Лаборатория механики горных пород

Стенд для определения показателей механических свойств горных пород и цементного камня

Показатели механических свойств горных пород и цементного камня -

предел прочности на одноосное сжатие σ_сж, модуль Юнга Е_сж , коэффициент Пуассона μ_сж в двух взаимно перпендикулярных направлениях (оценка анизотропных свойств горной породы) определяются на специальном стенде с цифровой регистрацией параметров и записью в файл компьютера. Стенд состоит из гидравлического пресса, насоса и измерительной системы, включающей в себя датчики измеряемых параметров, тензометрическую станцию и персональный компьютер со специализированным программным обеспечением.

Ниже кратко описаны основные схемы определения показателей механических свойств горных пород и цементного камня.

1.1 Определения показателей механических свойств горных пород и цементного камня при одноосном сжатии

Схема испытания образцов на одноосное сжатие и графики зависимости P=f(Δ)

Образец материала 1, установленный на нижней плите 3 гидравлического пресса стенда и поставленной на его противоположный торец верхней плите 4 на шаровой опоре, до нагружения имеет продольный размер h  и поперечный d. В процессе нагружения сжимающей силой P образец деформируется в продольном направлении на величину Δ_Пр, в поперечном (2) на Δ_П. Эти величины называют абсолютной продольной и абсолютной поперечной деформациями. Их величины измеряются в процессе опыта. По результатам измерений стоится графики зависимости P=f(Δ_Пр) иP=f(Δ_П), приведенные на рисунке.

1.2 Определение показателей механических свойств твердых тел (предел прочности на растяжение) при растяжении методом раздавливания цилиндрических образцов.

Схема определения предела прочности горной породы на растяжение методом раздавливания

Цилиндрический образец материала 1 диаметром d и длиной L устанавливается на неподвижную нижнюю плиту 2 гидравлического пресса. Верхняя плита 3 пресса опирается на противоположную нижней образующую цилиндра. Гидравлическим прессом нагрузка на верхнюю плиту увеличивается до момента разрушения образца, в идеале образец разрушается по линии (трещине) 4.

1.3 Определение показателей механических свойств твердых тел  при сдвиге со сжатием.

Устройство для испытания горных пород и цементного камня на срез со сжатием

Нагружение силой Р производится до момента разрушения образца по сечению 7. По величине максимальной силы Р_max  рассчитываются по известным формулам нормальные σ_α и  касательные τ_α напряжения.

1.4 Определение показателей механических свойств горных пород методом статического вдавливания штампа (по Л.А. Шрейнеру).

Стенд для определения показателей механических свойств горных пород и цементного камня при вдавливнии штампа

Используется стандартная методика, разработанная профессором Л.А. Шрейнером. Определение показателей проводится на разработанном нами стенде.

В процессе вдавливания штампа с плоским основанием в образец материала регистрируются в цифровом формате с записью в файл сила F, с которой штамп вдавливается в образец и глубина  δ погружения штампа в образец, с визуализацией в режиме реального времени графика  зависимости F=φ(δ).

Процесс вдавливания штампа в образец материала на стенде

Графики зависимостей, полученные при вдавливании штампа на стенде

Стенд по изучению работы отдельного резца PDC

Стенд для экспериментального исследования работы отдельного резца PDCмонтируется на шпинделе напольного универсального вертикально-сверлильного станка и состоит из исполнительного узла, на котором расположены исследуемый резец и два вспомогательных резца, формирующие требуемый профиль забоя, электронного блока и вертлюга, обеспечивающего подачу промывочной жидкости в зону работы резцов. Электронный блок представляет собой автономное цифровое устройство, осуществляющее в процессе эксперимента преобразование электрических аналоговых сигналов с тензометрических датчиков, установленных на державке исследуемого резца, в цифровой код и запись их в собственную энергонезависимую память. Результаты измерений переписываются из памяти устройства в ПЭВМ после окончания эксперимента.

Исполнительный узел стенда

Твердотельная модель тензометрической стойки с установленным резцом PDCи силы, действующие на резец

Стенд для исследований систем промывки

Системы промывки породоразрушающих инструментовоптимизируются не только на основе теоретических исследований, но и по результатам экспериментальных исследований на специальном стенде, сконструированном и изготовленном в АО «Азимут», который позволяет измерять давления, изменяющиеся с частотой до 1200 Герц, и строить поля скоростей промывочной жидкости в любом поперечном сечении породоразрушающего инструмента диаметром до 215,9 мм.

4.1 Стендовые исследования работы породоразрушающих инструментов

АЦИУ силовых параметров работы породоразрушающего инструмента

Оценка эффективности вновь разработанной конструкции породоразрушающего инструмента, а также точности его изготовления осуществляется по разработанной нами методике.

Аппаратным обеспечением этой методики является автономное цифровое измерительное устройство (АЦИУ), предназначенное для измерения и регистрации в процессе стендового бурения силовых параметров работы породоразрушающих инструментов. АЦИУ имеет стандартные присоединительные резьбы, позволяющие устанавливать его на любой буровой станок, используемый в качестве испытательного стенда(например, ЗИФ-1200А).

Измеряемые силовые параметрыработы породоразрушающего инструмента

На стенде при бурении блоков породы измеряются и регистрируются в цифровом виде осевая нагрузка G, крутящий T и изгибающий M моменты. Изгибающий момент измеряется в двух взаимно-перпендикулярных направлениях (Mx и My), что позволяет определить направление его действия.

Визуализация измеряемых параметров

Результаты измерений визуализируются с помощью разработанной оригинальной программы и подвергаются детальному анализу.

Графики суммарного действия изгибающего момента на корпус породоразрушающего инструмента

По результатам измерений в полярной системе координат строятся графики суммарного действия изгибающего момента на корпус породоразрушающего инструмента по его секторам и суммарного действия поперечной силы относительно забоя скважины.

Анализ графиков позволяет оценивать оптимальность конструкции его вооружения с точки зрения сбалансированности, а также вероятность формирования некруглого сечения скважины и степень возможного отклонения ствола от заданного направления.

Графики суммарного действия поперечной силы относительно забоя скважины

Графики крутящего и удельного крутящего моментов в зависимости от осевой нагрузки

Графики изгибающего момента и удельной приведенной поперечной силы в зависимости от осевой нагрузки

Такие важные силовые параметры работы породоразрушающих инструментов, как крутящий момент и удельный крутящий момент, изгибающий и  удельный изгибающий моменты, в зависимости от осевой нагрузки, могут быть представлены заказчику по инструментам, изготавливаемым в АО «Азимут».

Распределение мощностей по резцам долота 8Л 188,7 РСА

  По результатам экспериментальных исследований разработана методика оценки энергетической загрузки резцов долот PDC, позволяющая оптимизировать их вооружение.

4.2 Скважинные исследования работы породоразрушающих инструментов

Скважинный АЦИУ силовых параметров работы породоразрушающего инструмента (автономный забойный регистратор)

Для совершенствования конструкций породоразрушающих инструментов и параметров режима бурения с учетом конкретных скважинных условий в АО «Азимут» разработан и создан скважинный вариант автономного цифрового измерительного устройства силовых параметров(автономный забойный регистратор), который можно установить как непосредственно над долотом, так и в любое место бурильной колонны.

Варианты записи измеряемых параметров в энергонезависимую память регистратора и частота их дискретизации выбираются программно перед спуском регистратора в скважину диаметром 190,5 ... 215,9 мм. Доступ к информации осуществляется после подъема инструмента из скважины.

Стенд для исследования проницаемости образцов горных пород и цементного камня

Стенд предназначен для исследования проницаемости образцов горных пород (керна) и цементного камня жидкостями при различных постоянных или переменных перепадах давления в условиях всестороннего сжатия, а также определения абсолютной проницаемости образцов по газу.     

Отличительной особенностью стенда является то, что количество жидкости, проникающее в керн и профильтровывающееся через него измеряется на входе и непрерывно во времени.

Дополнительные устройства к стенду позволяют высверливать керн диаметром 30 мм из исходных образцов диаметром 60 мм и выше под любым углом к оси исходного керна, а также получать образцы цементного камня, сформированного при давлениях до 60 МПа. Регистрация величин давления и количества жидкости во времени осуществляется электронным способом в цифровом виде с записью в файл, подключенного к стенду компьютера.

Приспособления для удержания керна