Параметры физико-механических свойств и буримости туфо-дацита

под различными углами к плоскостям флюидальности

Угол встречи индентора и слойков породы γ, град.	Твердость горной породы РШ, МПа	Модуль упругости горной породы Е, МПа	Коэффициент пластичности горной породы КПЛ	Удельная контактная работа разрушения Аs, Дж/мм^2	Механическая скорость бурения υб, м/ч при Рос , кН и частоте вращения ω, мин^-1
					1,05 кН; 500 мин^-1	1,35 кН; 710 мин^-1
0	1854	10143	4,2	1,473	-	-
12	1747	9528	3,91	1,303	8,3	15,23
27	1568	7948	3,9	1,254	10,1	19,0
45	1440	7000	3,42	1,058	-	-
72	1162	6285	3,2	0,716	12,6	26,0
90	1123	5836	3,1	0,69	-	-

Как следует из полученных данных, наибольшие твердость, упругость, коэффициент пластичности, удельная контактная работа разрушения получены при испытании горной породы вдоль слоев флюидальности, а наименьшие перпендикулярно им. Соответственно и буримость горной породы оказалась различной: наибольшие значения механической скорости получены при угле встречи γ = 72^º (максимальный по условиям эксперимента угол встречи), а минимальные при угле встречи 12^º.

Таким образом, интенсивность процессов разрушения горных пород задается часто не только параметрами режима бурения – прилагаемыми усилиями, контактными давлениями, формой и размерами породоразрушающих элементов, но и направлением приложения разрушающих усилий относительно расположения структурных и текстурных элементов горной породы.

3.2. Изнашивание буровых инструментов и абразивность горных пород

3.2.1. Теоретические основы процесса изнашивания бурового инструмента

В процессе работы буровой инструмент изнашивается. При определенной степени износа инструмент становится непригоден для эксплуатации и требует восстановления или замены.

При изнашивании происходит постепенное изменение формы и размеров породоразрушающих элементов инструмента. Наиболее интенсивно изнашиваются те места на поверхности инструмента или резцов, которые при работе испытывают максимальные напряжения – режущие кромки резцов, участки торцов с резким изменением линий формы.

Изнашивание – явление, при котором с поверхности твердого тела в процессе его взаимодействия с абразивной средой отделяются частицы материала, и происходит изменение геометрической формы и массы тела.

Результат изнашивания – изменение геометрических параметров твердого тела, измеренный как потеря массы тела, называют износом.

К основным видам изнашивания при трении относятся [30]:

- изнашивание схватыванием при малых скоростях перемещения трущихся поверхностей, при котором образуются задиры поверхностей;

- окислительное изнашивание, обусловленное разрушением окислительных пленок и их новым непрерывным восстановлением;

- тепловое изнашивание, характерное для высоких скоростей перемещения трущихся поверхностей и высоких давлений в зоне контакта;

- осповидное изнашивание, обусловленное усталостными процессами в металле при трении качения;

- абразивное изнашивание, обусловленное наличием абразивной среды в зоне трения и характеризующееся пластическим деформированием, царапанием, микрорезанием поверхности металлов и сплавов.

Поверхность металла более интенсивно изнашивается при нагревании в условиях термического разупрочнения.

Все виды изнашивания наблюдаются при бурении, но при разрушении горных пород наиболее часто и полно проявляется абразивное механическое изнашивание. При абразивном механическом изнашивании большое значение имеет абразивность горных пород.

Величина абразивного износа определяется по зависимости:

(3. 10)

где W – износ, кг;

A_т – работа сил трения, Дж.

Работа сил трения определяется зависимостью:

, (3.11)

где μ_т – коэффициент трения;

P – нагрузка на инструмент в направлении контакта взаимодействующих тел, Н;

L_т – путь трения, м.

Коэффициент трения обычно представляют в виде двух составляющих:

, (3.12)

где f_a – молекулярная составляющая силы трения, характеризующая долю затрат работы на формирование и разрушение молекулярных связей, образующихся в точках контакта скользящих поверхностей;

f_m – механическая составляющая сил трения, характеризующая долю затрат работы на разрушение внутренних связей разрушаемого материала.

Молекулярная составляющая трения при пластическом контакте f_a определяется зависимостью [3]:

(3.13)

где τ – сдвиговое сопротивление молекулярной связи, Па;

σ_т – предел текучести материала, Па;

k – коэффициент, учитывающий форму индентора;

β – коэффициент молекулярной составляющей.

Механическую составляющую силы трения f_m можно представить выражением:

(3. 14)

где r_к – радиус кривизны поверхности, м.

Таким образом, общий коэффициент трения определяется зависимостью:

(3.15)

А нализ формулы (3.15) показывает, что молекулярная составляющая не зависит от действующей нагрузки и определяется прочностью материала. Используя при анализе формулу (2.44), можно отметить, что прочность изнашиваемого материала (бурового инструмента и его элементов) снижается при росте его температуры и коэффициенте теплового расширения, а также при наличии значительных дефектов материала.

Механическая составляющая коэффициента трения зависит от нагрузки, кривизны поверхности изнашиваемого тела и также от его прочности, которая будет ниже в условиях нагрева силами трения.

Работа сил трения, например, для коронки с наружным радиусом R и внутренним радиусом r задается при вращении длиной траекторий перемещения при бурении точек 1 и 2, располагаемых на наружном и внутреннем контурах торца коронки (2πR и 2πr, см. рис. 3.8).

Таким образом, путь пройденные точкой 1, расположенной на наружной кромке торца, за один оборот коронки на забое, будет больше пути, пройденного точкой 2, расположенной на внутренней кромке торца, в R/r раза. Отсюда следует, что износ торца коронки (линия 3 на рис. 3.8, б) может быть более интенсивным на наружной кромке и меньшим в точке, близкой к внутренней кромке торца. В то же время эпюра контактных давлений 4 (рис. 3.8, б) для плоского торца показывает, что внутренняя кромка торца коронки также изнашивается достаточно интенсивно из-за упрочнения породы в углу забоя и концентрации напряжений на кромке.

В работе [3] приведена зависимость, определяющая линейный износ торца коронки:

(3.16)

где ω – частота вращения коронки, мин^-1;

t – время работы коронки, мин.

А нализ зависимости (3.16) показывает, что износ торца коронки возрастает с увеличением осевого усилия Р и частоты вращения коронки ω.

В большей степени изнашиванию подвергается наружная кромка коронки и более удаленные от центра точки торца, а также внутренняя кромка короночного кольца.

С уменьшением толщины короночного кольца её линейный износ возрастает, с увеличением снижается. В то же время, чем тоньше матрица, тем выше износ породы, т.е. выше эффективность бурения.

Эти два противоречивых условия могут быть воплощены в ступенчатом профиле торца короночного кольца (рис. 3.9), который повторяет форму естественного износа.

Ступенчатость торца интенсифицирует процесс разрушения породы за счет увеличения свободной поверхности разрушения (см. рис. 3.6). В то же время такой профиль будет отличаться повышенной износостойкостью.

При анализе изнашивания учитывают также возможные поперечные колебания инструмента, возникающие вследствие его вибрации.