Разрушение горных пород породоразрушающими инструментами

Нагружение породоразрушающего инструмента осевой нагрузкой для создания под его вооружением разрушающих напряжений обеспечивает разрушение породы на некоторую глубину, которую удобно оценивать величиной проходки h_о в зависимости от величины осевой нагрузки G.

Л. А. Шрейнер по зависимости h_о от G выделил три основных вида разрушения породы, которые на рис. 3.23, а обозначены соответственно I, II и III.

Вид I. Интенсивность разрушения горной породы прямо пропорциональна G и весьма мала. Скважина образуется в результате истирания породы. Такой вид разрушения назван поверхностным истиранием.

Вид II. Прямая пропорциональность в зависимости h_о от G нарушается из-за развития усталостных явлений при многократных воздействиях инструмента.

Этот вид разрушения назван усталостным.

Вид III. Осевая нагрузка обеспечивает достижение в породе разрушающих напряжений. Интенсивность разрушения по мере дальнейшего увеличения G быстро растет, а затем темп ее роста замедляется. Такой вид разрушения породы назван объемным.

Рис. 3.23. Зависимости интенсивности разрушения горной породы от осевой нагрузки

Детальное изучение объемного разрушения породы показало, что этот вид можно разделить на ряд областей в соответствии с последовательными скачками разрушения (рис. 3.23, б). Если рассматривать единичные воздействия инструмента на породу, то первыми двумя видами разрушения можно пренебречь из-за их незначительности. При достижении нагрузки первого скачка разрушения начинает формироваться первая область разрушения, а при достижении нагрузки второго скачка – вторая область и т.д. На границе между областями интенсивность разрушения возрастает скачком. Чем выше достижимая область разрушения данным инструментом, тем более высокую механическую скорость она обеспечивает. Этот факт используется при расчете диапазона нагрузки на долото при проектировании режима бурения. Расчеты показывают, что в пределах допустимой осевой нагрузки на долото в твердых и крепких горных породах долота обеспечивают первую и вторую области, в породах средней твердости – вторую и третью области, а в мягких породах – третью и выше области разрушения.

Сопротивление горных пород разрушению растет не только с изменением их твердости, но и с увеличением глубины залегания и давления бурового раствора в скважине. Первое явление связано с ростом величины всестороннего сжатия породы под действием горного давления. Второе явление связано с дифференциальным давлением р_диф, действующим на забой:

р_диф = р_с – р_п, (3.11)

где р_с – давление бурового раствора на забой скважины; р_п – пластовое давление. Характер влияния р_диф на относительную механическую скорость бурения v_мо показан на рис. 3.24.

При бурении в призабойной зоне формируется переходная зона давлений от величины давления в скважине до величины давления в пласте. Если глубина зоны много больше глубины разрушения породы, то имеет место первый случай, т.е. дифференциальное давление мало влияет на механическую скорость. Если глубина зоны меньше глубины разрушения породы, то имеет место второй случай влияния, и, наконец, если глубина разрушения находится в пределах переходной зоны, то влияние приобретает среднее значение (случай 3). Глубина переходной зоны зависит от проницаемости забоя, от фильтруемости бурового раствора и от частоты вращения породоразрушающего инструмента: чем меньше проницаемость забоя и фильтруемость жидкости и чем больше частота вращения инструмента, тем сильнее отрицательное влияние дифференциального давления на показатели работы породоразрушающих инструментов.