се различават значително от подобни показатели в статични условия, т.е. при натискане.
Качествено това се обяснява с промяна на силата, а оттам и на енергийния баланс с началото на движението на режещия (скалорезния) елемент, тъй като в динамичната система "резач-скала" към аксиалната сила се добавя така наречената "срязваща сила".
В началния (преходен) период от статичния процес на притискане на елемента в скалата до устойчивото динамично движение на резеца поради загуба на силов баланс се извършва постепенното му допълнително проникване в скалата с определена величина - до възникване на нов динамичен силов баланс.
Контактните налягания при рязане на скали, по-малки от необходимите за така нареченото "обемно разрушаване", причиняват обичайното абразивно "изтриване" на скалите. Това е изследвано и отбелязано в многобройни работи върху разрушаването на скали с инструмента RSD. В този случай връзката между силата на "разрязване" и аксиалното натоварванесе определя от стойността на коефициента на триене на физическата двойка "фреза - скала" в определена среда.
Значително по-високите контактни натоварвания и налягания, които предизвикват процесите на реални обемни смущения в скалата по време на движението на един скално-врязващ елемент, най-вероятно променят количествената връзка между силата на рязане и аксиалното натоварване. Тяхната взаимовръзка става много по-сложна и трябва да се определя не само от коефициента на триене, но и от определен „коефициент на разрушаване“. Общата стойност на последните две характеристики определя стойността на коефициента на съпротивление" при рязанеKр.
Установено е, че стойността на коефициента на съпротивление на рязане на скалата с промяна на скоростта на рязане не остава непроменена, а намалява повече от два пъти в диапазона на скоростта на рязане от 5,7 cm/s до 80,0 cm/s. С други думи, нивото на оптималност на процеса на стационарно динамично разрушаване на скала в определена система "фреза-скала" намалява значително с увеличаване на скоростта на рязане и обратно.
С увеличаване на скоростта на движение на фрезата по скалата рязко се увеличават силите на рязане, необходими за поддържане на „чиповете“ с постоянна стойност. Това се обяснява с наличието на така наречената "времева" зависимост на якостта, свързана с развитието на многоетапен процес на натрупване на повреди в твърдо тяло, разпространението и взаимодействието на пукнатини (изместване на дислокация) и крайния етап - разрушаването на скалата по време на динамично рязане с RSD инструменти.
При удар скалите могат да бъдат разрушени при напрежения, по-малки от критичните, съответстващи на якостта на опън. При определена стойност на силата скалата се разрушава след първия удар. Намаляването на силата изисква увеличаване на брояудря една и съща точка.
Под определена стойност на силата на разрушаване на скалата няма да настъпи за произволен брой удари.
Разрушаването на скалата при циклични напрежения се дължи на нейната умора. Броят на циклите на натоварване при напрежения, близки до границата на умора, необходими за разрушаване на скали като мрамор, варовик, доломит, кварцит, е 50-110. Съотношението на границата на умора към якостта на тези скали, в зависимост от пластичността, варира между 1/20-1/30.
Установено е, че в процеса на вдлъбване на върховете, разрушаването на скалата става при тяхното потапяне с 0,10 - 0,25 mm, като продължителността на цикъла на разрушаване на скалата е около 0,002 s. По този начин скалите се разрушават фактически без въвеждането на режещи зъби в тях. При по-голяма продължителност на контакта на зъбите със скалата, те се потапят, но не в основната скала, а в продуктите от нейното разрушаване. По-малка, но непрекъсната сила може да постигне по-голям разрушителен ефект от по-голяма сила, но действаща моментално. Следователно, в реални условия, при пробиване с увеличаване на честотата на въртене на бита, е необходимо да се увеличи аксиалното натоварване. Честотата на въртене на бита има двоен ефект върху ефекта от унищожаване на скали: ефективността на унищожаване се увеличава, но в същото време продължителността на контакта на режещите зъби със скалата намалява, което намалява ефективността на унищожаване.
Установено е, че с увеличаване на честотата на въртене n на конусното накрайник от 57 до 530 об/мин, дълбочината на разрушаванеδ следва закона:
δ =δ 0 + c(1 –klog n), (2.8)
къдетоδ 0 - дълбочина на повърхностно разрушаване; c е коефициент в зависимост от натоварването на долото, механичните свойства на скалата и параметрите на долото;к —константа, която определя зависимостта от времето, обусловена главно от пластичните свойства на скалата.
С увеличаване на натоварването на бита се увеличава скоростта на намаляване на дълбочината на разрушаване поради увеличаване на честотата на въртене. При повърхностно разрушаване скоростта на проникване се увеличава пропорционално на увеличаването на скоростта на въртене.
Скалата също се разрушава под действието на течна струя, която изтича от отворите на долота, като трябва да бъдат изпълнени следните условия: потокът на течността трябва да упражнява налягане pi върху дъното на отвора, скоростта на струята v спрямо равнината на дъното на отвора не трябва да надвишава определена стойност, която зависи от pi и якостта на скалата σ.
Установена е емпирична връзка между тези стойности:
Зависимостта е валидна при v = 0,5 m/s. Тукk0 —е експериментален коефициент, равен на 0,25 -0,35.
За специфични условия на сондиране максималната ROP ще бъде само при определена комбинация от RPM, WOB и поток на течност. Тази скорост на потока е оптимална и се препоръчва да се избере в съответствие с комбинацията от параметри на струйната струя, която осигурява окончателното отделяне и увличане на частици, преодолявайки потискащия спад на налягането, образуван по време на непрекъснатия процес на филтриране на течността в зоната на разрушаване.
Изборът на оптималните параметри на процесите, свързани с пробиването на кладенец, все още не е възможен поради различни технически и технологични трудности и непознаване на еластичните, пластичните, якостните и абразивните свойства на скалите. Въпреки това, като се използват обобщени показатели, характеризиращи свойствата на скалите, могат да се постигнат значителни резултати. Един от тези показатели е способността за пробиване на скалите.
Пробиваемостта е задълбочаванетокладенци за 1 час действително пробиване - така наречената механична скорост на проникване vm (в m / h). Тази скорост намалява с времето поради износване на битовете. Промяната в скоростта във времето може да се изрази по няколко начина, например:
където v0 е началната скорост на проникване, m/h;k-емпиричен коефициент, t – време на пробиване.
Не намерихте това, което търсихте? Използвайте търсачката: