Лабораторная работа № 3

 

Тема: Определение абразивности горных пород.

Цель работы: Научиться определять абразивность горных пород с помощью метода эталонных стержней.

Абразив­ность горных пород - это способность породы на забое скважины и бурового шлама изнашивать элементы долота, в том числе его вооружения. Слово абразивность, происходит от латинского слова “abrasio”, что означает соскабливание.

Оценка абразивности производится по изменению веса металлических стержней за время испытания.

Абразивные свойства горных пород определяются их литолого-петрографическими и механическими показателями. Такие характеристики, как твердость зерен породы, прочность связи между ними, их форма и размер, пористость и степень неоднородности пород представляют собой неуправляемые природные факторы, как бы в чистом виде характеризующие абразивность.

Чем легче отделяются зерна, тем быстрее обновляется абразивная поверхность и тем выше абразивный износ. Чем меньше будет прочность связи и зерна будут отрываться еще острыми, тем меньше будет абразивный износ.

Форма зерен: остроугольные зерна боле абразивны; окатанные – менее абразивные. Максимальные абразивные свойства имеют равномерно - зернистые породы.

Размер зерен влияет на абразивный износ через шероховатость горных пород. Больший размер зерен способствует большему абразивному износу. Зерна оставляют на инструменте более глубокие царапины.

По степени абразивности кристаллические горные породы можно расположить так: гипс < барит < доломиты < известняки < кремнистые породы < железистомагнезиальные породы < кварц и кварциты.

Из обломочных наиболее абразивны кварцевые песчаники и алевролиты. При одинаковом минералогическом составе абразивность обломочных пород обычно выше абразивности кристаллических горных пород. Это обусловлено характером шероховатости поверхности трения.

Чем больше пористость, крупнее обломки и остроугольнее их форма, тем больше шероховатость обломочной породы. С увеличением шероховатости уменьшается реальная площадь контакта металла с породой, возрастает контактное давление, которое может достигать твердости металла.

Абразивность обломочных пород возрастает с увеличением содержания в них кварца и уменьшением прочности цемента, связывающего минеральные зерна.

Схема установки по исследованию абразивности горных пород и общий вид приведены на рисунках 4 а, б.

Установка включает следующие узлы: тиски 1 и прокладки 2 для фиксации образца горной породы 3, эталонный стержень из некаленной стали, покрытый серебрянкой 4, патрон 5 для крепления эталонного стержня, шпиндель 6, корпус установки 7, дополнительный груз 8, клиноременная передача 9 и электродвигатель 10.

На фотографии общего вида установки показана модификация с нижним размещением груза.

Испытания проводятся при следующих режимных параметрах. Осевая нагрузка 150 Н (15 кг), скорость вращения стержня 6,7 с^-1 (400 об/мин), длительность опыта 10 мин, диаметр стержней 0,008 м (8 мм), их длина 0,07 м (70 мм). Для равномерного износа стержня, во всех породах, в одном из его торцов высверливается отверстие диаметром 4 мм и глуби­ной 10-12 мм (торцовые поверхности перпендикулярны к оси).

 

а б

 

 

 

Рисунок 4 – Установка для определения абразивного износа

 

Образец породы должен иметь массу в пределах от 0,1 до 2 кг и при закреплении его в тисках верхняя поверхность об­разца должна занимать горизонтальное положение. Методика испытаний предусматривает истирание стержней на естественной поверхности образцов.

Подготовка опыта заканчивается взвешиванием стержня с точностью до 0,1 мг.

 

Порядок проведения опыта

Стержень закрепляется в патроне шпинделя и опускается на поверхность образца породы, включается электродвигатель установки и в течение 10 мин осуществляется истирание стержня о породу. Нагрев стержня должен быть не более 200-220 ⁰С (соломенно-желтый цвет побежалости). Затем установка выключается, стержень в патроне переворачивается и опускается на новый участок рабочей поверхности образца. В течение 10 мин производится истирание второго конца эталонного стержня.

Необходимость проведения парного опыта объясняется стремлением уменьшить возможное расхождение конечных результатов путем усреднения полученных данных. Установлено, что в малоабразивных породах износ стержней цилиндрической формы больше,чем у стержней с кольцевой формой, в то время как на полиминеральных породах больше изнашиваются стержни второго вида.

После окончания опыта стержень очищается от продуктов разрушения, промывается, сушится на воздухе в течение 10-15 мин и взвешивается.

 

 

Обработка результатов

Показатель абразивности горной породы а определяется по формуле

 

, (11)

 

где q - уменьшение веса эталонного стержня, мг;

n -число парных опытов.

 

По величинеа определяется характеристика и класс породы по абразивности (таблица 4).

Необходимое число опытов определяется следующим образом. В зависимости от желаемой точности определения показателя абразивности задаются допустимые отношения К_доп. В зависимости от структуры горной породы выбирается коэффициент вариации К_в показателя «а» (таблица 5).

По величине отношения К_доп к коэффициенту К_вопределяется число единичных опытов (таблица 6).

 

Пример. Определить необходимое число опытов при испытании мелкозернистой горной породы на абразивность с точностью К_доп= 15 %.

По таблице 1 приложения находим значение К_в = 19.

Отношение К_доп / К_в =15/19 = 0,789.

Ближайшее четное число единичных опытов (таблица 6) равно 6, следовательно, число парных опытов равняется 3.

 

 

Таблица 4 - Классификация горных пород по абразивности по

Л.И. Барону

 

Класс абразивности	Наименование класса	Показатель абразивности, мг	Характеристика породы
I	Весьма малоабразивные	До 5	Известняки, каменная соль, мрамор
II	Малоабразивные	5-10	Аргиллиты, глинистые сланцы
III	Ниже средней абразивности	10-18	Тонкозернистый песчаник, окремнелый известняк
Продолжение таблицы 4
IV	Среднеабразивные	18-30	Кварцевый и аркозовый тонкозернистый песчаник, диабаз, окварцованный известняк
V	Выше средней абразивности	30-45	Кварцевый и аркозовый средне- и крупнозернистый песчаник, диорит, гнейс, габбро
VI	Повышенной абразивности	45-65	Гранит, кварцевый и окварцованный сланец, гнейс
VII	Высокоабразивные	65-90	Порфирит, диомит, гранит, сленит
VIII	В высшей степени абразивности	>90	Корундо- содержащая порода

 

Таблица 5 – Коэффициенты вариации показателей абразивности для

горных пород различной структуры

 

Структура горной породы	Размер зерна, мм	Коэффициент вариации (округлено), %
Крупнозернистая
Среднезернистая	2-5
Мелкозернистая
Тонкозернистая с наличием включений	0,2

 

Таблица 6 – Определение числа единичных опытов

 

Величина отношения допустимого отклонения к коэффициенту вариации	Необходимое число единичных опытов	Величина отношения допустимого отклонения к коэффициенту вариации	Необходимое число единичных опытов
2,000		0,591
1,386		0,566
1,132		0,544
0,980		0,524
0,876		0,506
0,800		0,490
0,741		0,475
0,693		0,462
0,653		0,450
0,620		0,438