Горные породы. Механические свойства горных пород презентация

к учебному пособию
«Разрушение горных пород»
(авторы Попов А.Н., Трушкин Б.Н., Трушкин О.Б. )
и не отменяет изучение самого пособия!

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.

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.

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.

Изд-во УГНТУ, 2016.- 138 с.

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.

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.

ЛИТЕРАТУРА:

застывания на глубине или лавы, излившейся на поверхность

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).

образовались в результате преобразования магматических и осадочных пород под действием высоких давления и температуры.

(21 %)

Кристаллические хемогенного и органогенного происхождения
(24 %)

Вид связей

Связные
Сцементированные

Рыхлые
Сцементированные

Кристаллизационные

Глины
Аргиллиты, глинистые сланцы

Алевриты, пески
Алевролиты, песчаники

Известняки,
Доломиты,
ангидриты,
Гипсы,
каменная соль, калийная соль, бишофит

Описанием пород по составу занимается наука литология.

В скобках показано осредненное содержание рассматриваемых горных пород в разрезах нефтяных и газовых месторождений

состав

строение

неоднородность

Строение горных пород описывается двумя основными признаками:

структурой

текстурой

обусловлена размером, формой и характером поверхностей слагающих породу обломков и кристаллитов

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

называют
коллекторами.

абразивность горной породы.

Свойства горных пород, которые проявляются в механических процессах (при деформировании, разрушении и изнашивании) называются механическими.

Fmax

Классификация горных пород по показателю прочности
на одноосное сжатие

упругое вдавливание;

1 – штамп; 2 – горная порода; 3 – обломок горной породы; 4 - лунка
F - нагрузка на штамп; h - глубины внедрения штампа в породу

б - хрупкое разрушение горной породы в конце вдавливания;

4

полученные на установке УМГП-3

Зависимости ,полученные на гидравлическом прессе

Хрупкая порода

Пластично – хрупкая порода

Высокопластичная порода

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

Показатели, характеризующие прочностные свойства породы

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.

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.

Классификация горных пород по твердости

особенности разрушения горных пород
при динамическом вдавливании штампа
(по данным Н.М. Филимонова и К.И. Вдовина).

Поэтому:

В качестве аргумента принята энергия удара штампа о горную породу Т.

динамическое вдавливание элементов вооружения породоразрушающих инструментов.

штамп;
1 – штамп;
2 – лунка;
3 - обломки горной породы;
а – начало разрушения;
б, в, г – соответственно первый, второй и третий скачки разрушения породы.

Р

Всего бывает до 4-х скачков разрушения при одном акте воздействия штампа на породу

Р

Р

Р

удара Т

С увеличением энергии воздействия энергоемкость разрушения скачкообразно уменьшается, а объем лунки ступенчато растет.

Минимумы энергоемкости выделяют как скачки разрушения

разрушения породы -

Первый скачок разрушения породы -

За одно воздействие - один выкол

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа

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.

3

1

2

При достижении в окружающей ядро породе предельных напряжений в ней образуются боковые трещины и происходит хрупкое разрушение окружающей ядро породы.

обломки

породы -

За одно воздействие - два последовательных выкола

Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа

породы -

За одно воздействие - три последовательных выкола породы

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа

Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т

породы -

За один акт воздействия -четыре последовательных выкола породы

Схема развития разрушения породы при динамическом вдавливании штампа

Развитие зон разрушения породы с увеличением энергии удара Т

рд = рс - рп

рс - рт = ру,

где р0з – предел текучести горной породы в забойных условиях;
а – коэффициент пропорциональности

способность изнашивать металлы при трении.

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.

- 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.

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.

Свойства трущихся поверхностей характеризуются
шероховатостью, соотношением твердостей поверхностей

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

Н; n – частота вращения диска, об/с;
Vп – скорость протяжки образца породы, мм/с.

n

Измеряется:
МТР - момент трения на диске, Н·мм;
ΔR - потеря радиуса диска (мм), за время Δt, с.

1 – диск из долотной стали радиусом R и шириной рабочей поверхности b;
2 – образец горной породы;
3 – подвод охлаждающей жидкости

- удельная мощность трения Nуд
Мощность трения:

По результатам испытаний строятся зависимости а от Nуд,

Рабочая поверхность диска:

отсюда:

для обломочных пород;
5 – зависимость для кристаллических пород

выделены три области изнашивания стали по существенному изменению характера зависимости а от Nуд.

первой области
скорость линейно зависит от удельной мощности трения, т.е.


где А0 - экспериментальный параметр, зависящий от абразивности породы.

Вторая область (от Nуд1 до Nуд2) - область теплового изнашивания

для обломочных горных пород

для кристаллических осадочных горных пород

Вторая область изнашивания
характерна для работы
элементов вооружения породоразрушающих инструментов -
шарошечных долот

где А и В - экспериментальные параметры
уравнения изнашивания,
зависящие от абразивности горной породы

где А и k - экспериментальные параметры,
зависящие от абразивности породы.

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,

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

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).

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

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