Перейти к основному содержанию

Лаборатория механики горных пород

Основополагающим  принципом в производстве породоразрушающих инструментов в АО «Азимут» является постоянное совершенствование их конструкций и режимов работы.Соблюдать этот принцип позволяет отличная экспериментальная база для исследований работы как отдельных элементов и систем, так и инструментов в целом, оснащенная самыми современными средствами цифровых измерений.

Разработка и совершенствование конструкций породоразрушающих инструментов базируется не только на результатах экспериментов, но и на теоретических исследованиях, выполняемых как с помощью известных пакетов прикладных программ, в том числе реализующих метод конечных элементов, так и оригинальных программ, разработанных нашими специалистами.

АО «Азимут» обладает уникальным современным оборудованием, позволяющим определять показатели механических свойств горных пород и цементного камня, сформированного как в атмосферных условиях, так и в условиях всестороннего сжатия до 60 МПа.

 

  1. Определение показателей механических свойств горных пород и цементного камня

Горные породы

Стенд для определения показателей механических свойств горных пород и цементного камня

Показатели механических свойств горных пород и цементного камня -

предел прочности на одноосное сжатие σсжмодуль Юнга Есж , коэффициент Пуассона μсж 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

Горные породы

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 ΔПр, в поперечном (2) на ΔП. Эти величины называют абсолютной продольной и абсолютной поперечной деформациями. Их величины измеряются в процессе опыта. По результатам измерений стоится графики зависимости P=f(ΔПр) иP=fП), приведенные на рисунке.

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

Горные породы

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.

Горные породы

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 Рmax  рассчитываются по известным формулам нормальные σα и  касательные τα напряжения.

 

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

Горные породы

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).

Горные породы

Процесс вдавливания штампа в образец материала на стенде

Горные породы

Графики зависимостейполученные при вдавливании штампа на стенде

 

  1. Экспериментальные исследования работы отдельного резца PDC

 

Проектирование вооружения породоразрушающих инструментов режуще-скалывающего действия, оснащенного алмазно-твердосплавными резцами (долота PDCосуществляется с помощью оптимизированной математической модели, в основу которой положены результаты экспериментальных исследований на стенде по изучению работы отдельного резца PDCпри резании различных горных пород с воспроизведением формируемого инструментом профиля забоя и измерениями трех составляющих нагрузки на резец в цифровом виде.

 

Горные породы

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.

Горные породы

Исполнительный узел стенда

Горные породы

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

 

  1. Экспериментальные исследования систем промывки породоразрушающих инструментов

 

Горные породы

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.

 

 

  1. Экспериментальные исследования работы породоразрушающих инструментов

 

4.1 Стендовые исследования работы породоразрушающих инструментов

Горные породы

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).

 Горные породы

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.

 

Горные породы

Визуализация измеряемых параметров

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

 

 

 Горные породы

Горные породы

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.

Горные породы

Горные породы

Графики суммарного действия поперечной силы относительно забоя скважины

Горные породы

Графики крутящего и удельного крутящего моментов в зависимости от осевой нагрузки

 

 Горные породы

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».

Горные породы

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

Горные породы

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.

АО «Азимут» может провести стендовые и скважинные исследования параметров работы породоразрушающих инструментов других производителей по желанию заказчика при условии предоставления ими этого инструмента.

 

  1. Исследования проницаемости образцов горных пород и цементного камня

 

Горные породы

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.

Горные породы

Приспособления для удержания керна