Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Забой бурящейся скважины представляет собой неровную поверхность, образованную совокупностью лунок разрушения от действия отдельных зубцов, частично соединенных между собой. Каждое новое взаимодействие зубца с породой происхо­дит путем контакта с этой неровной поверхностью. Кроме того, механические свойства поверхностного слоя несколько отли­чаются от свойств непредразрушенной породы за счет наличия необратимых деформаций, изменения структуры материала и некоторого количества раздробленной породы, постоянно при­сутствующей на забое.

При подготовке образцов горных пород для механических испытаний, и в первую очередь для получения динамических характеристик, удобно использовать специально подготовлен­ную плоскую поверхность керна. Это дает также гарантию определенной стабильности при проведении экспериментов. Для того чтобы оценить, в какой степени несоответствие поверхно­стей при эксперименте и при бурении влияет количественно и качественно на получаемые характеристики горных пород, не­обходимо проводить специальные исследования. Дело в том, что в принципе возможно подготовить для экспериментов об­разцы с поверхностью, предразрушенной различными способа­ми, но следует точно знать, в каких случаях этой действительно необходимо.

Методика сравнительной оценки показателей процесса раз­рушения при различных видах состояния поверхности образцов заключается в проведении дисперсионного анализа эксперимен­тально определенных максимальной силы сопротивления поро­ды и работы разрушения при заданной глубине внедрения ин — денторов. С учетом возможности взаимодействия влияющих факторов при исследовании образцов с различным состоянием поверхности варьировались также гидростатическое давление на образец и параметры контактирующей жидкости. Эти по­следние, вообще говоря, не оказывают никакого влияния на показатели разрушения образцов слабопроницаемых пород, таких, как известняк или мрамор. Однако при наличии трещи­новатости предразрушения параметры глинистого раствора мо­гут повлиять на характер изменения механических характе­ристик.

При проведении сравнительных экспериментов предразруше — ние поверхности образцов достигалось двумя способами: полу­чением керна непосредственно из забоя скважины, образован­ной долотом в блоке породы больших размеров, и путем вдав­ливания в гладкую поверхность керна группы цилиндрических ннденторов, расположенных таким образом, что они образовали общее разрушение участка рабочей поверхности.

В составленной матрице проведения экспериментов были приняты следующие обозначения:

А — образец с непредразрушенной поверхностью;

А2 — образец с поверхностью, предразрушенной группой ци­линдрических инденторов;

А3 — образец с поверхностью, предразрушенной буровым до­лотом;

В1 — глинистый раствор с водоотдачей 5 см3/30 мин и содер­жанием твердой фазы 25%;

В2— глинистый раствор с водоотдачей 20 см3/30 мин и со­держанием твердой фазы 5%;

Ci — гидростатическое давление 50 кгс/см2;

С2 — гидростатическое давление 500 кгс/см2.

Эксперименты проводились на установке КУМ-15 при фик­сированной глубине внедрения эталонным зубцом с площадкой притупления 5X1 мм. При обработке опытных данных был ис­пользован метод дисперсионного анализа для оценки изолиро­ванного и совокупного действия факторов [32]. При каждой по­стоянной совокупности влияющих факторов эксперимент повто­рялся 4 раза. Результаты измерений максимальной силы сопро­тивления породы при внедрении и работы разрушения пред­ставлены в табл. 3 и 4.

Таблица 3 Максимальная сила сопротивления породы (в кгс) Факторы В! В2 С2 С! С2 900 1120 890 1000 А 1000 1040 910 1020 Л1 1000 1040 920 930 960 1060 860 1040 920 1060 820 1020 Л 860 1060 930 1010 2 900 1040 940 920 930 1040 980 980 830 1030 820 1120 Л 1000 1100 780 1110 •™з 1000 1100 920 1120 1020 1100 920 1120

В табл. 5 приведены результаты дисперсионного анализа влияния состояния поверхности образца (фактор А), а также — параметров глинистого раствора (фактор В) и гидростатиче­ского давления (фактор С) на максимальную силу сопротив­ления породы и работу разрушения. Знак « + » в таблице озна­чает, что принятой доверительной вероятностью а удалось уста­новить значимое влияние фактора или совокупности факторов на результативный признак, знак «—» означает, что такого- влияния установить не удалось.

Изучение результатов экспериментов и математико-стати­стического анализа позволяет заключить следующее:

Таблица 4 Работа разрушения до заданной глубины внедрения (в кгс ■ см) Факторы в, в2 с, С2 С, С, 94,4 141,0 94,4 127,7 л 115,4 113,2 108,8 112,1 Л1 124,3 118,8 117,7 111,0 112,1 127,6 107,7 115,4 91,0 118,8 93,2 114,3 л 85,5 126,5 86,6 117,7 2 111,0 113,2 88,8 91,0 88,8 117,7 111,0 107,7 102,1 124,3 75,5 128,8 А 118,8 129,9 72,2 141,0 ^3 126,5 143,2 87,7 149,9 121,0 143,2 103,2 145,4

Таблица 5 Изолированное и сов­ Максимальная сила сопротив­ления породы Работа разрушения местное влияние факторов ос=0,95 а.= 0,99 а—0,999 ос—0,95 а—0,99 а=0 ,999 А _ _ _ _ _ В — — — — — — С 1 ~г + 4- ~г- + __ АВ — — — — — — АС + + — — __ — ВС + — 4- — — ABC + + "Г

— с доверительной вероятностью а = 0,95 не удалось устано­

вить значимого влияния состояния поверхности образца на максимальную силу сопротивления породы и работу разру­шения;

— с доверительной вероятностью а = 0,99 удалось устано­вить, что гидростатическое давление значимо влияет на силу сопротивления породы и работу разрушения при различных со­стояниях поверхности образца;

— с доверительной вероятностью а = 0,95 не удалось обнару­жить влияния параметров глинистого раствора, так что трещи­новатость предразрушения играет несущественную роль в слу­чае непроницаемых пород;

— совместное влияние всестороннего давления с состоянием поверхности и параметрами раствора (попарно и общее) на максимальную силу сопротивления и работу разрушения оказа­лось значимым с доверительной вероятностью 0,95; это означа­ет, что хотя само по себе состояние поверхности и параметров раствора не влияет на силу сопротивления и работу разрушения породы, но от них может зависеть степень влияния давления, иными словами, результаты изменения давления от нижнего к верхнему уровню при различных значениях параметров А и С могут оказаться статистически различными.

Проведенный дисперсионный анализ дает возможность пола­гать, что в рассмотренном диапазоне варьирования факторов характеристика горной породы P(z) практически слабо зависит от состояния поверхности образца и поэтому может быть с удовлетворительной для цели моделирования достоверностью получена на керне с плоской гладкой поверхностью.

Этот вывод может быть распространен на группу слабопро­ницаемых карбонатных пород средней твердости. Методика ис­следований вполне применима также и для других групп гор­ных пород, встречающихся при бурении.

Механические характеристики горных пород зависят не только от состояния поверхности образца, но и от краевых ус­ловий, определяющих взаимодействие зубца породоразрушаю­щего инструмента с забоем. Периферийное вооружение долота обрабатывает кольцевую поверхность забоя скважины, непо­средственно соприкасающуюся с ее стенкой. Это обстоятельство может в принципе повлиять на показатели процесса разруше­ния каждого отдельного акта взаимодействия зубца с породой. Кроме того, в связи с особыми требованиями формирования стенки скважины периферийные зубцы часто имеют геометриче­скую форму, отличную от других зубцов шарошек. Это отличие чаще всего заключается во внедрении элементов, ориентиро­ванных длинной стороной параллельно стенки скважины. На­личие подобных элементов имеет серьезное физическое обосно­вание.

Механизм разрушения хрупких горных пород сводится к об­разованию и последующему разрушению «конуса» под контакт­ной площадкой, приводящему к вылому окружающей его «кон­соли». «Конус» разрушается в результате развития субверти — кальных трещин, которые при осесимметричном пуансоне хао­тически ориентированы относительно оси симметрии.

Однако при внедрении в поверхность разрушаемого мате­риала инденторов, обладающих не осевой, а плоскостной сим­метрией, во внутреннем конусе (эллиптическом) образуется вер­тикальная трещина, близкая к плоскости симметрии сильно вытянутой прямоугольной контактной площадки [4]. Чаще всего она проходит через ее противоположные углы. Эта трещина ограничена образующей внутреннего конуса и делит его попо­лам. Консоль при этом может остаться неразрушенной.

То же явление наблюдается при эллиптической контактной площадке, образуемой диском со скругленным ободом. В этом, случае трещина совпадает с большой осью эллипса.

Если инструмент внедряется в породу вблизи стенки скважи­ны, то развитие механизма разрушения имеет некоторые осо­бенности. При осесимметричном инденторе коническая трещина развивается преимущественно в направлении стенки. Это объ­ясняется тем, что вблизи стенки растягивающие деформации поверхности породы ограничены и поэтому разрыв наступает — при меньшей осевой нагрузке на индентор.

Аналогичная картина наблюдается при внедрении около — стенки инденторов, не обладающих осевой симметрией. В этих случаях образуется эллиптическая коническая трещина, кото­рая развивается преимущественно «под стенку». При этом трещина, делящая эллиптический конус пополам, направлена — либо перпендикулярно, либо параллельно стенке в зависимости от расположения контактной площадки.

Весьма важным является тот факт, что при вдавливании инструмента с контактной площадкой, параллельной стенке* вертикальная трещина не проходит через центр площадки, а развивается непосредственно от угла стенки, как бы отрезая от нее поверхность забоя. При вдавливании Т-образного зубца вертикальные трещины внутри материала также образуют бук­ву Т.

При разрушении упругопластических горных пород кониче­ские трещины не образуются, но от границ ядра предразруше­ния развивается система трещиноватости, к которой относятся некоторые выводы, сделанные выше, в частности, как и в хруп­ких породах, возникает вертикальная трещина, отрезающая забой от стенки, если площадка контакта параллельна стенке скважины.

Из всего изложенного ясно, что введение в систему воору­жения шарошек элементов, параллельных стенке скважины в непосредственной близости от нее, не только облегчает весь процесс формирования и продвижения забоя, но и значительно- увеличивает сохранность периферийных зубцов.

Заметим, что для моделирования работы периферийных зубцов шарошек в случае их особой формы следует получать для них соответствующие динамические характеристики с по­мощью дополнительных экспериментов по обычной методике*

В целом ряде случаев, однако, вооружение периферийных венцов принципиально не отличается от общего типа вооруже­ния долота, как, например, для большинства штыревых долот. Для таких конструкций важно оценить, имеется ли значимое отличие в показателях процесса разрушения при внедрении однотипных зубцов в центральной части забоя и у стенки сква­жины. Вопрос этот был изучен различными методами. Прежде всего была сделана попытка выявить разницу в напряженном состоянии породы в обоих этих вариантах. Работа была выпол­нена путем решения объемных задач методом фотоупругости с помощью «замораживания» и последующего исследования мо­дели забоев из оптически чувствительного материала — эпокси- мала. Сравнительное изучение соответствующих тензорных по­лей напряжений показало, что они весьма мало различаются при ровной поверхности и у стенки скважины, как для плоских, так и для скругленных инденторов. Это дает основание пола — тать, что начальные стадии процесса разрушения в обоих рас­сматриваемых случаях сходны между собой и основное разли­чие проявляется при объемном выколе породы. Для получения соответствующих количественных оценок был проведен ряд спе­циальных экспериментов, при проведении которых ставилась задача изучить влияние стенки скважины на показатели раз­рушения для зубцов с разными площадками притупления и при различных вариантах моделирования стенки скважины.

Рассмотрим три таких варианта.

1. Изготовление искусственной скважины в цилиндрическом •образце породы, причем диаметр ее в связи с ограниченностью размеров керна не может превышать 40 мм.

2. Изготовление забоя или части его натуральной величины; первый вариант возможен при работе на блоках значительных размеров, а второй — при исследовании кернового материала; в обоих случаях зубец внедряется у криволинейной стенки с радиусом, равным радиусу скважины.

3. Изготовление на образце породы плоского уступа.

Каждый из этих методов моделирования стенки имеет своп

достоинства и недостатки. Поэтому необходимо сравнить их с точки зрения показателей процесса разрушения.

Естественно, что на тех же образцах проводились экспери­менты по разрушению ровной поверхности породы.

Количество экспериментов в каждом варианте было принято равным пяти. Сравнение производилось по показателям перво­го скачка разрушения. В качестве показателей эффективности разрушения были взяты усилие первого скачка разрушения Р, глубина лунки 2:тах, объем разрушенной породы V.

В составленной матрице проведения экспериментов были приняты следующие обозначения исследуемых факторов при разных уровнях их варьирования:

А1 — ровная поверхность породы;

Л2— радиус скважины 20 мм;

Л3— радиус скважины 95 мм;

Л4 — плоский уступ;

В1 — длина площадки притупления 5 мм;

В2 — длина площадки притупления 10 мм;

В3 — длина площадки притупления 20 мм.

В качестве примера в табл. 6 представлены результаты экс-

Таблица 6

Максимальная сила сопротивления породы (в кгс) Si В2 в3 Фак­ торы Ci С 2 с3 С, с2 С х С3 С3 630 1150 2180 1450 2250 3850 2560 4800 8950 д 573 1300 2180 1250 2250 4000 2560 5500 11200 А1 704 1300 2010 1150 2850 4250 2880 6900 7000 652 1500 2100 1480 2500 4300 2750 5000 7750 780 1300 2100 1280 2200 4700 2500 4500 8800 736 1300 2660 1400 2400 4700 2720 3750 10230 А 847 1500 2200 1250 2000 4860 2650 4200 10230 А2 705 1100 2600 1100 2400 4550 3000 5300 10000 780 1300 2400 1280 2550 4880 4300 5120 8700 780 1350 2100 1750 2200 4700 2550 4150 9400 682 1188 2250 1460 2100 4180 3000 5190 8350 Д 682 1612 2950 1410 2320 4180 2910 4550 8350 Аз 710 1140 2080 1410 2185 4680 3280 5570 9750 868 1280 2080 1420 2300 4750 2440 6640 8400 770 1370 2370 1900 2300 4750 2600 4980 9175 600 1480 2100 1300 2750 4700 д 750 1400 2200 1150 2300 4450 —. — — а4 850 1300 2100 1150 2500 4150 — — — 780 1200 2200 1150 2500 4700 —. —. — 750 1460 2650 1250 2500 4400 — — —

периментов по показателю максимальной силы сопротивления породы. Здесь же приведены абсолютные значения силы сопро­тивления породы разрушению. Для сравнительного анализа влияния формы стенки при инденторах разных конфигураций удобнее пользоваться величинами соответствующих удельных нагрузок.

Аналогичные таблицы получены также для показателей глубины и объема лунок разрушения.

Проведенный дисперсионный анализ сравнительного влияния действующих факторов позволил заключить следующее:

— с доверительной вероятностью 0,95 не установлено суще­ственного различия в показателях удельной разрушающей на­грузки при разных радиусах стенки скважины, а также между случаями наличия и отсутствия стенки.

Этот вывод справедлив во всем диапазоне варьирования факторов В и С, т. е. длины и ширины контактных площадок;

— с доверительной вероятностью 0,95 не установлено суще­ственного влияния формы стенки, а также наличия стенки по ■сравнению с ее отсутствием на глубину лунки разрушения;

— с доверительной вероятностью 0,95 не установлено суще­ственного влияния формы стенки на объем лунки разрушения.

Результаты дисперсионного анализа показывают, что при получении экспериментальных характеристик горных пород P(z) нет надобности изготовлять образцы со стенкой или усту­пом. Они могут быть получены с достаточной точностью на кер­нах с плоской поверхностью. Однако при определении зависи­мости объема разрушенной породы от глубины лунки для пери­ферийных зубцов требуются испытания на образцах с уступом, ■форма которого существенного значения не имеет.

Комментарии запрещены.