Особенности разрушения горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин»

Контрольная работа по дисциплине: «Разрушение горных пород»

Уфа 2016



Задание

1) определение статических характеристик показателей механических свойств горных пород;

2) оценка однородности горных пород заданного интервала бурения;

3) выбор шарошечных долот;

4) расчет области разрушения горных пород и осевых нагрузок на долота;

5) расчет долговечности стального фрезерованного вооружения долота при абразивном изнашивании и уточнение класса основного долота;

6) выбор диаметра насадок для гидромониторного долота;

7) обобщение результатов расчета для заданного интервала бурения.

Исходные данные:

4100-4600 м интервал бурения;

n_д =120 об/мин частота вращения долота;

D = 215,9 мм диаметр долота;

Известняки литология интервала;

±?p =1,2 МПа ожидаемые колебания давления в скважине;

p' = 1,0 относительное пластовое давление;



1. Проверка крайних значений вариационных рядов на малую вероятность и однородности интервала бурения

1.1 Определение относительного размаха варьирования

R_o = ,

;

;

Выбираем максимальный размах, т.к. он лучше характеризует однородность горных пород, т.е. выбираем ряд p₀.

1.2 Распределение показателя p₀ по глубине

1.3 Оценка однородности интервала бурения

1-й ряд (6 значений исходя из графика)

Производим ранжирование

x₁ ? x₂ ? x₃ ? x_n-2 ? x_n-1 ? x_n

2260 2320 2320 2360 2380 2420

Таблица 1 - Расчет параметров распределения крайних значений 1-го ряда

Провер. значение	Расчет	Провер. значение	Расчет	Критерий Ккр
xn, xn-1		x1, x2		К3
xn		x1		К2
xn		x1		К1

Значения критерия К_кр берем из методички К₁=0,56, К₂=0,689, К₃=0,736. Сравниваем получившиеся значения К_в и К_н с критериями К_кр и исключаем из ряда значения, если они удовлетворяют условиям: К_в > К_кр и К_н > К_кр. В данном примере все значения не подходят под эти условия, потому ничего не исключается. горный бурение долото абразивный

Находим:

1) среднее арифметическое значение

2343,33;

2) среднее квадратическое отклонение

2-й ряд

Производим ранжирование

x₁ ? x₂ ? x₃ ? x_n-2 ? x_n-1 ? x_n

Таблица 2 - Расчет параметров распределения крайних значений 2-го ряда

Провер. значение	Расчет	Провер. значение	Расчет	Критерий Ккр
xn, xn-1		x1, x2		К3
xn		x1		К2
xn		x1		К1

Значения критерия К_кр берем из методички К₁=0,56, К₂=0,689, К₃=0,736. Сравниваем получившиеся значения К_в и К_н с критериями К_кр и исключаем из ряда значения, если они удовлетворяют условиям: К_в > К_кр и К_н > К_кр. В данном примере все значения не подходят под эти условия, потому ничего не исключается.

Находим:

1) среднее арифметическое значение

;

2) среднее квадратическое отклонение

Оценка однородности интервала бурения

а) общее среднеквадратич. отклонение полученных вариационных рядов S₁₂

;

б) параметр распределения t₁₂ разности средних арифм. значений рядов |x₁-x₂|

;

в) находим число степеней свободы => t=2,23.

Сравниваем вычисленное значение t₁₂ с критическим:

t₁₂ > t

4,39 > 2,23

Это значит, что различие между сравниваемыми значениями средних статистически значимо, а интервал бурения неоднородный, и его выделенные части следует рассматривать отдельно.

Последующие расчеты выполняются для большей части интервала, т.е первой.



2. Определение статистических характеристик показателей механических свойств горной породы

Для первого интервала бурения проводим обработку вариационного ряда, т.е. вычисляем: среднюю арифметическую , среднеквадратическое отклонение S, нижнюю x_н и верхнюю х_в границы случайной величины и заносим в таблицу 3. Расчеты покажем на примере предела текучести горной породы по штампу P₀:

МПа;

50,88

Число степеней свободы и тогда параметр Стьюдента . Мы имеем:

МПа;

МПа;

Аналогично рассчитывается и для других показателей.

Таблица 3 - Статистические характеристики показателей механических свойств и пористости горных пород

Обозначения	p0, МПа	pш, МПа	С, МПа	а21, мм/ч	а25, мм/ч	H, кат.
	2343,33	2668,33	28450	0,025	0,243	7,27
S	50,88	40,58	206,15	0,005	0,014	-
	2212,56	2564	-	-	-	-
	2474	2772,64	-	-	-	7,4

3. Выбор долот, определение областей разрушения горной породы и осевых нагрузок на долота

3.1 Выбор долот

Долото выбирается по таблице, но для этого нам нужно перейти от показателей твердости в МПа к показателям в категориях по формулам:

кат.;

кат.;

Выбираем долота, тип опор шарошек и систем промывки:

Типа Т - для 1-го класса;

типа СЗ - для 2-го класса;

тип опор НУ (4, 5) (по частоте вращения долот n_д = 110-300 об/мин);

промывка: гидромониторные насадки Г.

Записываем шифр выбранных долот обоих классов:

215,9Т-ГНУ(314) 215,9СЗ-ГНУ(545)

3.2 Определение областей разрушения горных пород долотами

Расчет угнетающего давления на забое

;

где: - давление в скважине динамическое;

где: - или ожидаемые колебания давления в скважине,

МПа;

- плотность бурового раствора;

=k•=1,07•1•=1,070 кг/м³

где: - относительное пластовое давление;

k - коэффициент запаса, зависящий от глубины скважины

- давление в скважине статическое,

кг/м³ - плотность воды;

z=4600 м - максимальная глубина бурения;

МПа

МПа

Мпа

Приведение предела текучести горной породы к забойным условиям

;

где: k_у - поправочный коэффициент, ;

где: коэффициент ;

;

МПа;

МПа;

Расчет нагрузки G_s, нужной для достижения предела текучести г.п.

а) для долота 1-го класса

кН;

где: - начальное притупление зубьев;

- доля одновременно работающего вооружения;

мм - сумма длин зубьев.

Рассчитываем нагрузки G по областям разрушения:

G_п = 250 кН - предельная нагрузка для долот 215,9 мм;

Осевая нагрузка на долото в безразмерном виде G:

G = k_дG/G_s,

где k_д - коэффициент динамичности нагружения долота для 1 группы по скалывающей способности - 1,3 ; G и G_s - осевые нагрузки: действующая статическая и необходимая для достижения предела текучести в горной породе под вооружением долота.

кН;

Сравниваем полученное значение и выбираем соответствующий диапазон безразмерных нагрузок, в нашем случае это 0,4 и 1,64

Осевая нагрузка на долото, соответствующая границе k-го скачка разрушения породы, равна:

кН;

Верхняя нагрузка k-го скачка разрушения породы принимается равной нижней нагрузке k+1-го скачка, т. е.

G_вk = G_н(k+1) = G_(k+1)пG_s/k_д =кН.

б) для долота 2-го класса

Оценим возможную область разрушения г.п. Для этого рассчитываем значение безразмерной нагрузки - ожидаемой величины Gґ и сравним с :

где: k_д = 1,2 - коэффициент динамичности для 2 группы по скалывающей способности;

G_п = 250 кН - предельная нагрузка для долот 215,9 мм;

С = 28450 МПа - средний модуль деформации породы;

- доля одновременно работающего вооружения;

Уd_Я = 120 мм - сумма диаметров зубков;

R_ц = 3,2 мм - радиус;

МПа - средний предел текучести в забойных условиях.

кН;

кН.

Оба долота обеспечивают объемное разрушение горной породы (долото 1-го класса 2-3 область объемного разрушения; долото 2-го класса 2-3 области объемного разрушения).



4. Расчет стойкости вооружения долота первого класса

Берется усредненный зуб, имеющий средневзвешенные размеры реализующий среднюю удельную мощность на разрушения породы забоя и рассчитывается долговечность Т, соответствующую времени изнашивания зуба на величину h. Нужно рассчитать время Т при относительном износе h₀, равном 0,25; 0,50 и 0,75.

Элемент вооружения шарошечного долота первого класса

Расчетная формула имеет вид:

;

где: - половина угла при вершине зуба, - начальное притупление зубьев, мм;

А и К - экспериментальные коэффициенты, входящие в зависимости скорости изнашивания стали а от удельной мощности трения N_уд, которая для кристаллических горных пород имеет вид: а = AN_уд^k. Эти значения мы находим по средним значениям показателей абразивности и при удельной мощности 1 и 5 Вт/мм²: а = AN_уд^k

при N_уд = 1 Вт/мм²: ,

при N_уд = 5 Вт/мм²: ,

A=0,025; К=1,41;

N_Я - интенсивность мощности трения, находим по формуле:

где: - мощность, реализуемая долотом,

кВт

где об/мин - частота вращения долота;

кН - предельная осевая нагрузка на долото;

мм - диаметр долота;

где H - средняя твёрдость горных пород в категориях;

- относительное смещение осей шарошек долота;

- доля мощности трения скалывания (из методички);

- сумма зубьев долота;

- коэффициент, учитывающий увеличение рабочей площадки зуба за счет скругления его вершины;

l - средняя длина рабочей поверхности зуба:

,

где мм - сумма длин зубьев;

- сумма венцов на шарошках.

Вт/мм;

, - половина угла при вершине зуба.

Рассчитываем стойкость:

ч

об/мин ч

об/мин ч

Путем интерполяции уточним величину стойкости опоры в соответствии с заданной частотой вращения долота по формуле:

ч

Этот случай свидетельствует о том, что вооружение 1 и 2-го классов конкурентоспособны. Долото 1-го класса стоит дешевле. Его следует выбрать, если оно обеспечивает равную или более высокую область разрушения горной породы.

5. Расчет гидромониторной системы промывки долота

Находим расход бурового раствора

м³/с

где: м/с - удельный расход бурового раствора (из методички);

м² - площадь забоя скважины.

В случае гидромониторного долота необходимо обеспечить скорости истечения жидкости v_u из насадок от 60 до 120 м/с. Условие v_m > 60 м/с вытекает из необходимости обеспечения гидромониторного эффекта на забое скважины. В противном случае применение долота с гидромониторной системой промывки не имеет смысла. Гидромониторный узел долота показан на рисунке. Стрелкой показан вектор скорости v_u, а размерными линиями расчетный диаметр d насадки.

Гидромониторный узел долота с гвоздевым креплением насадки: 1 - корпус долота; 2 - насадка; 3 - резиновое уплотнительное кольцо; 4 -гвоздь, крепящий насадку в корпусе долота

Пo величине выбранного расхода жидкости Q и скорости истечения рассчитываем площади каналов и подбираем насадки соответств. диаметров d_н. Площадь канала насадки 3^-хшарошечного долота:

при м/с мм², => d_н1 = 12,7 мм;

при м/с мм², => d_н2 =8,7 мм.

Считаем перепад давления на гидромониторном долоте по выбранным диаметрам насадок по формуле:

,

где: Q = 0,02 м³/с - выбранный расход бурового раствора;

с_б.р. = 1070 кг/м³ - плотность бурового раствора;

м = 0,9 - коэффициент расхода;

f_н - площадь канала выбранной насадки, м².

2,37 МПа;

9,51 МПа.



6. Основные итоги работы

Таблица 4 - Расчетные параметры, характеризующие режим бурения:

Интервал, м	Плотность бурового раствора, кг/м3	Частота вращения долота, об/мин	Тип долота	Диаметр насадок, мм	Области разрушения породы	G по областям разрушения, кН	Стойкость, ч
							Т0,75	Т0
4100-4600	1070	120	Т - 1-й класс	12,7-8,7	2-3	46,99-192,6	422,58	14,57
			СЗ - 2-й класс	12,7-8,7	2-3	95,3-245,19	--	14,57

1.Оба долота обеспечивают объемное разрушение горной породы (долото 1-го класса 2-3 область объемного разрушения; долото 2-го класса 2-3 область объемного разрушения).

2.Долота обеспечиваю одинаковую область разрушения горной породы.

3.Долото 1-го класса обеспечивает использование ресурса опор долота.

На основе этих выводов выбираем долото 1-го класса 215,9Т-ГНУ(314).



Список использованной литературы

1. «Разрушение горных пород», Учебно-методическое пособие к выполнению курсовой работы для студентов специальности 130504 "Бурение нефтяных и газовых скважин", 2010.

Размещено на Allbest.ru

...