Моделирование процесса взаимодействия породоразрушающего инструмента с породой
(2.14) |
Построенная выше модель процесса работы шарошечного. долота при глубоком бурении требует определения для любого момента времени t суммарной величины силы сопротивления породы Р при ее взаимодействии со всеми контактирующими зубцами, т. е.
P{t) = >] PUnkm(t)].
nkm
Как видно из этого соотношения, суммированию подвергаются зависимости Piznkm(t) для каждого зубца с учетом его углубления в данный момент времени. Уравнение кинематики долота определяет взаимное расположение зубцов всех венцов шарошек относительно забоя, и, следовательно, величины ■Znkm(t) могут быть вычислены.
Поэтому задача сводится к определению функций P(z) для зубцов разной формы и конфигурации. При этом должны быть учтены условия залегания породы при бурении глубоких скважин, а также динамический характер взаимодействия зубцов с породой.
Чтобы разобраться в характере и физическом смысле зависимости Р(г), необходимо привести вкратце основные сведения о механизме разрушения горных пород.
Как показывают экспериментальные исследования, процесс разрушения горной породы включает три стадии:
— упругая деформация;
— остаточная деформация;
—отделение части породы от массива.
Упругая стадия взаимодействия зубца долота с породой определяется только краевыми условиями задачи — формой; площадки контакта и эпюрой давления по этой площадке, а также коэффициентом Пуассона горной породы. Расчет напряженного состояния породы для контактных площадок различной формы [35] и последующий прочностной анализ полупространства [3] позволили построить теоретически общую схему возникновения и развития процесса разрушения после выхода породы из упругого состояния. Из анализа следует, что разрушение должно начаться в зоне контура контактной площадки при сравнительно малой нагрузке на зубец. Оно должно иметь характер хрупкого отрыва в площадках, перпендикуляр-^ ных к свободной поверхности полупространства. В результате на поверхности должна образоваться кольцевая трещина отрыва, охватывающая контактную площадку. Предполагая, чтс дальнейшее развитие трещины будет происходить вдоль траектории главных нормальных растягивающих напряжений, начинающейся на свободной поверхности из кольцевой трещины, можно заключить, что она будет иметь вид расходящегося конуса, кругового или эллиптического. Экспериментальная проверка этой гипотезы вполне подтвердила ее для группы горных пород, таких, как кварцит, доломиты, песчаники, некоторые известняки и другие.
Коническая трещина разделяет верхнюю часть полупространства на две области: усеченный конус и окружающую era консоль. Заключительная стадия процесса разрушения состоит в отломе консоли путем передачи на нее части давления штампа через материал конуса. Отлому консоли предшествует полное или частичное разрушение материала конуса, приводящее к увеличению доли внешнего давления, передаваемого на кок — соль. Это давление со стороны конуса приводит к изгибу консоли и появлению на внутренней поверхности растягивающих напряжений, под действием которых образуется трещина отрыва, чаще всего нормальная к конической трещине и выходящая на поверхность полупространства под малыми углами к последней (рис. (■>,</)
Описанный процесс разрушения горных пород называется первым механизмом разрушения. Как показывают эксперименты, в ряде пород первый механизм разрушения или совсем не развивается или, начав развиваться, затухает, и дальнейшее разрушение происходит по так называемому второму механизму.
Причина, приводящая к тому, что коническая трещина не развивается, заключается в том, что на контуре площадки контакта растягивающие напряжения в некоторых породах вместо того, чтобы увеличиваться с ростом давления на зубец, начинают уменьшаться из-за увеличения объема сжатой породы непосредственно под площадкой контакта. Типичным предста-
Ряс. 6. Первый а и второй б механизмы разрушения горных пород
вителем таких материалов является мрамор. При. наличии дифференциального давления на поверхности забоя по второму механизму могут разрушаться те породы, которые в атмосферных условиях разрушаются по первому.
Суть второго механизма заключается в следующем. По мере увеличения нагрузки на зубец под площадкой контакта развивается зона необратимых деформаций (пластические деформации и микротрещиноватость зерен, потеря связности между ними и т. д.). При малых нагрузках зона необратимых деформаций, или зона предразрушения, локализуется в окрестностях контура площадки, а по мере роста нагрузки развивается! в глубь массива, принимая в конце концов форму усеченного овального ядра. Какова бы ни была физическая природа структурных изменений в этом ядре, результатом является то, что полупространство, как и при первом механизме разрушения, разделяется на две части: предразрушенное ядро и окружающую его упругую консоль. _
Заключительная стадия процесса разрушения аналогична случаю первого механизма. По мере накопления структурных изменений в материале ядра, он начинает передавать давление зубца на консоль в возрастающей степени, в результате чего
консоль отламывается и первый скачок процесса разрушения завершается (рис. 6,6).
На основании описания механизмов разрушения нетрудно заключить, что характеристика этого процесса P(z) для первого скачка разрушения должна состоять из трех участков: упругого линейного участка, нелинейного возрастающего участка, соответствующего необратимой деформации конуса, или ядра предразрушения, и участка резкого уменьшения силы, соответствующего отлому консоли.
Возникновение и развитие конической трещины при первом механизме разрушения не изменяет упругого характера полупространства в целом и поэтому не должно существенно влиять на ход кривой P(z). После образования трещины сопротивление породы внедрению зубца несколько уменьшится и линейный участок кривой может незначительно изменить угол наклона. При дальнейшем внедрении зубца в породу после отлома консоли весь процесс должен качественно повторяться, образуя второй и последующие скачки разрушения. Очевидно, что максимальное значение силы в каждом последующем скачке должно в принципе возрастать, так как разрушение породы в углублении требует большей силы, чем на плоской поверхности. При достаточно быстром и непрерывном внедрении зубца уменьшение силы на падающих участках может быть незначительно.
При наличии дифференциального давления внешнее давление на консоль препятствует ее выходу, что приводит к существенному увеличению максимальных нагрузок, необходимых для реализации каждого скачка. Кроме того, давление, удерживающее консоль от выкола, препятствует уменьшению нагрузки между скачками. В результате этого скачкообразный характер зависимости P(z) должен существенно сглаживаться.
Поскольку в практике удельные давления на зубец могут оказаться недостаточными, вполне возможно, что будет реализована только часть характеристики P(z), иногда даже неполный первый скачок. В этом случае принято говорить о так называемом усталостном разрушении горной породы.
На основе знания деталей механизмов разрушения можно* попытаться оценить возможность теоретического описания функций P(z), используя для каждого из ее участков соответствующие уравнения механики.
Решение классических задач теории упругости позволяет нам рассчитать функцию P(z) для первой стадии, т. е. определить ее при упругом прогибе породы. Для этого нужно определить упругое опускание полупространства от действия штампа, соответствующего конфигурации эталонного зубца. Так, например, для сферического жесткого штампа зависимость, величины упругого прогиба породы 2 от действующей нагрузки Р имеет следующий вид [10]:
1 13/9я(1-у«) pf
2 / 2р Е ’
где v — коэффициент Пуассона; р — радиус скругления вершины штампа; Е — модуль упругости породы.
Аналогичные зависимости упругого прогиба г полупространства от нагрузки Р в случае прямоугольного штампа могут быть взяты из работ А. Лява [47] и В. Г. Короткина.
В процессе взаимодействия зубца с породой возникает зона предразрушения. В одних случаях эта зона ограничена конической трещиной, в других — она будет представлять собой ядро с нарушенной структурой материала. Но в обоих случаях порода в окрестности контактной площадки может быть рассмотрена как полупространство с выемкой, на внутренние стенки которой действует некоторое распределенное давление.. Существуют методики, позволяющие рассчитать распределение напряжений в нетронутой части полупространства и на контуре’ выемки для различных эпюр давления. Таким образом, для определения величины силы, при которой произойдет вылом консоли и завершится заключительная стадия процесса разрушения, необходимо уметь рассчитать закон распределения давления на внутренние стенки выемки, распределение напряжений в нетронутой части полупространства и на контуре. Методика решения такого рода задач математически довольно* сложна, но возможна.
Труднее рассчитать углубление зубца в породу при развитии промежуточной стадии процесса разрушения, т. е. при формировании ядра предразрушения. В этом случае рассматривается материал с непрерывно изменяющимися и неизвестными свойствами. Современная механика твердого тела только разрабатывает методы решения подобных задач, основанные главным образом на описании и формализации накопления дефек-, тов и структурных изменений в области разрушения. Имение эта промежуточная стадия является главным препятствием на пути создания расчетно-теоретического метода построения функции P(z).
Что касается математического описания распространения конической трещины, то эта задача пока также не имеет решения, хотя теория равновесных трещин развивается достаточноуспешно. :
Если говорить о процессе внедрения зубца в породу в це-, лом, то необходимо помнить, что он может не ограничиться одним скачком разрушения, а состоять из двух, трех, а иногда п более скачков. Расчет этих последующих скачков осложняется тем, что его объектом является полупространство с выемкой, в котором имеются трещиноватость и нарушение структуры, вызванные первым скачком. Наличие градиента давлений г. поверхностном слое породы также может привести к искажению картины внедрения зубца, связанному со значительны^ увеличением глубины внедрения, необходимым для вылома консоли. При реальных глубинах внедрения зубцов шарошечного долота выколов может вообще не произойти и, следовательно, функция P{z) будет регистрировать главным образом протекание промежуточной стадии процесса разрушения.
Из изложенного ясно, что, хотя отдельные теоретические решения, связанные с функциями P(z), могут и должны быть использованы в исследовательских целях, основным способом получения кривых P(z) должен быть экспериментальный.
Следует указать, что получение зависимостей типа Р (г) экспериментальным путем не является в науке о разрушении новым вопросом. Можно указать большое количество советских и зарубежных исследований, в которых описано получение зависимостей Р (z) или их отдельных элементов в различных условиях и с помощью разных лабораторных установок 18, 19. 20, 22, 24, 31, 36, 38, 41, 43—45, 48, 49].
Для экспериментальных исследований, связанных с взаимодействием породоразрушающего элемента с образцом ^гррной породы, используются различные лабораторные установки. Наиболее простые из них представляют собой различные копры, в которых необходимая для разрушения энергия накапливается движущейся массой. Масса эта может ускоряться за счет свободного падения или с помощью дополнительных механизмов. Подобные установки достаточно просты, удобны в обращении, их можно использовать в тех случаях, когда необходимо фиксировать заданную энергию удара. Однако получение фиксированной глубины внедрения на таких установках затруднительно. Кроме того, они не позволяют задать определенный закон внедрения индентора в породу, соответствующий кинематике реального породоразрушающего инструмента, а также исследовать влияние скорости взаимодействия зубца с породой, не изменяя энергии удара или других условий эксперимента.
Для целей, определенных нами выше, удобнее использовать установку, относящуюся к другому типу, именно к такому, в котором внедрение индентора в породу осуществляется принудительно, от источника энергии, не связанного с самой установкой. Подобные устройства позволяют в той или иной мере учитывать и моделировать особенности кинематики взаимодействия зубцов шарошечного долота с забоем.
Американскими исследователями был предложен принцип внедрения индентора в породу с помощью профилированного кулачка (43]. С использованием этого принципа была сконструирована специальная установка «КУМ 15», предназначенная для детального изучения единичных актов разрушения и получения их количественных характеристик в условиях, прибли
женных к условиям породы и реального породоразрушающего инструмента.
Конструкция установки предусматривает возможность проведения испытаний с зубцами различных конфигураций на — реальных кернах горных пород. Процесс разрушения происходит в камере, в которой могут независимо воспроизводиться давление столба промывочной жидкости, боковое горное давление и поровое давление внутри образца горной породы. Функция внедрения экспериментального зубца задается профилем кулачка. Скорость взаимодействия также может изменяться как за счет профилирования кулачка, так и за счет скорости вращения привода. Устройство установки предусматривает также возможность выполнения последовательных ударов зубца по породе с заданным шагом. Измерительная система установки разработана с таким расчетом, чтобы иметь возможность регистрировать величину силы взаимодействия зубца с породой и величину углубления зубца в виде непосредственной записи зависимости P(z).
Техническое описание установки «КУМ 15» и ее характеристик приведены ниже.
О 1 Z г, мм |
На рис. 7 приведены некоторые экспериментальные зависимости P(z), полученные на установке «КУМ 15» при испытаниях кернов различных горных пород в атмосферных условиях. Характерной особенностью всех этих кривых является их скачкообразный характер. С этой точки зрения можно сказать, что характер зависимостей P(z) для различных пород однотипен, хотя по количеству скачков, высоте отдельных пиков, по наклону упругих участков они могут существенно различаться
Р, кгс |
Рис. 7. Экспериментальная зависи — Рис. 8. Экспериментальная зависимость силы сопротивления породы от мость силы сопротивления породы от
глубины внедрения зубца (зубец глубины внедрения зубца (условия1
5X1 мм, условия атмосферные: атмосферные, порода—мрамор)
/ — глина; 2— песчаник; 3 — известняк Зубцы: / — 5X0,5 мм; 2 — 5×1,0 мм; 3 —
слабый; 4— мрамор ЮХ! мм; 4—полусферический ч = о мм
между собой. Подобный характер зависимостей P(z) вполне соответствует теоретическим представлениям, изложенным выше. Каждый скачок разрушения соответствует очередному циклу разрушения породы при внедрении зубца и в свою очередь обусловливается тремя последовательными процессами, происходящими в горной породе: упругим сжатием, образова-. нием зоны или ядра предразрушения и выколом консоли.
Очевидно, что наклон упругого участка для зубца данной конфигурации будет тем больше, чем выше модуль упругости породы. Величина силы Ри характеризующей первый скачок разрушения, определяется главным образом твердостью породы и в некоторой степени зависит от скорости взаимодействия. Интенсивность падения силы зависит от хрупкости породы. То же самое можно сказать о каждом скачке разрушения.
Когда сила, внедряющая зубец в породу, прекращает свое действие, сопротивление породы падает до нуля с градиентом, определяемым свойствами предразрушенной породы под зубцом. Из экспериментальных зависимостей P(z) видно, что эти участки, как правило, имеют больший угол наклона, чем для нетронутой упругой породы, и не всегда линейны. Однако для практических целей вполне возможно аппроксимировать их отрезками прямой.
При получении подобных зависимостей в атмосферных условиях инденторами различного типа общий характер кривых сохраняется неизменным. Это утверждение справедливо практически для всех типов зубцов, используемых в комплектах вооружения современных долот: призматических с разными размерами площадки притупления и соотношениями ее сторон, зубцов со сферической вершиной различного радиуса, а также промежуточных модификаций, встречающихся в конструкциях вставных твердоспавных зубцов для мягких и средних пород. На рис. 8 приведены кривые P(z) для зубцов различной конфигурации. Исследования механизма разрушения показывают, что глубина зоны предразрушения пропорциональна характерному размеру площадки контакта. Очевидно также, что с увеличением площади контактной площадки сила, необходимая для разрушения, возрастает. Поэтому при увеличении размеров зубца кривая Р(г) вытягивается в направлении обеих осей и, следовательно, при заданной глубине внедрения количество скачков разрушения уменьшается.
Характер кривых P(z) может существенно отличаться при изменении условий внедрения. Наличие перепада давлений в поверхностном слое породы, как правило, значительно увеличивает силы, потребные для осуществления последовательных скачков разрушения. При рассмотрении механизма взаимодействия индентора с породой было указано, что влияние перепада давлений сказывается не только на величине усилий, но и на характере процесса разрушения. Требуется большее
углубление индентора и вылом консоли лишается своего хрупкого характера. Перепад давлений делает породу как бы более пластичной. В результате кривые P(z) приобретают более плавный характер и в отдельных случаях могут быть вовсе лишены сколько-нибудь заметной скачкообразности. На рис. 9 приведены зависимости P(z) при различных давлениях.
Существенное влияние на характер кривых P(z) при заданном перепаде давлений может оказывать среда, контактирующая с поверхностью породы. Это влияние сказывается в первую очередь для проницаемых пород и может быть очень заметным. Снижение водоотдачи раствора к увеличение содержания твердой фазы приводят к тем же последствиям, что и сам перепад давлений, т. е. к увеличению видимой сопротивляемости породы и сглаживанию кривых (рис. 10).
Рис. 9. Экспериментальная зависимость силы сопротивления породы от глубины внедрения зубца (порода — известняк средний, зубец 5Х XI,0 мм): |
/ — атмосферные условия; 2 — р=50 кгс/см2; 3 — р =
=250 кгс/см2; 4 — р = 500 кгс/см2
Р, кгс Рис. 11. Экспериментальная зависимость силы сопротивления породы от глубины внедрения зубца (зубец 5X1,0 мм, условия атмосферные, порода — известняк крепкий) Скорость соударения: / — 0,4 м/с; 2 — 2,0 м/с |
Р. к г с Рис. 10. Экспериментальная зависимость силы сопротивления породы от глубины внедрения зубца (зубец 5X1,0 мм, порода — песчаник, р= = 250 кгс/см2) |
Раствор: 1 — водоотдача 25 см3/30 мин, содержание твердой фазы 5%; 2 — водоотдача 5 см°/30 мин, содержание твердой фазы 25%
33
Наконец, немаловажным фактором, влияющим на динамические характеристики горных пород, является скорость внедрения в них индентора. С увеличением скорости для некоторых пород происходит определенное увеличение силы сопротивления, а также увеличение жесткости породы. Таким образом, кривые P(z) для больших скоростей взаимодействия имеют более высокие пики скачков и большую крутизну упругих участков (рис. 11).
Проводимые до сих пор кривые были получены при внедрении зубцов в заранее подготовленную плоскую поверхность — породы. В действительности долото работает на забое с весьма неровной и на некоторую глубину предразрушенной поверхностью. Сравнение динамических характеристик, полученных на’ гладких и на специально подготовленных, имитирующих забойную поверхность образцах, показало, что существенной разницы в характере осциллограмм нет. Заметно только незначительное сглаживание скачков и некоторое снижение усилий..
При экспериментальном получении характеристики P{z) в заданных условиях обычно проводят несколько экспериментов. Это необходимо прежде всего из-за естественной дисперсии свойств горных пород. При подобных повторных экспериментах кривые P(z) обычно сохраняют свой характер, но отличаются в некоторых количественных деталях. При использовании группы таких зависимостей возможны два варианта.
Один из них заключается в том, что в модель процесса1 бурения каждая кривая вводится в натуральном виде и осреднение выполняется на уровне конечных результатов. При другом варианте может быть найдена одна осредненная кривая; P(z), которая считается представительной для породы данного типа. При осреднении нужно учитывать особенности структуры кривых P(z). Для этого кривые детально анализируются, выделяются их характерные элементы и осреднение производится поэлементно. Так, например, положение вершины первого пика (динамическая твердость), характеризующей первый скачок разрушения, осредняется отдельно по глубине и по уровню силы.
В главе 1 уже указывалось, что при расчете скорости проходки в ряде случаев должна быть использована зависимость объема разрушенной и отделившейся от массива породы от ’лубины внедрения зубца V(z). Экспериментальное получение кривых V(z) затруднено значительной дисперсией величин измеряемых объемов лунок. Поскольку количество имеющегося в наличии кернового материала обычно невелико, то получение надежных данных для детального построения кривой V(г) может оказаться весьма затруднительным. Поэтому целесообразно установить общий тип зависимостей V {z) на образцах карьерных материалов, обладающих достаточной однородностью, как, например, мрамор «коелга», очень часто исполь
зуемый при лабораторных исследованиях процессов разрушения.
Поскольку для большинства горных пород вид кривой V (z) оказывается аналогичным, то при работе с керновым материалом обычно достаточно получить сравнительно небольшое количество точек.
На рис. 12 приведены несколько кривых V(z) для различных пород. Все они сходны между собой и могут быть аппроксимированы самыми про — з
отыми аналитическими соотношениями типа параболы,
■проходящей через начало координат. Степень этой параболической зависимости дд колеблется от 2 до 3.
Экспериментальные исследования показывают, что чем слабее порода, тем больший ее объем отделяется в атмосферных условиях от массива при одной и той же глубине внедрения.
Это правило сохраняется для большинства испытанных горных пород.
При детальном построении зависимости V(г) нетрудно заметить, что она имеет волнистый характер, который исчезает при построении кривых по малому числу экспериментальных точек. Эта естественная болнистость соответствует скачкообразности самого процесса разрушения. Так, например, очевидно, что при углублении, соответствующему упругому вдавливанию зубца и вдавливанию во Бремя фазы предразрушения породы, никакой объем практически от массива не отделяется, но происходят вылом консоли и соответствующее резкое внедрение зубца почти на полную глубину предразрушенного ядра. При аппроксимации кривых V(z) для дальнейшего использования эти явления учитывать нецелесообразно по следующей причине.
Разрушение породы зубцом реализуется только в том случае, когда разрушаемая поверхность является ненарушенной плоскостью. В действительности же забой всегда представляет собой неровную предразрушенную поверхность. Как показали специальные эксперименты, при разрушении такой поверхности кривые V (z) значительно сглаживаются. Даже при самых малых величинах внедрения зубца в неровную поверхность породы происходит хотя и незначительное, но все же заметное отделение ее частиц от массива. Это подтверждается испытанием долот на стенде с весьма малой осевой нагрузкой, при
2* 35
которой все же можно зафиксировать некоторую скорость проходки. Бурение идет в так называемом «режиме истирания». Таким образом, аппроксимация волнистой кривой V(г) простой степенной функцией не только не вносит существенной погрешности в вычисление скорости проходки, но, наоборот, делает эти работы более точными.
Экспериментальные исследования показывают, что в большинстве случаев конфигурация индентора оказывает сравнительно небольшое влияние на зависимость V(z). То же можно сказать и о типе разрушаемой горной породы. Это объясняется тем, что наибольшая часть объема образуется крупными кусками выламываемой консоли, а траектории вылома отличаются для разных пород только различием в коэффициентах Пуассона v, причем эта зависимость довольно слабая. Таким образом, конфигурации лунок в разных породах близки между собой. Весьма существенное влияние на зависимость V (z) может оказать перепад давлений в поверхностном слое породы. При наличии этого перепада лунки делаются более узкими и, как правило, кривая V(z) проходит ниже, чем при атмосферных условиях. При значительных перепадах для некоторых пород возможны случаи, когда порода вообще не отделяется от массива, а в ее поверхности остается отпечаток зубца. В этих случаях теоретически скорость проходки равна нулю, а практически она очень незначительна и возникает за счет отделения небольших объемов породы при повторных взаимодействиях зубцов на неровности забоя.
Выше был приведен краткий обзор экспериментальных исследований, связанных с получением зависимостей P(z) и V{z), необходимых для функционирования модели процесса бурения. Количественные результаты подобных исследований, выполненных для разных условий разрушения, их анализ и методика экспериментального проведения этих работ, имеющая целью свести их практически к минимальному объему стандартных испытаний, будут приведены в следующей главе.
Таким образом, материалы, приведенные выше, позволяют заключить, что при моделировании работы долота углубление каждого конкретного зубца в породу на основании лабораторных испытаний можно сопоставить с соответствующей силой реакции породы Р на это углубление. При непрерывном внедрении зубца в породу сила Р изменяется в соответствии с характером зависимости P(z). Однако следует иметь в виду, что характеристику P(z) можно использовать лишь для процесса внедрения. При выходе зубца из контакта точка, определяющая состояние системы на графике P(z), не пойдет обратно по той же кривой, так как сила Р, как было указано выше, при обратном движении будет уменьшаться до нуля с градиентом, зависящим от остаточной деформации породы. В этом случае следует пользоваться соотношением
P = P(z’) + k(z — z’)t (2.15)
где z’ — углубление зубца, после которого начинается его возвратное движение; k — угловой коэффициент упругого взаимодействия зубца с предразрушенной горной породой.
Коэффициент k определяется экспериментально и, как было установлено, не имеет существенного влияния на результаты расчета с использованием зависимости P(z), поэтому его можно определять путем линейной аппроксимации заключительного падающего участка экспериментальной кривой.
Что касается экспериментальных характеристик V{z), то они устанавливают соответствие между глубиной максимального внедрения зубца за цикл его взаимодействия с породой и глубиной образовавшейся лунки. Эта характеристика используется в дальнейшем для расчета объема породы, отделившейся от массива за определенное время, путем суммирования отдельных объемов V лунок.