Горные породы. Механические свойства горных пород

1. РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

2. ВНИМАНИЕ !!!

Данная (как и последующие) презентация
является иллюстративным материалом к
учебному пособию
«Разрушение горных пород»
(авторы Попов А.Н., Трушкин Б.Н., Трушкин О.Б. )
и не отменяет изучение самого пособия!

3.

В результате освоения дисциплины
обучающийся должен:
знать:
- методы разрушения горных пород;
- назначение, классификацию породоразрушающих инструментов и
требования к ним;
- абразивность горных пород по отношению к стали и твердому
сплаву;
- показатели абразивности и классификацию пород по этим
показателям;
- параметры режима работы долот и показатели их работы;
- критерии оптимизации выбора и режима работы долот;
- конструктивные особенности основных типов долот и бурильных
головок;
- виды и области разрушения горных пород при бурении скважин;
- основные типы бурильных головок и керноприемных устройств;
- причины разрушения керна при бурении и методы обеспечения
необходимого выноса керна.

4.

В результате освоения дисциплины
обучающийся должен:
уметь:
- классифицировать породоразрушающий инструмент по различным
признакам;
- классифицировать горные породы по показателям механических
свойств горных пород, определяемых методом статического
вдавливания штампа и по показателям абразивных свойств;
- выбрать тип породоразрушающего инструмента и режимы его работы
для бурения пород с конкретными показателями механических свойств;
- рассчитать долговечность вооружения долот первого класса по
заданным параметрам его работы и показателям абразивности породы.

5.

В результате освоения дисциплины
обучающийся должен:
владеть:
- методикой определения показателей механических свойств горных
пород методом статического вдавливания штампа;
- методикой кодирования долот по системе Международной
ассоциации буровиков подрядчиков;
- методикой расчета оптимальных нагрузок на шарошечное долото;
- методикой расчета долговечности вооружения долот первого класса.

6. +

ЛИТЕРАТУРА:
1. Попов А.Н., Б.Н. Трушкин, О.Б. Трушкин Разрушение горных
пород. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2016.- 138 с.
2. Попов А.Н., Трушкин Б.Н. Разрушение горных пород: учеб. –
методич. пособие к выполнению курсовой работы для
студентов специальности 130504 - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010,- 22
с.
3. Попов А. Н., Матвеев Ю.Г. Конструкции и основные
характеристики породоразрушающих инструментов: учеб.методич. пособие к лабораторной работе по дисциплине
"Разрушение горных пород при бурении скважин"для
студентов специальности 130504 "Бурение нефтяных и
газовых скважин"- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005, - 37 с.

7.

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
по происхождению делятся на
магматические
образовались из
магмы в результате
ее застывания на
глубине или лавы,
излившейся на
поверхность
осадочные
образовались в результате
химико-физического
преобразования ранее
существующих пород с
последующим их переносом
и отложением в виде
пластов (слоев). В эту группу
также входят породы,
образованные в результате
жизнедеятельности
организмов (органогенные
осадочные породы).
метаморфические
образовались в
результате
преобразования
магматических и
осадочных пород под
действием высоких
давления и
температуры.

8.

ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
обломочные
Обломочные
глинистые (54 %)
Обломочные
мелкозернистые и
песчаные
(21 %)
Кристаллические
хемогенного и
органогенного
происхождения
(24 %)
хемогенные кристаллические
Вид связей
Связные
Сцементирован
ные
Глины
Аргиллиты,
глинистые
сланцы
Рыхлые
Сцементирован
ные
Алевриты,
пески
Алевролиты,
песчаники
Кристаллизацион
ные
Известняки,
Доломиты,
ангидриты,
Гипсы,
каменная соль,
калийная соль,
бишофит
В скобках показано осредненное
содержание рассматриваемых
горных пород в разрезах нефтяных
и газовых месторождений
Описанием пород по составу занимается наука
литология.

9.

С точки зрения бурения скважин важными являются
следующие геологические характеристики пород:
минералогический состав
строение
неоднородность
Строение горных пород описывается двумя
основными признаками:
структурой
обусловлена размером, формой
и характером поверхностей
слагающих породу обломков и
кристаллитов
текстурой
характеризует особенности
сложения породы
(слоистость, сланцеватость,
пористость, трещиноватость)
Важнейшими характеристиками строения горных пород
являются их
пористость и проницаемость.
обусловлена наличием пустот в горной
породе и характеризуется коэффициентом
пористости
характеризует сообщаемость пор

10.

Месторождения нефти и газа
приурочены к пористым
проницаемым горным породам,
которые называют
коллекторами.

11.

Методы разрушения горных пород
и способы бурения скважин
механический
ударный
вращательный
ударновращательный
электрофизический
термический

12.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ГОРНЫХ ПОРОД
Свойства горных пород, которые проявляются в
механических процессах (при деформировании,
разрушении и изнашивании) называются
механическими.
- прочность горной породы;
- твердость горной породы;
- абразивность горной породы.

13.

Испытания горных пород методом
одноосного сжатия
предел прочности
на одноосное сжатие:
Fmax
Классификация горных пород по показателю
прочности
на одноосное сжатие
Группы
Очень
слабые
Слабые
Средние
Прочные
Очень
прочные
Категории
1, 2, 3
4, 5, 6
7, 8, 9
10, 11
12
σсж, МПа
< 70
70-160
160-320
320-650
>650

14.

Схема деформирования и разрушения горной
породы при статическом вдавливании штампа
4
а – упругое вдавливание;
б - хрупкое разрушение горной породы в
конце вдавливания;
1 – штамп; 2 – горная порода; 3 – обломок горной породы; 4 - лунка
F - нагрузка на штамп; h - глубины внедрения штампа в породу

15.

Зависимости F f (h). , полученные на установке УМГП-3
Хрупкая порода
Пластично –
хрупкая порода
Высокопластичная
порода
Зависимости F f (h). ,полученные на гидравлическом прессе

16.

Методика расчета показателей механических свойств
горных пород
Показатели, характеризующие прочностные свойства породы
1. Твердость горной породы по штампу
рш = Fmax/S , МПа (Н/мм2),
где Fтах – нагрузка на штамп в момент хрупкого выкола.
S – площадь контакта штампа с горной породой, мм2,
S = 0,785d2,
где d – диаметр штампа, мм.
Для высокопластичных пород рш не определяется.
2. Предел текучести горной породы по штампу
ро = F0 / S, МПа (Н/мм2),
где F0 – нагрузка на штамп, соответствующая переходу от упругого
деформирования к неупругому

17.

Показатель, характеризующий упругие свойства породы
3. Модуль деформации при вдавливании
C = F0 /(d ho), МПа,
где h0 – глубина погружения штампа в породу, соответствующая
переходу от упругого деформирования к неупругому
Показатель, характеризующий затраты энергии на разрушение
породы
4. Энергоемкость разрушения породы
AV=AР / Vл, Дж/ см3
где АР – полная работа, совершаемая штампом при образовании лунки
объемом VЛ.
VЛ – определяется методом заполнения лунки парафином или
пластилином.

18.

Классификация горных пород по твердости
Группы
Мягкие
Средние
Твердые
Крепкие
Очень крепкие
Категории
1, 2, 3
4, 5
6, 7
8, 9
10, 11, 12
рш, МПа
< 600
600-1400
1400-2900
2900-5900
>5900
В нормативной документации по технологии бурения широко используется
оценка твердости пород в категориях. Наиболее просто задача определения
твердости Н в категориях решается, если известны прочность на одноосное
сжатие, твердость или предел текучести по штампу:
Н = 12(1 – ехр(-0,02377σсж 0,687)), кат.;
Н = 12(1 – ехр(-0,00487·рш0,666)), кат.;
Н = 12(1 – ехр(-0,0349·р00,433)), кат.

19.

При бурении скважин одним из основных видов
деформирования горных пород является
динамическое вдавливание элементов
вооружения породоразрушающих инструментов.
Поэтому:
Рассмотрим особенности разрушения горных
при
динамическом
(по
вдавливании
пород
штампа
данным Н.М. Филимонова и К.И. Вдовина).
В качестве аргумента принята энергия удара
штампа о горную породу Т.

20.

Схема развития разрушения породы при
динамическом вдавливании штампа
Р
P - нагрузка на штамп;
1 – штамп;
Р
Р
Р
2 – лунка;
3 - обломки горной
породы;
а – начало разрушения;
б, в, г – соответственно
первый, второй и третий
скачки разрушения
породы.
Всего бывает до 4-х
скачков разрушения при
одном акте
воздействия штампа
на породу

21.

Зависимости энергоемкости разрушения породы AV и объема лунок V от
энергии удара Т
С увеличением энергии
воздействия энергоемкость
разрушения скачкообразно
уменьшается, а объем лунки
ступенчато растет.
Минимумы энергоемкости
выделяют как скачки
разрушения

22.

Схема развития разрушения породы при
динамическом вдавливании штампа
Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т
Первый скачок
Подготовка первого скачка
разрушения породы -
T
разрушения породы -
'
T1
обломки
1
2
3
Под действием нагрузки P на штамп 1 в
породе 2 формируется область предельного
состояния породы 3 (ядро всестороннего
сжатия). Давление в ядре растет вместе с
увеличением нагрузки P и передается на
окружающую его породу.
При достижении в окружающей ядро породе
предельных напряжений в ней образуются
боковые трещины и происходит хрупкое
разрушение окружающей ядро породы.
За одно воздействие - один выкол

23.

Схема развития разрушения породы при
динамическом вдавливании штампа
Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т
Переходная область - подготовка
второго скачка разрушения -
'
2
T
Второй скачок
разрушения породы -
T2
За одно воздействие - два
последовательных выкола

24.

Схема развития разрушения породы при
динамическом вдавливании штампа
Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т
Переходная область – подготовка
третьего скачка разрушения -
'
3
T
Третий скачок разрушения
породы -
T3
За одно воздействие - три
последовательных выкола породы

25.

Схема развития разрушения породы при
динамическом вдавливании штампа
Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т
Переходная область - подготовка
четвертого скачка разрушения
породы -
'
4
T
Четвертый скачок разрушения
породы -
T4
За один акт воздействия четыре последовательных
выкола породы

26.

Влияние дифференциального давления на разрушение
горной породы вдавливанием
Дифференциальное давление рд
рд = рс - рп
p
m
G
gc
1
рс - рт = ру,
pу
poз p0 (1 a( 10 p у 1))
pд
р
где р0з – предел
рс
А
с
р
0
dm
р
я
dп
р
3
т
2
А
d
а
d
текучести горной породы в
забойных условиях;
а – коэффициент
пропорциональности
рп
б

27.

АБРАЗИВНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД
В горном деле под абразивностью горных
пород понимают их способность изнашивать
металлы при трении.

28. Изнашивание, износ, поломка

Изнашивание - процесс постепенного изменения
формы и размеров твердого тела при длительном
взаимодействии с другим твердым телом.
Износ – результат процесса изнашивания.
Величина износа измеряется
Поломка – процесс изменения формы и размеров
твердого тела в результате однократного
взаимодействии с другим твердым телом.

29.

Два показателя изнашивания:
1) интенсивность изнашивания
- износ, приходящийся на единицу
работы трения;
2) скорость изнашивания
- износ в единицу времени.
а = W/to,
где а - скорость изнашивания;
W - износ в любых единицах, например, в мг, мм,
мм3 и т.д.;
to - время изнашивания твердого тела.

30.

Факторы, влияющие на изнашивание.
Свойства трущихся поверхностей характеризуются
шероховатостью, соотношением твердостей поверхностей
Режим трения характеризуется
контактным давлением,
скоростью относительного
перемещения изнашиваемых поверхностей
обобщенным показателем - удельной мощностью трения Nуд:
Nуд = fpvt ,
где р - давление на поверхностях трения;
f - коэффициент трения;
vt - скорость относительного перемещения
изнашиваемых поверхностей.
Среда характеризуется
смазывающей и охлаждающей способностями.

31.

Схема изнашивания эталонного стержня
Эталонный стержень из стали «серебрянки»
диаметром 8 мм, с одного торца отверстие
диаметром 4 мм глубиной 10 мм. Сверлят по
5 минут каждым торцом.
Определяют аЭ суммарный массовый износ
в мг/10мин.
По аэ классификация
Все горные породы делятся на
восемь классов от
весьма малоабразивных
до
в высшей степени абразивные
1 – горная порода; 2 – эталонный стержень

32.

Схема изнашивания вращающегося диска
а
P
4
n
1 – диск из долотной
1
3
стали радиусом R и
2
шириной рабочей
поверхности b;
2 – образец горной
5
породы;
vп
I3 – подвод II
охлаждающей
жидкости
0
Nуд1
Параметры режима испытаний:
P – нагрузка на диск, Н; n – частота вращения диска, об/с;
Vп – скорость протяжки образца породы, мм/с.
Измеряется:
МТР - момент трения на диске, Н·мм;
ΔR - потеря радиуса диска (мм), за время Δt, с.
Nуд2

33.

Обработка результатов экспериментов
Рассчитываются:
Скорость изнашивания долотной стали
а = ΔR/Δt,
Параметр режима работы - удельная
мощность трения Nуд
Мощность трения:
NТР MТР ω MТР 2π n
Рабочая поверхность диска:
SР 2π R b
отсюда:
NУД
NТР M ТР 2π n M ТР n
SР
2π R b
R b
По результатам испытаний строятся зависимости а от Nуд,

34.

P
1
Зависимости
скорости изнашивания долотной стали
от удельной мощности трения
а
4
2
5
vп
I
0
II
Nуд1
III
Nуд2
Nуд
4 – зависимость для обломочных пород;
5 – зависимость для кристаллических пород
выделены три области изнашивания стали по
существенному изменению характера зависимости а от Nуд.

35.

Первая область ( Nуд < 0,4 Вт/мм2) – область окислительного
изнашивания
В первой области
скорость линейно зависит от удельной мощности трения, т.е.
à À0 NÓÄ
где А0 - экспериментальный параметр, зависящий от абразивности породы.
Вторая область (от Nуд1 до Nуд2) - область теплового изнашивания
Вторая область изнашивания
характерна для работы
элементов вооружения породоразрушающих инструментов шарошечных долот
для обломочных горных пород
à À NÓÄ Â
где А и В - экспериментальные параметры
уравнения изнашивания,
зависящие от абразивности горной породы
для кристаллических осадочных горных пород
à À N
Ê
ÓÄ
где А и k - экспериментальные параметры,
зависящие от абразивности породы.

36.

Третья область изнашивания ( Nуд > Nуд2)
– область катастрофического изнашивания
наблюдается только при разрушении наиболее твердых пород.
Скорость изнашивания твердого сплава
при разрушении горных пород в 80…120 раз меньше,
чем скорость изнашивания закаленной стали,
и прямо пропорциональна удельной мощности трения.
Однако при Nуд > 4 Вт/мм2 наблюдается резкое
увеличение скорости изнашивания твердого сплава,

37.

Показателей абразивности горных пород.
Классификации по абразивности
Показатели абразивности
определяют по областям изнашивания.
В первой области в качестве показателя использован
угловой коэффициент А0 уравнения при Nуд = 0,2…0,3 Вт/мм2
а11 = А0
первая цифра индекса показателя
- область изнашивания,
- вторая - условная удельная мощность

38.

Для второй области изнашивания
в качестве показателей абразивности
используются две величины скорости изнашивания:
а21 при Nуд = 1 Вт/мм2
и а25 при Nуд = 5 Вт/мм2
(в индексах при а
цифра 2 означает вторую область изнашивания,
а цифры 1 и 5 - значения Nуд).

39.

Классификация абразивности горных пород
по отношению цементированной закаленной стали марки 20ХН3А
По второй области изнашивания по показателю а21.
Все горные породы разделены на 12 категорий,
которые объединены в три группы
по четыре категории в каждой.
Классификация по абразивности осадочных горных пород
по отношению к закаленным сталям
Группы
Категории
а21, мм/ч
Малоабразивные
(неабразивные)
Средней
абразивности
Высокоабразивные
(абразивные)
1, 2, 3, 4
5, 6, 7, 8
9, 10, 11, 12
< 0,2
0,2-1,2
> 1,2

40.

Определение абразивности горных пород в категориях.
В промысловой практике широкое применение находят
показатели абразивности горных пород, выраженные в категориях.
по данным испытаний методом изнашивания диска
Косвенный метод (метод аналогий)
оценки абразивности в категориях по шламу
и другой геолого-геофизической информации