Солнечная электростанция 30кВт - бизнес под ключ за 27000$

15.08.2018 Солнце в сеть




Производство оборудования и технологии
Рубрики

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

В предыдущих разделах были рассмотрены некоторые во­просы влияния конструктивных параметров трехшарошечных долот на показатели эффективности бурового процесса. При этом был заранее принят венцовый принцип размещения поро­доразрушающих элементов по рабочим поверхностям шарошек. Между тем нет никаких оснований априори считать, что раз­мещение лунок разрушения на поверхности забоя концентриче­скими кольцами является оптимальным. Попытаемся подойти к этому вопросу, исходя исключительно из соображений дости­жения наиболее эффективного взаимодействия соседних зон разрушения между собой. Сущность такого подхода заклю­чается в том, чтобы абстрагируясь временно от конкретной конструкции долота, исследовать взаимодействие лунок разру­шения, образуемых зубцами различных конфигураций при их последовательном или одновременном внедрении в поверхность

разрушаемой породы. При работе обычного шарошечного до­лота имеют место оба этих варианта. При одновременном внед­рении тензоры напряжений, образуемых соседними зубцами, соответствующим образом складываются, что приводит к воз­никновению своеобразной картины разрушения двойным или групповым индентором. При этом может измениться величина удельной нагрузки, необходимой для образования скачка раз­рушения. Зоны разрушения могут остаться независимыми или слиться между собой в зависимости от расстояния между ин — денторами, их размеров, конфигурации, взаимного расположения и ориентации.

Те же вопросы встают и при последовательной обработке поверхности породы. Разница заключается в том, что в этом варианте тензоры напряжений не взаимодействуют, а изме­няются краевые условия задачи, так как очередной единичный индентор внедряется в полупространство с выемками от пред­шествующих взаимодействий.

Несмотря на принципиальную разницу одновременного и по­следовательного внедрения инденторов в поверхность породы, результаты взаимодействия оказываются схожими, поэтому в дальнейшем изложении они будут приведены главным образом для варианта одновременного внедрения инденторов.

Рассмотрим особенности напряженного состояния полупро­странства при вдавливании в него двух инденторов, представ­ленных соответствующими эпюрами давления по поверхности контактных площадок.

Суммарное напряженное состояние рассчитывается на основе принципа аддитивности теории упругости с использованием ме­тодик расчета полей напряжений, возникающих от давления на контактные площадки различной конфигурации. Такие мето­дики для круглых и прямоугольных площадок разработаны достаточно подробно [35, 36]. В этих методиках рассмотрены случаи равномерной и полусферической эпюр давления по круг­лой площадке, соответствующих вариантам вдавливания в по­верхность породы круглых плоскодонных и полусферических инденторов, а также случаи равномерного давления на прямо­угольную площадку с учетом радиуса скругления ее углов. Расчеты напряженных состояний полупространства во всех рас­смотренных случаях ввиду их трудоемкости выполняются на ЭВМ. Не представляет принципиальной трудности составить программу расчета на ЭВМ напряженного состояния полупро­странства для произвольной эпюры давления, однако для целей общего анализа ситуации взаимодействия двух инденторов в этом нет надобности. Построение тензорного поля напряжений, возникающею от суммарного действия двух инденторов, позво­лило провести прочностной анализ объема породы, примыкаю­щего к контактным площадкам. Это в свою очередь дает воз­можность установить зоны начала процесса разрушения, опре-

делить предполагаемый ход его развития и делать заключения «относительно конфигурации образующейся лунки и величины нагрузки, необходимой для осуществления различных стадий процесса разрушения.

Под прочностным анализом понимается расчет зон возник­новения и развития остаточных деформаций в массиве породы [3, 36]. При проведении прочностного анализа используется обобщенный критерий прочности горных пород, основанный на построении поверхности предельных состояний по эксперимен­тальным данным [36]. Прочностной анализ позволяет для каж­дого значения последовательно увеличивающегося давления на контактную площадку рассчитать для каждой точки полупро­странства, пребывает ли в ней порода в упругом состоянии или вышла из него. Таким образом, появляется возможность проследить за возникновением и развитием зон остаточных деформаций, которые могут быть представлены изолиниями постоянных давлений в сечениях полупространства.

В соответствии с поставленной задачей расчеты должны быть проведены для различных расстояний между осями ин­дент оров.

Результаты расчета показывают, что при небольших рас­стояниях между инденторами образуется общее поле напря­жений, в котором величина компонент напряжений в централь­ной плоскости между инденторами все же существенно ниже, чем под каждым из них в отдельности. При увеличении рас­стояния образуется независимая слабонапряженная зона в про­странстве между инденторами. Наконец, при дальнейшем увели­чении расстояния имеют место две отдельные независимые зоны напряжений. Таким образом, можно сделать заключение, что развитие процессов разрушения в начальный период происходит независимо под каждым из инденторов, даже когда они рас­положены весьма близко друг от друга.

Сравнение полей напряжений под изолированным инденто — ром [35] и индентором, действующим одновременно с соседним, показывает, что в последнем случае линии постоянных напря­жений несколько отклоняются от оси симметрии во внешние стороны, как бы отталкиваясь друг от друга.

Интересно отметить, что все главные напряжения в цен­тральной плоскости при небольшом расстоянии между инден­торами являются отрицательными. Таким образом, ядро сжа­тия, примыкающее при вдавливании одного индентора непо­средственно к площадке контакта, в случае двух инденторов распространяется на объем полупространства между ними. По­скольку ядро сжатия является областью, через которую за­труднено прохождение магистральных трещин, можно предска­зать, что в случае первого механизма разрушения [36], кони — ‘ ческие трещины будут развиваться во внешние стороны и лишь при большой нагрузке они сомкнутся между собой. Это пол­

ностью подтверждается экспериментально при вдавливании двух цилиндрических инденторов в поверхность блока оптиче­ского стекла. При этом характерные конические трещины, начи­нающиеся от площадок контакта, развиваются преимущественно во внешнюю сторону, в то время как область между инден — торами остается для них как бы запретной, вплоть до весьма значительных нагрузок.

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

Рис. 57. Расчетное поле изобар главных нормальных напряжений при взаимодействии двух площадок давления:

Все сказанное позволяет сделать вывод, что не приходится ожидать какой-либо эффективности процесса разрушения при взаимодействии полей напряжений двух одновременно внедряе-

а — площадки круглые, эпюра давления равномерная; б — площадки круглые, эпюра давления полусферическая; в — площадки прямоугольные, эпюра дав­ления равномерная

мых инденторов. Напротив, они как бы препятствуют друг другу создавать разрушающие напряжения с внутренней стороны. Следовательно, необходимо рассмотреть вариант вдавливания инденторов при значительном расстоянии между ними, когда зоны предразрушения развиваются независимо и только на

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

5 — з -2 -1 О 7 2 J

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

Рис. 58. Расчетное поле изохром при взаимодействии двух площа­док давления:

а площадки круглые, эпюра давления равномерная; б — площадки круг­лые, эпюра давления полусферическая; в — площадки прямоугольные, эпюра давления равномерная

заключительной стадии при формировании магистральных тре­щин выкола эти последние могут слиться между собой, образуя объединенную двойную лунку.

В качестве примера на рис. 57 и 58 приведены изобары наи­больших главных нормальных напряжений ajp и изохромы Ттах/р Для площадок контакта, образуемых цилиндрическими инденторами с плоской и полусферической вершиной, а также прямоугольными инденторами с площадкой контакта при отно­шении сторон ajb — Ъ при расположении их параллельно друг к другу длинными сторонами. Графики на рис. 57 и 58 даны в относительных величинах, где напряжения отнесены к теку­щему давлению на площадку контакта р, а координаты — со­ответственно к радиусу г плоскодонного индентора или сферы, или к половине ширины прямоугольной площадки контакта b при относительном расстоянии между осями инденторов х/г = = х/Ь = 4.

Изучение расчетных зон остаточных напряжений при различ­ных нагрузках подтверждает сделанные выше выводы и дает основание для некоторых дополнительных заключений. На рис. 59 представлены зоны остаточных деформаций для трех перечисленных выше площадок контакта. Так же, как и изо­бары oi/p, они отклоняются от оси симметрии во внешние сто­роны. Это явление можно наблюдать экспериментально при просвечивании тонкой пластинки породы, вырезанной в плоско­сти, включающей оси обоих инденторов. При этом зоны оста­точных деформаций непрозрачны и хорошо видны на светлом фоне просвечиваемой пластинки.

Ввиду того, что объем породы близ плоскости симметрии между инденторами не захватывается зоной предразрушения даже при весьма значительных нагрузках, можно прогнозиро­вать, что эта центральная часть породы при образовании сов­местной лунки должна выколоться целиком или в виде несколь­ких крупных кусков.

Исследование зон предразрушения также показывает, что глубина общей лунки разрушения и величина необходимой для этого разрушения нагрузки не зависят от расстояния между инденторами, пока оно обеспечивает общий выкол. Эта глубина примерно равна радиусу плоскодонного индентора или половине ширины площадки призматического индентора. Эксперименталь­ные исследования профилограмм объединенных лунок вполне подтверждают сделанные выше выводы.

Что касается инденторов с полусферической вершиной, то благодаря непостоянству контактной площадки при изменении нагрузки имеются некоторые особенности при образовании зон предразрушения. Так, необходимая для начала зарождения этих зон нагрузка с увеличением расстояния между инденто­рами несколько возрастает.

Теоретический анализ, изложенный выше, позволил соста-

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

Рис. 59. Расчетные зоны остаточных деформаций для двух площадок давления:

а — площадки круглые, эпюра давления равномерная; б — площадки круглые, эпюра давления полусферическая; в — площадки прямоуголь­ные, эпюра давления равномерная

вить общее представление о характере взаимодействия соседних зон разрушения. Однако он же показал, что поиски наиболее эффективных схем поражения забоя следует вести при таких расстояниях между инденторами, при которых зоны предраз­рушения развиваются фактически независимо. В то же время не представляется возможным исследовать процесс разрушения вплоть до образования магистральных трещин выкола расчетно­теоретическим путем. Отсюда вытекает необходимость при дальнейшем изучении поставленной задачи прибегнуть к экспе­риментальному методу.

Общий план экспериментальных исследований можно пред­ставить следующим образом. Прежде всего для инденторов каждой из исследуемых конфигураций необходимо изучить за­висимость эффективности разрушения от расстояния между двумя вдавливаемыми инденторами и попытаться установить оптимальное значение этого расстояния. Затем следует прове­рить влияние на этот оптимум, выраженный в относительных величинах, абсолютных размеров инденторов. Это необходимо для того, чтобы получаемые выводы могли быть использованы для рекомендаций при проектировании вооружения бурового долота. Следующим этапом является исследование совместного действия группы инденторов, расположенных линейно и при других способах их взаимного расположения. В результате этих экспериментов нужно выбрать наиболее эффективный способ расположения инденторов или, иными словами, оптимальную схему поражения забоя. Наконец, следует проверить влияние некоторых факторов, например забойного давления и скорости взаимодействия инденторов с породой на правильность выбора оптимальной схемы.

Поскольку, как уже было указано, в реальных конструкциях долот взаимодействие инденторов может происходить одновре­менно или последовательно, то изложенный выше план должен быть выполнен для обоих этих вариантов.

Многочисленные эксперименты в соответствии с приведенным выше планом показали, что выбор оптимальной схемы пораже­ния практически не зависит от свойств разрушаемой породы, от размеров инденторов, порядка их взаимодействия и различ­ных забойных факторов. Разница заключается только в незна­чительных изменениях относительной величины оптимального расстояния между элементами схемы.

Ниже в качестве примера приведены некоторые результаты экспериментальных исследований, подтверждающие общие вы­воды относительно выбора оптимальных схем поражения забоя.

При исследовании первого вопроса — зависимости величины объема разрушенной породы от расстояния между инденто­рами — осуществлялось статическое вдавливание инденторов в образцы породы. Инденторы устанавливали на расстоянии с = 2г, 4г, 6г, Юг, 12г. Нагрузку на инденторы увеличивали до момента первого выкола, затем замеряли линейные размеры и объем лунок разрушения. Эксперименты повторялись 10—20 раз. При этом относительная погрешность е при доверительной вероят­ности а = 0,9 составляла 10—20%. Как для плоскодонных, так и для сферических инденторов было установлено, что при одно­временном внедрении двух инденторов существует межцентровое расстояние, при котором достигается максимум разрушенного объема. Поскольку глубина лунки выкола не зависит от рас­стояния между инденторами, то объем разрушенной породы с увеличением межцентрового расстояния увеличивается до тех пор, пока существует взаимодействие. Здесь же следует отме­тить, что не удалось обнаружить заметного влияния межцентро­вого расстояния на величину нагрузки в момент первого вы­кола. Следовательно, величина А — —тг—, где п — количество

СД

инденторов в группе, может служить достаточно представитель­ной характеристикой эффективности группового внедрения. Вы­игрыш в объеме в результате взаимодействия имеет место при Л> 1.

Аналогичные эксперименты были проведены для призмати­ческих инденторов с прямоугольной площадкой контакта. Приз­матический индентор, кроме величины контактной площадки, характеризуется еще соотношением ее сторон, что усложняет проведение исследований. О существенном влиянии этого фак­тора свидетельствует сравнение зон остаточных деформаций, рассчитанных для одинаковой удельной нагрузки, приложенной по равновеликим квадрату и прямоугольнику. Эти расчеты по­казали, что под квадратной площадкой зона деформации глубже и охватывает большую область, чем под прямоугольной. Экспе­рименты подтвердили этот вывод — объем породы, разрушен­ный квадратным индентором, в 1,6 раза больше объема, полу­ченного при внедрении прямоугольного индентора. Таким обра­зом, при подготовке рекомендаций для проектирования опти­мальных схем поражения забоя призматическими зубцами следует учитывать не только расстояния между ними, но и соотношения сторон контактных площадок.

На рис. 60 приведены зависимости величины А2 = — 2 , ха-

ед

растеризующей величину объема совместного выкола по отно­шению к объему, образуемому двумя независимыми единичными выколами породы, от межцентрового расстояния. На рис. 60, а эти зависимости представлены для плоскодонных цилиндриче­ских инденторов диаметром 2,5 и 5 мм. На рис. 60,6 — для цилиндрических инденторов с полусферической вершиной с ра­диусом сферы 2,6 мм и на рис. 60, в — для призматических инденторов с контактными площадками 5×1 и 10×2 мм. При­веденные графики показывают, что наблюдается четко выра­женный максимум эффективности разрушения при оптимальном межцентровом расстоянии, которое составляет соответственно для цилиндрических плоскодонных инденторов около 8г, для цилиндрических инденторов с полусферической вершиной — при-

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

Рис. 60. Экспериментальные зависимости приведенного объема разруше­ния от относительного расстояния между инденторами:

а—круглые плоскодонные инденторы: 1 — г=5, 2 — г=2,5 мм; б — инденторы с полу­сферической вершиной (г=2,6 мм); в — призматические инденторы: 1 — а=5, 6 = 1 мм;

2 — а=10, 6=2 мм

близительно Ъг и для призматических инденторов 5X1 мм — 8b и 10X2 мм — 7,5Ь. Как видно из графиков, абсолютные раз­меры инденторов в определенных пределах практически не влияют на оптимальное межцентровое расстояние. При увели­чении размеров инденторов наблюдается некоторое ослабление взаимодействия. Так, для плоскодонных инденторов диаметром 8 мм максимальное расстояние, при котором имеет место сов­местный выкол, а следовательно, и достигается наибольший объем разрушения, равно 7г.

При расположении призматических инденторов короткими сторонами, т. е. так, как это происходит при взаимодействии зубцов, расположенных на одной образующей шарошки, оказа­лось, что независимо от размеров инденторов оптимальное расстояние составило с = 9,5Ь, т. е. для инденторов 5×1 мм — 9,5 мм, для инденторов 10X2 мм—19 мм. Таким образом, наибольшая эффективность разрушения достигается при отно­сительном расстоянии между венцами 4,56. Это обстоятельство весьма важно учитывать при разработке схем перекрытия забоя.

Итак, для всех рассмотренных конфигураций инденторов можно выбрать оптимальное расстояние между ними, при ко­тором эффективность совместного разрушения оказывается наи­высшей. Рассмотрим причину этого явления на примере взаи­модействия плоскодонных цилиндрических инденторов. Из рис. 60, а видно, что при межцентровом расстоянии от 2г до 6г совместное вдавливание инденторов ведет к уменьшению раз­рушенного объема по сравнению с независимым вдавливанием. При расстоянии 6г объем разрушения тот же, что и при неза­висимом вдавливании. И только при межцентровом расстоянии от 6г до 8г взаимодействие инденторов приводит к увеличе­нию А> 1.

При малом расстоянии между инденторами зоны разрушения перекрывают друг друга, вследствие чего общий разрушенный объем уменьшается. При с = 6г поверхность разрушения близка к двум соприкасающимся кругам, радиусом 3г каждый. Этим и объясняется, что объем разрушения, приходящийся на каж­дый индентор, совпадает с объемом при единичном вдавливании. При увеличении расстояния с объем увеличивается непрерывно, вплоть до такого расстояния, при котором прекращается сов­местный выкол. Разумеется, результаты, представленные на рис. 60, являются среднестатистическими. При расстоянии с несколько больше оптимального в отдельных экспериментах объем разрушенной породы даже увеличивается. Однако в боль­шинстве случаев совместного выкола не происходит. Поэтому средняя по совокупности величина объема резко сокращается. Этим объясняется несимметричный характер зависимостей А =

Рассмотрим теперь результаты взаимодействия зон разру­шения при увеличении количества инденторов. Априори можно предположить, что при линейном расположении группы инден­торов взаимодействие каждой пары соседних лунок практически не зависит от наличия остальных. Поэтому если рассматривать группу в делом, то объем разрушения, приходящийся на один индентор, зависит только от крайних лунок в ряду. Чем больше инденторов входит в линейную группу, тем меньше сказывается влияние крайних зон разрушения. Изложенное можно проил­люстрировать графиком зависимости относительного объема от общего количества взаимодействующих инденторов, размещен­ных на оптимальном расстоянии (рис. 61, а, кривая 1). Эта зависимость, приведенная для круглых плоскодонных инденто­ров, остается справедливой и для породоразрушающих элемен­тов других конфигураций.

Для нелинейного расположения группы осесимметричных инденторов на поверхности разрушаемой породы возможны различные комбинации. Однако эксперименты показывают, что

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

Л

7

7

13

1 л

А Л

“л пЛГа.

Рис. 61. Экспериментальная зависимость (а) приведенного объема разру­шения от количества инденторов:

1— линейное размещение инденторов; 2— размещение инденторов на плоскости (схема б)

наиболее эффективной является такая схема, в основе которой лежит равносторонний треугольник. Так, например, для четырех инденторов со сферической вершиной было проведено экспери­ментальное сравнение объема совместного выкола при разме­щении инденторов в вершинах квадрата и ромба, составленного из двух равносторонних треугольников. Оказалось, что во вто­ром случае величина Л в 1,5 раза больше, чем в первом. Таким образом, группу осесимметричных инденторов следует разме­щать так, чтобы каждый из них располагался в центре пра­вильного шестиугольника со стороной, равной наибольшему расстоянию совместного выкола. Заметим, что при этом опти­мальное расстояние между инденторами оказывается несколько большим, чем при линейном их расположении.

На рис. 61, а (кривая 2) приведены результаты экспери­ментов по вдавливанию групп плоскодонных инденторов, состоя­щих из трех, семи, девятнадцати элементов (рис. 61,6). Из графика следует, что нелинейное расположение инденторов имеет значительное преимущество по эффективности разруше­ния. С увеличением общего количества инденторов в группе эффективность их взаимодействия возрастает, так как умень­шается относительное количество внешних инденторов. Однако еще при 19 инденторах кривая продолжает возрастать. Инте­ресно попытаться сделать оценку объема, приходящегося на внутренние инденторы группы. Для этого нужно эксперимен­тально определить объем разрушенной породы, приходящийся на индентор, расположенный в центре шестиугольника. Оказа­лось, что величина А в этом случае достигает 3,5. Эту вели­чину можно принять за максимальное увеличение объема по­роды, разрушенной плоскодонными цилиндрическими инденто­рами, по сравнению с результатами единичного вдавливания. Для цилиндрических инденторов с полусферической вершиной эффект группового разрушения оказывается еще более значи­тельным. Что касается инденторов с прямоугольной площадкой притупления, то их линейное расположение приводит качест­венно к тем же результатам, что и для осесимметричных инден­торов. Другие варианты размещения связаны с вопросом взаимной ориентации прямоугольных площадок.

Способы такой ориентации могут быть весьма различными. На рис. 62 представлены шесть возможных схем размещения контактных площадок инденторов. Эти варианты хотя и не ис­черпывают всех принципиальных возможностей размещения, но представляют их с полнотой, достаточной для практического использования. Простейшие схемы (1 и 2) основаны на парал­лельном размещении площадок в прямоугольном и шахматном порядках. Схемы 3 и 4 содержат последовательные ряды взаимно перпендикулярных площадок. В схеме 5 расположение площадок чередуется не только от ряда к ряду, но и в каждом ряду от индентора к индентору. Наконец, в схеме 6 предусмот-

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

рено расположение площадок, имитирующее размещение осе­симметричных инденторов на рис. 61,6. Очевидно, что каждый индентор, входящий в схему, ответствен за разрушение участка поверхности, представленного на рис. 62 ячейками. Размеры ячейки устанавливаются экспериментально, т. е. определяется максимальный шаг между инденторами, обеспечивающий при первом скачке разрушения полное слияние соседних зон и обра­зование целиком разрушенного участка породы со сравни­тельно ровным дном. При обеспечении такого размещения слой породы снимается с забоя при первом контакте с породоразру­шающим инструментом.

Для сравнительной оценки предложенных схем может слу­жить площадь ячейки, разрушаемой одним индентором, по­скольку экспериментально установлено, что глубина разрушения с достаточной точностью оказывается одинаковой для всех ис­пытанных вариантов. Поэтому требуется экспериментально определить наибольшие расстояния между рядами и между площадками в каждом ряду, обеспечивающие полный совмест­ный выкол породы. Разумеется, эти расстояния оказываются различными для каждой схемы при одинаковых абсолютных размерах самих площадок. Сравнение площадей ячеек для раз­личных схем показывает, что они оказались одинаковыми для третьей и пятой схем, а также для первой, второй и шестой. Если принять размер площадки первой, второй и шестой схем за единицу, то для третьей и пятой схем она окажется рав­ной 1,1, а для четвертой схемы — около 1,5. Таким образом, оптимальным вариантом является чередование рядов перпенди­кулярно расположенных инденторов, причем инденторы сосед­них рядов расположены в шахматном порядке.

Изложенное выше показывает, что разработанная методика — сравнительной оценки различных схем поражения забоя позво­ляет осуществить обоснованный выбор принципа размещения породоразрушающих элементов на рабочих поверхностях до­лота. Этот принцип базируется на стремлении достигнуть таких условий бурения, при которых слой породы снимается за один оборот долота или за один контакт безопорного инструмента с забоем.

Заметим, что вопрос об абсолютных размерах породораз­рушающих инденторов, образующих выбранную схему разру­шения забоя, остается, вообще говоря, открытым. Он решается на основании конструктивных ограничений и сравнения пока­зателей эффективности бурения, которые могут быть достигнуты при допустимом изменении размеров зубцов или штырей при заданной максимальной величине осевой нагрузки на долото.

Предложенная выше методика построения оптимальной схемы поражения забоя была изложена выше лишь принци­пиально. Очевидно, что на нее оказывают определенное влияние конкретные условия разрушения. Таковыми являются в первую — очередь забойное давление, скорость взаимодействия инденторов с породой, фактическая глубина внедрения инденторов в породу и последовательность их взаимодействия с забоем.

Л

55555

к

с/гопт>Фот

10

Взаимодействие зон разрушения при формировании забоя

Рис. 63. Экспериментальные зависимости оптималь­ного расстояния между инденторами от всесторон­него давления (а) и глубины внедрения (б):

1 — три цилиндрических плоскодонных индентора (г=2,5 мм,, расположены треугольником); 2 — два призматических индентора (а=5, Ь = мм)

500 р, кгс/см2 1 Z гтц, мм

Рассмотрим эти вопросы несколько подробнее. С увеличением всестороннего давления диаметр лунки разрушения для еди­ничного индентора уменьшается. Можно предположить, что будет уменьшаться и наибольшее расстояние между инденто­рами, при котором возможен совместный выкол. В самом деле,, экспериментальная проверка подтверждает это предположение. Существенными для некоторых пород также являются и пара­метры промывочной жидкости. На рис. 63, а приведена зави­
симость оптимального расстояния между круглыми плоскодон­ными инденторами, расположенными в вершинах правильного равностороннего треугольника, от всестороннего давления рас­твора. Таким образом, забойные условия могут привести к не­обходимости некоторого сближения породоразрушающих ин­денторов.

Вполне очевидно, что при реальном процессе бурения глу­бина максимального внедрения зубцов в породу может быть различной и необязательно строго соответствовать осуществле­нию первого скачка разрушения. При изменении этой глубины, по-видимому, должно меняться также и оптимальное расстоя­ние между инденторами, обеспечивающее совместный выкол. Ясно, что чем больше глубина внедрения зубцов, тем шире они должны быть расставлены. Эксперименты были поставлены для групп из трех плоскодонных цилиндрических и двух приз­матических инденторов (рис. 63, б). Таким образом, плотность вооружения долота зависит от расчетной глубины внедрения породоразрушающих элементов.

Что касается влияния скорости взаимодействия инденторов с породой на величину оптимального расстояния, то экспери­ментальные исследования, как правило, не показывают суще­ствования значимой зависимости от этого фактора.

В заключение рассмотрим взаимодействие инденторов при вдавливании со смещением во времени, т. е. когда последующий индентор производит разрушение вблизи лунки, образованной предыдущей. Многочисленные эксперименты показывают, что и для инденторов различных конфигураций общая закономер­ность сводится к тому, что не только оптимальное межцентровое — расстояние уменьшается, но и сокращается выигрыш в объеме разрушенной породы за счет взаимодействия соседних лунок. Сила же, необходимая для осуществления скачка разрушения, остается практически неизменной. Только при очень малых межцентровых расстояниях, т. е. когда очередное вдавливание производится по краю предыдущей лунки, наблюдается незна­чительное уменьшение нагрузки, вероятно, за счет уменьшения прочности породы в районе зоны разрушения.

Так, для плоскодонных цилиндрических и призматических инденторов при последовательном их действии оптимальное межцентровое расстояние уменьшается приблизительно с 8г до 6,5г и соответственно с 8b (для зубца 5X1) до 6,5 Ь.

Приведенные выше материалы показывают, что при исполь­зовании методики выбора оптимальных схем разрушения забоя для практического конструирования вооружения долот лабо­раторные испытания для выбранных пород необходимо выпол­нять в условиях, соответствующих фактическому разбуриванию с учетом забойных параметров, способа и режима бурения и принципиальной конструкции долота.

При использовании приведенных выше схем поражения за­

боя для конструирования традиционных шарошечных долот с самоочищающимися венцовыми шарошками могут быть непо­средственно применены лишь некоторые из них. При этом схемы разбиваются на отдельные элементы, последовательно осуществляемые различными шарошками. В силу независи­мости взаимного расположения зубцов разных шарошек трудно в точности воспроизвести заданную картину поражения забоя. Это ставит серьезную конструкторскую задачу о реализации кинематической связи между шарошками. Другая возможность заключается в использовании шарошек несамоочищающегося типа, для которых полного разрушения забоя при соответствую­щей нагрузке можно достичь при одной трети оборота долота. Для этого на каждой шарошке должны присутствовать все элементы используемой схемы. Разумеется, при этом необхо­димо внести поправки на непараллельное расположение зубцов ка соседних образующих конусов.

Однако материалы, приведенные в настоящем разделе, имеют значение не только для разработки принципиально новых схем вооружения. Весьма существенным является сам факт возможности использования эффекта взаимодействия соседних зон разрушения для интенсификации процесса бурения. В пре­дыдущем разделе было показано, что с помощью математиче­ского моделирования можно выбрать оптимальное сочетание шага зубцов на венцах шарошек с нагрузкой на долото. При этом, однако, механическая скорость рассчитывалась без учета фактора взаимодействия соседних лунок. Теперь можно утвер­ждать, что в определенном диапазоне изменения шага на каж­дом венце следует внести поправки на это взаимодействие, что приведет к возникновению локальных максимумов на зависи­мостях механической скорости от шага зубцов. Имеется полная возможность сравнить величину этого максимума с наибольшей скоростью, достигаемой при значительной величине шага, когда эффективное взаимодействие, по-видимому, отсутствует. Иными словами, можно установить для данных условий бурения, какой вариант предпочтительнее: выбрать шаг зубцов, обеспечиваю­щий наибольшую эффективность каждого отдельного удара, или такой, при котором эта эффективность достигается за счет взаимодействия зон разрушения.

Оставить комментарий