Фізичні явища при руйнуванні гірських порід - раздел Философия, НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА Руйнування Твердих Тіл, В Тому Числі І Гірських Порід, Відбувається Або В Рез...
Руйнування твердих тіл, в тому числі і гірських порід, відбувається або в результаті відриву (від нормальних розтягуючи напружень), або сколювання, зсуву, зрізу (від дотичних напружень). При розтягу порода руйнується переважно на відрив, при стискуванні – на сколювання.
Руйнування виникає не одночасно по всій поверхні, як це приймають в теоретичних розрахунках, а поступово, послідовно і починається з того місця, де напруження досягає граничних значень.
При руйнуванні на відрив спостерігаються дві зони поверхні розриву – шорстка і дзеркальна , яким відповідають дві стадії розриву – повільна і швидка. На основі дослідів встановлено, що тріщини ростуть і при навантаженнях, менших за критичні, але не так швидко. Цим і пояснюється наявність повільної стадії розриву. Із збільшенням тріщин зростає швидкість розриву, і в момент, коли перенапруження коло вершини тріщини досягає граничної величини, процес набуває критичного характеру і переходить у швидку стадію, коли розрив відбувається зі швидкістю, близькою до швидкості звуку у матеріалі. .
Послідовність руйнування при сколюванні, зсуві і зрізові, в принципі, така ж, як і при відриві.
При обертовому бурінні енергія на руйнування гірських порід відбирається від інструменту, що обертається, через навантаження долота осьовою силою (притискуванням долота до вибою свердловини). Спостереження показують, що в конкретних умовах буріння момент опору обертанню долота можна приблизно визначати через осьове навантаження, тобто навантаження на долото можна розглядати умовно як параметр реалізованої енергії.
На рис. 10.2 подано типовий графік залежності швидкості руйнування породи від навантаження на долото (при постійній швидкості обертання). Шрейнер Л.А. виділяє три характерні області зміни осьового навантаження, в яких процес руйнування відбувається по-різному.
І область. Швидкість руйнування гірської породи прямо пропорційна навантаженню і досить мала. Ніякого видимого руйнування на поверхні контакту гірської породи з інструментом нема. Утворення виробки в породі відбувається шляхом поступового зняття з поверхні найтонших шарів породи, тобто шляхом стирання за рахунок сил тертя. Такий процес руйнування породи називають поверхневим стиранням. Цей вид руйнування при бурінні найменш вигідний. Механічна швидкість проходки при такому руйнуванні незначна, питома витрата енергії і питоме зношування інструменту найбільші.
ІІ область (перехідна). Пряма пропорційність між швидкістю руйнування гірської породи і навантаженням при пере
ході з першої області в другу порушується. На поверхні контакту гірської породи з інструментом розвивається добре видима тріщинуватість. Це пояснюється втомними явищами при багатократній дії породруйнуючого інструменту на породу. В результаті наряду із зняттям тонких поверхневих шарів стиранням спостерігається викришуванням значних об’ємів з поверхні породи. Такий процес руйнування породи називається втомним. Кількість ударів по одному й тому ж місцю, необхідне для руйнування породи, може бути різною. Із збільшенням сили удару вона зменшується, а при певному значенні контактної сили руйнування наступає після першого ж удару.
Механізм руйнування породи при напруженнях, менших за межу міцності, але коли вони діють циклічно, такий же, що і при тривалих статичних напруженнях. В обох випадках руйнування зумовлене явищем втоми матеріалу (гірської породи). Відомо, що для гірських порід число циклів навантаження при напруженнях, близьких до межі втоми, значно (в мільйони разів) менше, ніж для металів. Для таких порід як мармур, вапняк, доломіт, кварцит число циклів навантаження складає 50¸110, а відношення межі міцності і втоми залежно від пластичності змінюється в межах 1/21 ¸1/29.
Руйнування гірських порід, зумовлене їх втомою, хоча і має об’ємний характер, але так як і поверхневе руйнування, малоефективне, і при бурінні орієнтуватися на такий режим недоцільно.
ІІІ область. Напруження в гірській породі досягло граничного значення. При цьому інтенсивно руйнується порода в області, що прилягає до поверхні контакту породи з породорйнуючим інструментом. Швидкість руйнування з ростом навантаження швидко зростає. Такий процес руйнування гірської породи називається об’ємним. При об’ємному руйнуванні породи можна виділити три основні фази напруженого стану породи під породорйнуючим елементом долота: фазу затухаючих деформацій (ущільнення), фазу розривів і зсувів (граничної рівноваги) і фазу руйнування. Перша фаза характерна тим, що швидкість деформації з часом зменшується, прямуючи до нуля. В скельних породах деформації першої фази є пружними деформаціями, котрі затухають зі швидкістю розповсюдження пружних хвиль. В пластичних глинистих породах перша фаза є фазою ущільнення за рахунок зменшення пористості. Характер руйнування на цій фазі відповідає поверхневому руйнуванню.
Друга фаза характерна тим, що швидкість деформації не затухає, а в момент досягнення певного навантаження набуває постійного значення деформації повзучості. Зовнішнім проявом другої фази деформації є сколювання породи по контуру тиску в крихких породах, за рахунок чого утворюється клиноподібне заглиблення, або пластичні деформації у пластичних породах. В об’ємі породи, що прилягає до штампу і має сферичну форму, порода сприймає значний усесторонній стиск. Стиснутий об’єм завжди має фізико-механічну неоднорідність. Пори і тріщини є імовірними центрами концентрації перенапружень. Від “небезпечного ” дефекту починає розростатися тріщина. По мірі зростання напруження починають рости тріщини і від інших дефектних місць; в породі з’являються поверхні зсувів, при цьому незатухаючі деформації є результатом ряду зсувів, що виникають однин за одним. Тому цю фазу називають фазою розривів і зсувів. Слід відзначити, що одночасно ця фаза є фазою об’ємного руйнування.
Третя фаза – фаза прогресивного зростання деформацій, завершальна фаза об’ємного руйнування. В скельних породах ця фаза триває малі частки секунди. Під індентором формується ядро зім’ятого матеріалу, яке діє подібно до ідеальної рідини, передаючи тиск в сторони поверхні, що обмежує зону руйнування. Під дією цього тиску і відбувається руйнування – розрив по поверхні найменшої міцності.
Університет нафти і газу... І С Васько... НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Фізичні явища при руйнуванні гірських порід
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Загальна систематика гірських порід
Гірські породи в залежності від геологічних процесів, в результаті яких вони утворилися, розділяють на три генетичні групи:
- магматичні або вивержені;
- осадові;
Петрографічні особливості будови гірських порід
Властивості порід залежать в першу чергу від їх складу. Раніше відзначалося, що гірські породи складаються з мінералів. Відомо близько 3000 різних мінералів. Однак до складу гірських порід входить
Неоднорідність гірських порід
Анізотропними називають тіла, в яких показники властивостей однакові в паралельних і неоднакові в непаралельних напрямах.
Тіла, що мають однакові показники в
Загальна характеристика пластових флюїдів
До пластових флюїдів відносяться нафта, природний газ та пластова вода.
Нафта − це суміш різних вуглеводневих та не вуглеводневих (гетероатомних) сполук.
Середовищі
Нафта і газ, а також пластові води вміщуються в пустотах і порах так званих порід-колекторів. Приблизно 60% світових запасів вуглеводнів вміщуються у відкладах піщано-алевролітових порід, які назив
Напруження і деформації суцільних середовищ
Суцільне середовище – це гіпотетичне середовище, яке може під дією навантажень як завгодно змінювати свою форму (деформуватись), не втрачаючи при цьому суцільно
Деформації суцільного середовища
Нехай в процесі деформації середовища його точки одержали переміщення u з компонентами ux, uy, uz
Рівняння неперервності
Це рівняння зв’язує густину з характеристиками руху суцільного середовища, що встановлюється на основі закону збереження маси (повна зміна маси у замкненому об’ємі дорівнює нулю)
Рівняння реології
Рівняння реології визначають зв’язок між компонентами тензора напружень та тензорів деформацій і швидкостей деформацій. Рівняння реології отримують, як правило, на основі дослідних даних. Параметри
Рівняння стану
Рух суцільного середовища призводить до зміни параметрів стану ( тиску р і температури Т), що впливає на його фізичні властивості (густину, реологічн
Суцільних середовищ
Включає вибір системи рівнянь та підготовку додаткових умов, яким має задовольняти розв’язок задачі на границях області її визначення. Додаткові умови, які поділяють на початкові
Рівняння теорії пружності
Для незмінних властивостей тіла рівняння теорії пружності включають рівняння руху (5.16), Коші (5.6) та узагальнений закон Гука (5.21). Для квазіпластичних процесів (
Рівняння теорії пластичності
Для незмінних властивостей тіла рівняння теорії пластичності базуються на рівняннях рівноваги (5.33), Коші (5.6) і умови пластичності (рівняння реології).
Для загального випадку навантажен
Теорії міцності
Теорії міцності обґрунтовують можливість використання результатів модельних випробувань матеріалів на міцність при простих видах навантажень у розрахунках на міцність при складному
Основні поняття теорії фільтрації
При бурінні відбувається масообмін між свердловиною і розкритими пластами, кий визначається фільтраційними, дифузійними, осмотичними та іншими процесами. Фільтрація належить до найбільш вагомих про
A – емпіричний коефіцієнт (для пісківa=0,015 –0,018 ).
Закон Дарсі узагальнюють також на випадок багатофазової течії у пористому середовищі. Для цього розповсюджують поняття швидкості фільтрації на окрему фазу vi , як
Гірських порід
Кількість фізичних властивостей гірських порід, що проявляються у взаємодії з іншими об’єктами і явищами матеріального світу, може бути як завгодно великою. Однак, для практики гірничої справи важл
Міцнісні властивості
Міцність – це здатність порід чинити опір руйнуванню під дією прикладених механічних напружень.
Вона характеризується межею міцності при стиску і розтягу, зчепл
В УМОВАХ ПРИРОДНОГО ЗАЛЯГАННЯ
Напружений стан гірських порід в земній корі зумовлений тиском розташованих вище порід і тектонічними процесами.
Розглянемо випадок, коли напружений стан масиву порід зумовлений лише граві
Механізм проявлення гірського тиску
Розкриття масиву гірських порід свердловиною суттєво змінює їх напружений стан, оскільки тиск у свердловині, як правило, менший за боковий тиск порід. Стінки свердловини тривал
Термічні напруження в гірських породах
В загальному випадку температура промивальної рідини, що заповнює свердловину, відрізняється від температури гірських порід, розкритих нею. Охолодження чи нагрівання стінок свердловини спричиняють
Гідродинамічні коливання тиску
Гідродинамічні коливання тиску у свердловині також є причиною зміни напруженого стану гірських порід в приствольній зоні. Тиск у свердловині стає більшим за гідростатичний при роботі бурових насосі
Умови стійкості стінок свердловини
Втрата стійкості і руйнування гірських порід, з яких складені стінки свердловини, є небажаним ускладненням при бурінні. Це може статися у випадку, коли напруження в породі досягнуть граничного стан
Порід на стінках свердловини
Гірські породи в умовах природного залягання, а також при розкритті їх свердловиною взаємодіють головним чином з рідким середовищем.
Механізм дії рідкого середовища на тверді тіла вивчався
Прояв в’язкісних властивостей гірських порід
В’язкісні (реологічні) властивості гірських порід проявляються на великих глибинах. Особливо відчутно їх прояв у глинистих, галоїдних і сірчанокислих породах.
В загальному випадку деформац
Продуктів руйнування
Точка А перетину кривих на рис. 9.1 відповідає розміру частин 0,5 ÷1,0 мм.
В зв’язку з цим Шрейнер Л.А. показав, що у випадку використання закону подіб
Долота з породою
За принципом взаємодії з гірською породою усі механічні породоруйнуючі інструменти для буріння свердловин можна розділити на три класи: ріжуче-сколююючі, дроблячі і дробляче-сколююч
Напружений стани гірських порід при втискуванні
Розглянуті вище схеми взаємодії елементів озброєння доліт з породою показали, що руйнування породи відбувається послідовним деформуванням окремих ділянок поверхні вибою при одночасній дії нормальни
Втискування сферичного індентора
Деформування порід при втискуванні жорсткого сферичного індентора і плоского циліндричного штампа багато в чому схожі, хоча є і суттєві відмінності.
Втискування інденторів різної форми
Фрезовані зубці шарошкових доліт мають практично плоску прямокутну поверхню контакту. Через складність розв’язку задачі про розподіл тиску під прямокутним штампом, отримано розв’язок для нескінчено
Втискуванні інденторів
Розгляньмо, як руйнується гірська порода при втискуванні різних інденторів.
Як встановлено у 10.4, в процесі втискування плоского індентора в породу граничний стан може бути досягну
Напружень в гірських породах
Із схем взаємодії елементів озброєння з гірською породою (див. розділ 8.1) видно, одночасно з нормальним навантаженням діє і значне дотичне навантаження. Розглянемо, як впливає дотичне навантаження
Класифікація гірських порід
За результатами експериментального дослідження властивостей гірських порід при втискуванні штампа у значну кількість зразків гірських порід було створено кілька класифікаційних шкал
Деформування і руйнування гірських порід
При бурінні свердловин мають місце виключно динамічні процеси. Якщо для опису статичних процесів достатня система рівнянь рівноваги сил і моментів, то для динамічних процесів додатк
Динамічному втискуванні
Величина кінетичної енергії удару для ударника, що вільно падає, дорівнює його потенціальній енергії в крайньому верхньому положенні
Та абразивність гірських порід
Деталі бурових машин і механізмів, буровий і породоруйнівний інструмент в процесі роботи зношується, через що змінюються їх розміри і форма. По досягненню граничної величини зношування ці деталі та
Гірських порід
Абразивність гірської породи, як і будь-який інший показник механічних властивостей, відображає її прояв у конкретних умовах роботи. Зміна цих умов може стати причиною такої суттєвої зміни процесу
При взаємодії з гірською породою
При вивченні абразивного зношування потрібно використовувати моделі процесів і визначати показники абразивності як характеристики цих моделей. Однак, сучасний стан вивченості цього питання не дозво
БУРИМІСТЬ ГІРСЬКИХ ПОРІД
Буримість гірських порід – це їх здатність руйнуватися у вибійних умовах.
Буримість визначається сукупністю геологічних і техніко-технологічних факт
ПЕРЕЛІК РЕКОМЕНДОВАНИХ ДЖЕРЕЛ
1 Спивак А. И. Разрушение горных пород при бурении скважин / А. И. Спивак, А. Н. Попов. - М.: Недра, 1979. − 238 с.
2 Спивак А.И. Механика горных пород / А. И. Спивак. - М.: Недра, 1
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов