Разрушение горных пород

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

«Разрушение горных пород при бурении скважин» – это дисциплина, которая изучает механические процессы в горных породах при бурении скважин, а также конструкции, работы и изнашивания породоразрушающих инструментов.

Теоретической базой  для изучения этих вопросов являются фундаментальные положения физики твердого тела, дающие представления  о физической сущности процессов, а  также механики сплошных сред, теоретической  механики и деталей машин.

Механика сплошных сред описывает не реальные тела, а их модели, которые включают в себя лишь наиболее существенные признаки (свойства) изучаемых объектов. Горные породы – это специфичные твердые  тела, математические модели которых  весьма сложны. Поэтому применительно к горным породам широко используются частные решения, в основе которых лежат гипотезы о применимости упрощенных моделей, удовлетворительно представляющих в конкретном случае горную породу.

В отличие от других твердых  тел (например, металлов) горные породы неоднородны как по составу, так и по строению и нередко обладают анизотропными свойствами.

Сущность процессов  в горных породах и породоразрушающих  инструментах и параметры соответствующих  моделей изучаются и определяются экспериментально при их физическом моделировании. Особенности горных пород как твердых тел и неучтенные факторы при моделировании обусловливают значительные колебания выходных параметров испытаний. Для обобщения результатов таких испытаний необходимо применение математической статистики.

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.

Количество промывочной  жидкости и воздуха, подаваемых на забой, должно обеспечивать полное и своевременное  удаление шлама с забоя скважины. Очевидно, на качество очистки забоя  будут влиять и свойства жидкости, которые обусловлены главным образом геологическими условиями проводки скважины.

Производительность долота принято характеризовать длиной ствола скважины, пробуренного долотом  до его полного износа. Этот показатель называется проходка на долото, обозначается Н и измеряется в метрах.

Долговечность (стойкость) долота принято характеризовать временем механического бурения до полного износа долота, обозначается Т и измеряется в часах.

Показатели Н и Т первичные, по ним определяют другие, более сложные,  показатели. Отношение

 

получило название механической скорости проходки.

Геологический разрез пачки неоднороден. Это предопределяет различие показателей работы долот. Статистические методы анализа результатов работы долот предполагают случайное распределение факторов, влияющих на показатели их работы, в том числе и случайное применение типов долот и режимных параметров в пределах пачки.

Для решения вопроса о рациональном типе долота необходим промысловый  эксперимент. Перспективными долотами должна быть пробурена вся пачка, причем в одной скважине долотом одного типа, либо должен быть поставлен статистически спланированный эксперимент. Только так будут получены объективные данные для решения вопроса о рациональном типе долот. Такой эксперимент позволит провести детальный анализ буримости пород пачки и, в случае выявления определенной закономерности буримости, рекомендовать базовый тип долот и типы долот для разбуривания аномальных интервалов.

Принципы выделения  пачек одинаковой буримости.

С учетом основных факторов, влияющих на буримость пород, эти принципы можно свести к следующим основным требованиям:

1. пачка должна быть непрерывной;
2. пачка должна  быть    пробурена долотами одного размера с промывкой одной и той же промывочной жидкостью (если целью исследований не является изучение влияния свойств буровых растворов на буримость пород);
3. пачка должна быть сложена горными породами, близкими по литологии;
4. основные  показатели  механических свойств  горных  пород или буримости  по  промысловым данным  не должны  изменяться с глубиной статистически значимо.

Эти требования обусловливают следующий  порядок разбивки на пачки одинаковой буримости. Вначале в соответствии с конструкцией  скважины  на  рассматриваемом  месторождении  выделяются интервалы бурения долотами различного диаметра, затем интервалы бурения с промывкой одинаковыми растворами, далее по литологическим признакам и, наконец, по показателям механических свойств или, при их отсутствии, по промысловым показателям буримости проводится проверка однородности выделенных интервалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПРОВЕРКА КРАЙНИХ ЗНАЧЕНИЙ ВАРИАЦИОННЫХ РЯДОВ:

 

1.1 ПО ПРОХОДКЕ ИНТЕРВАЛА 400-1000 м:

    

Х₁= 456 м

Х₂= 482 м

Х₃= 507 м

Х₄= 529 м

Х₅= 551 м

Х₆=609 м

Х₇= 685 м

Х₈= 716 м

Х₉= 728 м

 

 

Для проверки значений Х₁:

                                (2)

                               (3)

                               (4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полученные значения сравниваем с К₁, К_2, К_3,  где

К₁=0,412

К₂=0,477

К₃=0,531

 

Результат удовлетворяет условию, значит Х₁ из вариационного ряда не исключается.

 

Для проверки значений Х_n, Х_n-1:

 

                           (5)

                           (6)

                           (7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результат удовлетворяет условию, значит Х_n и Х_n-1 из вариационного ряда не исключаются.

 

 

1.2 ПО ПРОХОДКЕ ИНТЕРВАЛА 1000-1500 м:

 

Х₁= 276 м

Х₂= 290 м

Х₃= 302 м

Х₄= 313 м

Х₅= 326 м

Х₆= 337 м

Х₇= 366 м

Х₈= 403 м

Х₉= 419 м

Х₁₀= 425 м

Для проверки значений Х₁:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результат удовлетворяет условию, значит Х₁ из вариационного ряда не исключается.

 

Для проверки значений Х_n, Х_n-1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результат удовлетворяет условию, значит Х_n и Х_n-1 из вариационного ряда не исключаются.

 

 

1.3 ПО ПРОХОДКЕ ИНТЕРВАЛА 1500-2000 м:

 

Х₁= 176 м

Х₂= 190 м

Х₃= 202 м

Х₄= 215 м

Х₅= 226 м

Х₆= 226 м

Х₇= 303 м

Х₈= 319 м

Х₉= 325 м

 

 

Для проверки значений Х₁:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результат удовлетворяет условию, значит Х₁ из вариационного ряда не исключается.

 

 

 

Для проверки значений Х_n, Х_n-1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результат удовлетворяет условию, значит Х_n и Х_n-1 из вариационного ряда не исключаются.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4 ПО ПРОХОДКЕ ИНТЕРВАЛА 2000-2100 м:

 

Х₁= 69 м

Х₂= 76 м

Х₃= 82 м

Х₄= 89 м

Х₅= 94 м

Х₆= 99 м

Х₇= 114 м

Х₈= 132 м

Х₉= 140 м

Х₁₀= 143 м

 

 

 

Для проверки значений Х₁:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результат удовлетворяет условию, значит Х₁ из вариационного ряда не исключается.

 

Для проверки значений Х_n, Х_n-1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результат удовлетворяет условию, значит Х_n и Х_n-1 из вариационного ряда не исключаются.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОПРЕДЕЛЯЕМ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАРИАЦИОННЫХ РЯДОВ:

Среднее значение и среднее квадратичное отклонение S.

 

                                            (8)

 

                           (9)   

 

 2.1 ПО ПРОХОДКЕ ИНТЕРВАЛА 400-1000 м:

    

 

 2.2 ПО ПРОХОДКЕ ИНТЕРВАЛА 1000-1500 м:

 

 

2.3 ПО ПРОХОДКЕ ИНТЕРВАЛА 1500-2000 м:

 

 

2.4 ПО ПРОХОДКЕ ИНТЕРВАЛА 2000-2100 м:

 

 

 

 

 

3. ПРОВЕРКА ОДНОРОДНОСТИ ПАЧКИ ОДИНАКОВОЙ БУРИМОСТИ:

 

Сравним 2 ряда  путем вычисления общего среднего квадратичного отклонения S_1,2

 

                        (10)

 

и параметра t_1,2 распределения Стьюдента разности .

 

                                         (11)

 

Сводная таблица значений характеристик вариационных рядов:

 

Интервал		400 – 1000	1000 – 1500	1500 – 2000	2000 – 2100
Проходка	Среднее арифметическое значение, X	584	345	218	103
	Среднее квадратичное отклонение, Sx	97	51	54	25
	Количество членов ряда, n	9	10	9	10

 

 

3.1 ПРОВЕРКА ОДНОРОДНОСТИ ПАЧКИ ПО ПРОХОДКЕ ИНТЕРВАЛОВ 400-1000   и 1000-1500 м:

 

 

 

Число степеней свободы m:

 

                                                    (12)

 

m=17, значит (по табл.4 приложения) t=2.11

Полученное значение t_1,2 сравниваем с табличным значением параметра распределения Стьюдента t при заданной величине надежности 0,95 и определённом числе степеней свободы m. При m = 17, . >t, следовательно, интервалы должны быть разделены.

 

 

 

3.2. ПРОВЕРКА ОДНОРОДНОСТИ ПАЧКИ ПО ПРОХОДКЕ ИНТЕРВАЛОВ 1000-

-1500 и 1500-2000 м:

 

 

Полученное значение t_2,3 сравниваем с табличным значением параметра распределения Стьюдента t при заданной величине надежности 0,95 и определённом числе степеней свободы m. При m = 17, . >t, следовательно, интервалы должны быть разделены.

 

 

3.3 ПРОВЕРКА ОДНОРОДНОСТИ ПАЧКИ ПО ПРОХОДКЕ ИНТЕРВАЛОВ 1500-

-2000 и 2000-2100 м:

 

Полученное значение t_3,4 сравниваем с табличным значением параметра распределения Стьюдента t при заданной величине надежности 0,95 и определённом числе степеней свободы m. При m = 17, . > t, следовательно, интервалы должны быть разделены.

 

 

 

 

4.  ВЫБОР ТИПА БУРОВЫХ ДОЛОТ ПО МЕХАНИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ ГОРНЫХ ПОРОД И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ДОЛОТО.

 

4.1.ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ТИПА ДОЛОТА:

 

Литологическое описание разреза:

 

Глубина, м	Породы	Твердость породы по штампу Pш, МПа	Тип бурового долота
400-1000	Глины, известняки глинистые	130-1000	М
1000-1500	Глины, Аргиллиты	130-380	МС
1500-2000	Алевролиты	1000	СЗ
2000-2100	Нефтенасыщенные песчаники	500-1500	СЗ

 

Осевая нагрузка на долото по имеющимся данным по твердости горных пород по штампу определяется по формуле:

где -  твердость горных пород по штампу,  Мпа;

- коэффициент, учитывающий изменение твердости пород в забойных условиях (для Западной Сибири принимают обычно равным 0,7);

- площадь контакта зубьев  долота с забоем, мм².