Гірських порід

Абразивність гірської породи, як і будь-який інший показник механічних властивостей, відображає її прояв у конкретних умовах роботи. Зміна цих умов може стати причиною такої суттєвої зміни процесу зношування, що отримані в інших умовах показники не будуть ні якісно, ні кількісно характеризувати цей процес.

Усі фактори, які впливають на процес абразивного зношування, можна умовно розділити натри групи: природні, технічні і технологічні.

Головними природними факторами є мікротвердість породоутворюючих мінералів; різниця між мікротвердістю різних складових мінералів; твердість породи; розміри і форма кристалітів чи уламків, з яких складається порода; шорсткість поверхні породи, фізико-хімічні властивості пластового флюїду та ін.

Абразивність породи із збільшенням мікротвердості складових мінералів в цілому зростає. Однак, якщо внутрішня структура породи така, що на її поверхні немає виступів (шорсткість поверхні незначна), її абразивність буде невеликою.

Різниця мікротвердості мінералів, з яких складається порода, істотно впливає на абразивні властивості останньої. Якщо різниця мікротвердості велика, то порода, як правило, є сильно абразивною. Але при цьому суттєвим є абсолютне значення мікротвердості найтвердіших і найм’якіших мінералів. Коли найбільша мікротвердість менша за твердість металу, то виступи на поверхні породи будуть зминатися, і дряпання чи мікрорізання не буде; коли ж найменша мікротвердість не забезпечує утримання твердіших частинок в масиві, кристаліти будуть вириватися з породи і перекочуватися між породою та інструментом, виконуючи функцію своєрідного підшипника.

На взаємозв’язок твердості породи за штампом і абразивністю є різні погляди. За дослідженнями А.І. Співака порода з меншою твердістю має більшу абразивність. Л.І. Барон прийшов до висновку, що чіткої залежності між твердістю і абразивністю немає. За дослідженнями А.І Волобуєва (ІФНТУНГ) найбільш абразивними є породи середньої твердості, однак розкид експериментальних даних для таких порід найбільших. Для твердих порід отримано стабільніші показники абразивності, а у м’яких породах отримано менші показники абразивності, хоча розкид даних є суттєвим.

Розміри і форма мінеральних зерен також визначають абразивність породи. Із збільшенням розмірів мінеральних частин зменшується кількість контактів породи з металом, відповідно зростають контактні тиски і при достатній мікротвердості мінералів може початися процес мікрорізання – абразивність буде більшою. Якщо порода складається із загострених уламків чи кристалітів, абразивність породи також більша.

Фізико-хімічні властивості пластового флюїду можуть суттєво впливати на абразивне зношування, але цей вплив може бути різним залежно від того, які процеси –охолодження, змащування, корозійний вплив, оновлення ріжучих виступів – є основним. Наприклад, якщо пластовий флюїд – нафта, вона діє як мастильний матеріал, і абразивність зменшиться. Якщо ж пластовий флюїд має високу мінералізацію, то абразивність збільшиться за рахунок корозійно-дисперсних процесів.

До технічних факторів, що впливають на абразивність порід, належить насамперед твердість матеріалу, з якого виготовлений буровий інструмент, його пружні властивості (зокрема, модуль Юнга), форма деталі.

Якщо мікротвердість металу більша за мікротвердість мінералів, то абразивне зношування буде незначним.

Чим жорсткіший матеріал, що контактує з породою, тим імовірніше збільшення абразивного зношування, зрозуміло, при інших рівних умовах. Це пояснюється тим, що в жорсткішому тілі виникають більші контактні тиски. І, навпаки, в податливішому матеріалі динамічні навантаження зменшуються, що зменшує його зношування.

Що до форми деталей бурового інструменту – загострені тіла зношуються інтенсивніше, аніж тіла заокругленої, притупленої форми. Саме тому в шарошкових долотах, призначених для буріння в абразивних породах, використовується озброєння сферичної чи заокругленої форми, хоча з точки енергетики руйнування породи сфера є не найкращим індентором.

З технологічних факторів, що впливають на абразивне зношування, слід назвати контактний тиск, швидкість ковзання(кочення), фізико-хімічні властивості промивальної рідини, схему взаємодії елементів долота з породою.

При збільшенні контактних тисків абразивне зношення також зростає. Збільшується воно і з ростом швидкості ковзання (кочення), хоча коефіцієнт тертя може зменшитися внаслідок виникнення пластичних деформацій і зміни температурного режиму.

В зв’язку з цим виникає цікаве практичне питання, на якому режимі краще руйнувати породу: при значному навантаженні і малій швидкості обертання породоруйнівного інструменту (так званий „силовий режим ”), чи навпаки – зменшити навантаження на долото і збільшити швидкість його обертання („швидкісний режим ”)? В твердих абразивних породах доцільно використовувати „силовий режим ”, а м’яких мало абразивних породах – „швидкісний режим ”. Для руйнування м’якої породи достатньо незначних контактних тисків, а збільшення швидкості обертання долота забезпечить більшу частоту взаємодії елементів долота з породою і, відповідно, зростання механічної швидкості буріння. У твердих породах контактні тиски, які забезпечать об’ємний режим руйнування, є великими. Через технічні і технологічні обмеження при цьому не вдається забезпечити великі швидкості ковзання чи кочення.

Щодо впливу фізико-хімічних властивостей бурового розчину, в якому відбувається взаємодія інструменту з породою, то вона аналогічна дії природних пластових флюїдів, про що говорилося раніше. Абразивне зношування можна суттєво зменшити, якщо в циркуляційний агент додати спеціальні мастильні домішки. Слід лише додати, що в буровому розчині можуть знаходитися хімічні реагенти, які попереджують ускладнення, але чинять на інструмент корозійну і дисперсійну дію.

Як впливає на абразивне зношування схема взаємодії породоруйнуючих елементів з породою розглянемо на прикладі роботи двох типів доліт: ріжучої і дроблячої дії.

У доліт ріжучої дії породоруйнуючі елементи постійно контактують з породою, проходячи за один оберт значний шлях (робота сил тертя пропорційна шляху), тому в абразивних породах зношення такого інструменту буде великим.

При роботі доліт дроблячої дії руйнування породи відбувається за рахунок втискування, взаємне переміщення елементів озброєння долота і породи є мінімальним, тому зношування буде меншим.