Визначення показників механічних властивостей гірських порід методом статичного втискування штампа
Визначення показників механічних властивостей гірських порід методом статичного втискування штампа - раздел Философия, НАФТОГАЗОВА МЕХАНІКА Вперше Метод Втискування Для Оцінки Опору Гірських Порід Руйнуванню При Бурін...
Вперше метод втискування для оцінки опору гірських порід руйнуванню при бурінні запропонував Є.Ф. Епштейн. За цією методикою в зразок породи втискувався різець формою двостороннього клина з кутом при вершині 60 °. Однак, як показала практика, цей метод можна застосовувати лише для сильно пластичних порід. Запропоновані іншими дослідниками методики також не знайшли широкого застосування.
Шрейнер Л.А., аналізуючи методи, запропоновані для вимірювання опору гірських порі втискуванню, і методи визначення твердості втискуванням прийшов до висновку про необхідність принципово змінити спосіб вимірювання.
Суть висновків Шрейнера Л.А. зводиться до наступного. Якщо для визначення твердості пластичних тіл (зокрема металів) задається навантаження, а вимірюється площа або глибина відбитку під індентором, отриманого при втискуванні, то для гірських порід, які в тій чи іншій мірі є крихкими тілами, слід задаватися площею контакту, а вимірювати навантаження на індентор в момент руйнування. Найзручнішою геометричною формою індентора є циліндричний штамп з плоскою основою, оскільки площа контакту залишається постійною за увесь час втискування.
а ) б)
а) – для м’яких і середніх порід;
б) – для твердих порід
Рисунок 10.11 − Циліндричні штампи
Метод втискування штампа дає змогу не тільки визначати твердість гірських порід, але й оцінювати їх пружні і пластичні властивості. Цей метод став загальновизнаним і навіть затверджений стандартом ГОСТ 12288–66. При визначенні механічних властивостей гірських порід використовують циліндричні штампи з плоскою основою (рис. 10.11). При випробовуванні дуже твердих порід доцільно використовувати штампи у вигляді конуса з кутом при вершині до 60°, площею 1 мм2 (рис. 10.11, б), які повністю виготовлені з твердого сплаву.
Для щільних і однорідно пористих порід слід використовувати циліндричні штампи площею 2 мм2 (рис. 10.11, а). Штампи площею 3 – 10 мм2 використовують для сильно пористих і неміцних гірських порід.
Всі гірські породи за характером поведінки при втискуванні штампу поділені на три класи: І –крихкі (рис. 10.12, а), ІІ – пластично-крихкі (рис. 10.12, б), ІІІ – сильно пластичні і дуже пористі (рис. 10.12, в).
Визначати показники механічних властивостей порід методом втискування штампа можна на гідравлічних пресах з граничним навантаженням не менше 10000 Н, або на спеціальних установках УМГП-3 і УМГП-4. Випробування проводяться при дуже малій швидкості навантаження штампа, через що в літературі широко використовується друга назва методу – метод статичного втискування штампа. Штамп втискується в зразок породи до того моменту, поки при деякому граничному навантаженні не станеться крихкого руйнування породи або не буде вичерпана глибина занурення штампа.
За отриманими даними будують графіки деформацій в координатах: по осі ординат – навантаження Р в Н, по осі абсцис – деформація e в мкм.
Користуючись кривою, отриманою при випробовуванні породи, визначають її механічні властивості.
Твердість. Твердість за штампом ршт визначається як відношення навантаження в момент руйнування Ррдо контактної площі штампу fшт (рис.10.13):
(10.17)
деdшт – діаметр штампа, м.
Для порід ІІІ класу твердість за штампом не визначають, оскільки при втискуванні індентора в породи цього класу немає крихкого руйнування.
Межа пружності. Межа пружності р0 визначається як відношення навантаження Ров точці переходу від чисто пружних деформацій до змішаних(точка А) до контактної площі штампу ¦шт
(10.18)
Для порід І класу межу пружності не визначають, оскільки її значення дорівнює твердості за штампом.
Для порід ІІІ класу межа пружності є показником, за яким оцінюють твердість гірської породи.
Коефіцієнт пластичності. Коефіцієнт пластичності kпл визначається співвідношенням загальної роботи, затраченої на руйнування Азаг до енергії пружних деформацій Апр. Оскільки площа під кривою «навантаження-деформація» пропорційна енергії, то коефіцієнт пластичності визначається співвідношенням площ SOABCO і SOMGO (рис. 10.13) .
(10.19)
Модуль Юнга. Модуль Юнга можна розрахувати за формулою
, (10.20)
де Р¢’ – довільно вибране навантаження, Н;
e¢пр – пружна деформація, яка відповідає навантаженню Р¢, м.
Оскільки відношення Р/eпр є тангенсом кута нахилу прямолінійної ділянки кривої до осі деформацій, можна брати будь-які співвідношення Р і eпр. При цьому тільки слід дотримуватися їх відповідності. Наприклад, на графіку (рис. 10.13) можна взяти навантаження Ро(ордината АD) і деформацію ОD, навантаження Рр (ордината MGабо ВС) і деформацію OG (деформація ОС– це загальна деформація; пружна OGі залишкова GC).
Об’ємна енергоємність руйнування. Об’ємна енергоємність руйнування Аvє питомою витратою енергії на одиницю об’єму зруйнованої породи і визначається як відношення загальної роботи Азагдо об’єму лунки Vл
, (10.21)
де Vл – об’єм лунки руйнування.
Визначення об’єму зруйнованої під індентором породи утруднене, оскільки зробити це розрахунковим шляхом неможливо – розміри лунки залежать не лише від механічних властивостей, але і від структурних особливостей порід.
Об’єм лунки можна визначити так: заповнити її пластиліном або парафіном, потім вийняти матеріал зліпка і зважити його. Об’єм лунки рівний:
, (10.22)
де Q – маса матеріалу зліпка лунки;
r – густина матеріалу зліпка лунки.
Для порід ІІІ класу загальна робота до руйнування розраховується умовно. В цьому випадку графік навантаження – переміщення продовжують до глибини втискування, яка дорівнює діаметру штампа. Таке припущення прийнято за результатами вивчення глибини руйнування найбільш пластичних порід.
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
Фізичні явища при руйнуванні гірських порід
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 розтяг
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
а ) б)
а) – для м’яких і середніх порід;
б) – для твердих порід
Рисунок 10.11 − Циліндричні штампи
дуже пористі (рис. 10.12, в).
(10.17)
(10.18)
(10.19)
, (10.20)
, (10.21)
, (10.22)
Новости и инфо для студентов