Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМА. Механический способ разрушения горных пород при бурении скважин, на нефть и газ в настоящее время является основным, таковым сн останется и в обозримом будущем. Именно по этой причине поиск путей облегчения разрушения горных пород на забое сквгжиы.! является актуарной задачей. Совершенствование механического способа разрушения горних пород при бурении неразрывно связано с развитием представления о природе остаточной деформации под пятном контакта при вдавливании породоразруааюцих элементов сооружения в поверхность забоя, или штампа в образец торіюй породы в лабораторных исследованиях.
С искусственным усилением или ослаблением тех или иных сторон развития остаточной деформации в горной породе иоадо надеяться на увеличение ;-зффоктивностн разрушения пород при бурении. Применение жидкости для этой пели наиболее естественно. Между тем, механизм влияния жидкости на разрушение минералов-диэлектриков и горных пород в настоящее время не выяснен, хотя проблема эта далеко не нова и представляет интерес не только для бурения.
В предложением академиком П. А. Ребнндероп механизме влияния жидкости на прочность снижение последней связывается с уменьпенн-см удельной свободной поверхностней энергии (УСПЭ) Іа разрушаемого тела, при избирательной физической адсорбции молекул япдкости или вецеств, растворенных в ней, на свежей поверхности растущих трещин нормального отрыва.
С разупрочнпющім действием жидкости на горные породы связывались большие надоиды в повышении механической скорости бурения. Основанием для них служило значительное пошгаенне твердости горных пород, наблюдаемое и лабораторных условиях при вдавливании штампа в породу в присутствии воды, водных растворов понизителей твердости. Однако добавление этих ке веществ в буровой раствор на водной основе не вызывало облегчения разрушшя горных пород при бурении сквакин в ожидаемой мере.
В настоящее время в вопросе влияния бурового раствора на разрушение пород на забое пет единого мнения: если одни полагают, что дисперсионная среда раствора не влияет на разрушение породы под зубом долота, то другие рассматривают адсорбционное понижение прочности, в качестве одного из основных резервов повышения механической скорости бурения. Наличие столь полярных мнений отражает
современное состояние понимания природы эффекта Рсбнндсра, вызвано отсутствием адекватной модели. позволяющей прогнозировать влияние жидкости на развитие разрушения.
Представления Рсбнндера о природе влияния жидкости на изменение прочности неорганических диэлектриков и горных пород требуют уточнения. Во-первых, модель Гриффита серна лить для идеально упругого тела, у которого при развитии трещин нормального отрыва отсутствуют механические потери энергии і',,. Разрушение же реальных неорганических диэлектриков сопровождается потерями b',., превосходящими, согласно Г. М. Бартеневу, величину их УСПЭ в 1,5-10 раз, причем природа потерь не выяснена. Эффективная энергия разрушения й'3ф = b'(J + Ї,, является важнейшей физической прочностной характеристикой диэлектрика. Во-вторых, на возникавших при разрушении кристаллических диэлектриков свежих поверхностях вследствие механоэлектрического преобразования энергии появляется избыточный электрический заряд плотностью q0, создающий сильные электрические поля (до 108 В/м) в полости.растущих трещин и вызывающий эмиссию электронов высоких энергий (до lo'J эВ и выше), электромагнитную эмиссию. В-третьих, разрушение горной породы при вдавливании в неб н.ндентора (штамп в лабораторных исследованиях, зубцы долота при бурении) происходит в результате сё сжатия после достижения предельной величины касательных напряжений, вызывающих развитие сдвиговой трещины.
Развитие представлений о механизме разрушения горных пород при внедрении в них штампа, механизме влияния жидкости на разрушение породообразующих минералов-диэлектриков и горных пород является актуальной і! в научном и в прикладном аспектах.
ЦЕЛЬ РЛЬ'ОТЫ заключается в
-
выяснении природы остаточной деформации, возникающей в горной породе лсд вдавливаемым в ней штампом, и развитии методики Л. А.ііірсйнера определения механических свойств горных пород;
-
установлении рагм эффекта "электризация при разрушении" в изменении прочности минералов-диэлектриков и горных пород в присутствии жидкости, уточнении модели эффекта Рсбиндера, устраняющем противоречия между существующими теорией эффекта и экспериментальными данными и позволяющем ставні ь задачу прогноза влияния данной жидкости па разрушение неорганических диэлектриков и горных пород при бурении.
МКТОДЫ НСШЛОПЛііНН. 3 работе использован комплексный метод
исследования, включающий в себя теоретическую часть и экспериментальную, в которой использовались статистические методы обработки результатов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в развитии самостоятельного научного направления, в рамках которого
эффект Робіїндера рассматривается как стремление неравновесной составляющей эффективной энергии разрушения, возникающей вследствие появления избыточных электрических зарядов на свежих поверхностях растущей трещины нормального отрыва, к равновесному состоянию с помощь» жидкости, проникающей в полость растущей трещины нормального отрыва. Время релаксации электрических зарядов в жидкости, находящейся в полости трещины, рассматривается как основной показатель сопротивления диэлектрика разрушению;
установлено, что эффект "электризация при разрушении" свойственен не только кристаллическим неорганическим диэлектрикам, но и аморфному неорганическому стеклу;
осуществлено развитие методики Л. А.Срейнера определения механических свойств горных пород: а) появление остаточной деформации в породе под штампом связывается с развитием катакластичес-кого течения горной породы в ядре сжатия, б) экспериментально показано наличие задержанного разрушения горней породы при действии на неё постоянным контактным давлением, превышающим условный предела текучести породы, п) определены физические свойства жидкости, влияющие на развитие дилатанспенного поведения горной породи под штампом.
0СІІ0ШШЕ ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту, перечислены в пункте автореферата "Научная новизна работы".
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы состоит в
получении новых научных результатов, существенно расширяющих имеющиеся в настоящее время представления о механизме влияния жидкости на разрушение неорганических диэлектриков и горных пород,
использовании результатов исследования в других областях науки и техники,
- в апробации результатов исследования на научно-практических конференциях от регионального до международного уровня;
- использовании научных разработок в учебном процессе.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ обеспечивается использованием стандартных методик при проведении экспериментальных исследований, а также использованием методов математической статистики при обра-
ботке результатов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы докладывались автором на семинаре лаборатории динамики материалов ЛФТИим. А.Ф. Иоффе (г. Ленинград. 1378, 1981), коллоквиуме отдела поверхностных явлений ШХ АН СССР (г.Москва, 1979), семинаре <Щ; АН УССР (г.Львов, 1979 г.), семинаре кафедры коллоидной химии .МГУ (г. Москва, 1979), семинаре ИХТТиМС АН СССР (г.Новосибирск, 1937), семинаре кафедры технологии и техники бурения скважин Санкт-Петербургского горного института (1992), семинаре кафедры бурения нефтяных и газовых скважин УГНТУ (г.Уфа, 1991.1997), семинаре кафедры бурения нефтяных и газовых скважин Тюменского нефтегазового университета (19Э7), на Всесоюзне;': конференцій! "Тсрномоханическно методы разрушения горных пород" (г. Днепропетровск, 1976), Всесоюзной конференции "Физика диэлектриков и. новые области их применения" (г. Караганда, 1978), Всесоюзных симпозиумах по мохонохимии и механозмнесин твердых тел (г. Ташкент, 1979. г. Таллинн, 1931), II Республиканской конференции "Физико-химическая механика дисперсных систем и материалов" (г.Одесса. 1933), Всесоюзной научно-технической конференции "Разрушение горных пород при бурении скважин" (г. Уфа, 1990). на Международных конференциях "Механика горных пород при бурении" (п.Агой. 1991.1992), на 2-м и 3-м Международном симпозиуме "Бурение разведочных сксамш в осложненных условиях" (г. Санкт-Петербург, 1992, 1995), на 8-й Международной конференции по разрушения материалов, (г.Киев, 1993), на Международной конференции по проблемам ударного бурения (г. Чанчунь, 1993), на Международной конференции "Мозсразру;::ом;;о-03" (г.Томск) и 5-й Международной конференции "Автоматизированное проектирование современных материалов и технологий" (г. Байкальск, 1997).
По теме диссертации опубликовано 37 работ.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАПО'Ш. Диссертация состоит из введення, пяти разделов, заключения, списка исполь jyc-мой литературы и приложения. Работа изложена на 323 страницах машинописного текста, включая 35 рисунков, 10 таблиц и 303 ссылок на литературные источники.