Giáo trình Nguyên lý phá hủy đất đá (Nghề Khoan khai thác dầu khí Trình độ Trung cấp)

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MƠN HỌC : NGUN LÝ PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ NGHỀ : KHOAN KHAI THÁC DẦU KHÍ TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: 193/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng năm 2020 Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2020 (Lưu hành nội bộ) Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Trang LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình “Nguyên lý phá hủy đất đá” biên soạn theo chương trình đào tạo nghề “Khoan khai thác dầu khí” Bộ Lao động – Thương binh Xã hội Các kiến thức toàn giáo trình có mối liên hệ lơgic chặt chẽ Tuy vậy, giáo trình phần nội dung chuyên ngành đào tạo người dạy, người học cần tham khảo thêm giáo trình có liên quan ngành học để việc sử dụng giáo trình có hiệu Khi biên soạn giáo trình cố gắng cập nhật kiến thức liên quan đến môn học “Nguyên lý phá hủy đất đá” phù hợp với đối tượng sử dụng cố gắng gắn nội dung lý thuyết với vấn đề thực tế thường gặp sản xuất, đời sống để giáo trình có tính thực tiễn cao Nội dung giáo trình biên soạn gồm chương: Chương 1: Tính chất học đất đá Chương 2: Xác định tính chất học đất đá phương pháp ấn đột Chương 3: Trạng thái ứng suất chế phá hủy ấn đột Chương 4: Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất học đất đá chế phá huỷ sơ cấp Chương 5: Các trình phá hủy phức tạp Chương 6: Tính mài mịn đá Giáo trình phục vụ tốt cho việc nghiên cứu, giảng dạy học tập giáo viên sinh viên Trường Với lịng mong muốn giáo trình góp phần nâng cao chất lượng học tập môn học “Nguyên lý phá hủy đất đá”, xin chân thành cảm ơn tiếp nhận ý kiến đóng góp em sinh viên đồng nghiệp thiếu sót khơng thể tránh khỏi nội dung hình thức để giáo trình hồn thiện Trân trọng cảm ơn./ Bà rịa - Vũng Tàu, tháng năm 2020 Tham gia biên soạn Chủ biên: Ks Lê Thùy Dung Ks Phạm Thế Anh ThS Hoàng Trọng Quang Trang MỤC LỤC Trang CHƯƠNG 1: TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT ĐÁ 15 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 KHÁI NIỆM VỀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT ĐÁ VÀ KHỐNG VẬT.16 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT ĐÁ KHI BIẾN DẠNG ĐƠN GIẢN 22 Tính chất đàn hồi 22 Tính dẻo 24 Độ bền đất đá biến dạng đơn giản 25 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT ĐÁ KHI CĂNG KHỐI .30 Trạng thái ứng suất đất đá tự nhiên 31 Trạng thái đất đá nén ba chiều cân 32 Trạng thái đất đá nén ba chiều không cần 33 CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT ĐÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ẤN ĐỘT 38 2.1 2.2 2.3 KHÁI NIỆM .39 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 40 PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ THEO TÍNH CHẤT CƠ HỌC KHI ẤN ĐỘT 46 CHƯƠNG 3: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ CƠ CHẾ PHÁ HUỶ KHI ẤN ĐỘT .48 3.1 KHÁI NIỆM .49 3.2 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT KHI TÁC DỤNG LỰC TẬP TRUNG (BÀI TOÁN BOUSSINESG) .49 3.3 ÁP SUẤT PHÂN BỐ VÀ TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT KHI ẤN ĐỘT 53 3.3.1 Đột hình trụ phẳng 53 3.3.2 Đột chữ nhật phẳng .55 3.3.3 Đột mặt cầu 56 3.4 CƠ CHẾ BIẾN DẠNG PHÁ HUỶ KHI ẤN ĐỘT .57 3.5 CƠ CHẾ PHÁ HUỶ KHI TÁC DỤNG LÊN ĐỘT HAI LỰC ẤN VÀ CẮT 64 CHƯƠNG 4: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI TÍNH CHẤT CƠ HỌC ĐẤT ĐÁ VÀ CƠ CHẾ PHÁ HUỶ SƠ CẤP .68 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 ĐẶC TÍNH PHÁ HUỶ ĐẤT ĐÁ DO TẢI TRỌNG ĐỘNG 69 Tốc độ tiếp xúc 70 Thời gian tiếp xúc .73 Đặc tính phá hủy mỏi 74 Xác định đặc tính mơ đun đàn hồi động .76 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐẤT ĐÁ DƯỚI ÁP SUẤT, NHIỆT ĐỘ CAO 77 Ảnh hưởng nhiệt độ 80 Ảnh hưởng môi trường .80 ẢNH HƯỞNG CỦA KÍCH THƯỚC, HÌNH DÁNG VÙNG TIẾP XÚC 81 Trang CHƯƠNG 5: CÁC QUÁ TRÌNH PHÁ HUỶ PHỨC TẠP 84 ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ CƠ HỌC TỚI VẬN TỐC CƠ HỌC KHOAN 85 5.1.1 Ảnh hưởng tải trọng dọc trục P 85 5.1.2 Ảnh hưởng tốc độ quay 87 5.2 TỐC ĐỘ CƠ HỌC KHOAN .90 5.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ CƠ HỌC KHOAN 94 5.4 VẤN ĐỀ CẢI THIỆN TỐC ĐỘ KHOAN Ở CHIỀU SÂU LỚN 95 5.1 CHƯƠNG 6: TÍNH MÀI MỊN CỦA ĐÁ .101 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.4 SỰ HAO MỊN VÀ TÍNH MÀI MỊN 102 XÁC ĐỊNH TÍNH MÀI MÒN CỦA ĐẤT ĐÁ 106 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ MÀI MÒN 112 Ảnh hưởng đặc điểm thạch học 112 Ảnh hưởng môi trường .112 PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ THEO TÍNH MÀI MỊN .116 TÀI LIỆU THAM KHẢO .120 Trang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tháp nhọn kim cương kiểu Vicker (a) Knup (b) .20 Hình 1.2 Hiện tượng trễ đàn hồi đất đá cứng, chặt sít (a) đất đá rỗng (b) 22 Hình 1.3 Biến dạng theo chu kỳ 25 Hình 1.4 Điều kiện phá hủy mẫu đá nén 27 Hình 1.5 Sơ đồ bình nén ba chiều .32 Hình 1.6 Biểu đồ ứng lực biến dạng Px=Py=700 kG/cm2 .34 Hình 1.7 Biểu đồ phụ thuộc ứng suất biến dạng 35 Hình 2.1 Đột hình trục từ thép (a) xi lanh hợp kim (b) .40 Hình 2.2 Biến dạng ấn đột cho đất đá có P>300 kG/mm2 41 Hình 2.3 Sự phụ thuộc biến dạng tải trọng .41 Hình 3.1 Sự phân bố ứng suất bán không gian đàn hồi tác dụng lực tập trung .50 Hình 3.2 Sự thay đổi z r thay đổi Z không đổi .51 Hình 3.3 Sự thay đổi z Z thay đổi r không đổi .52 Hình 3.4 Xác định ứng suất có nhiều lực tập trung lên bán không gian đàn hồi 52 Hình 3.5 Sự phân bố áp suất mặt đột trụ phẳng 53 Hình 3.6 Phân bố áp suất phụ thuộc vào mức độ vát mép đột 54 Hình 3.7 Sự phân bố ứng suất theo trục đối xứng ấn đột trụ phẳng 55 Hình 3.8 Sự phân bố ứng suất mặt đột hình chữ nhật 55 Hình 3.9 Sự phân bố áp suất nén đột hình cầu vào mặt phẳng 56 Hình 3.10 Cơ chế phá hủy Sơraynher 59 Hình 3.11 Cơ chế phá hủy thứ (a, b ,c, d) 60 Hình 3.12 Cơ chế phá hủy thứ hai 60 Hình 3.13 Cơ chế phá hủy ấn đột cầu (a), (b), (c), (d) Cơ chế phá hủy đá giòn 62 Hình 3.14 Cơ chế phá hủy đá nén đột hình – nêm 63 Hình 3.15 Biểu đồ h=f(P) ấn vào đất đá giòn 63 Hình 3.16 Nguyên lý làm việc mũi khoan xoay hình nêm 64 Hình 3.17 Cơ chế phá hủy đất đá dòn dòn dẻo .66 Hình 3.18 Cơ chế phá hủy đất đá dẻo 66 Hình 4.1 Sự phụ thuộc tính chất lý đất đá vào tốc độ tiếp xúc .71 Hình 4.2 Đường cong mỏi 74 Hình 4.3 Sơ đồ phá hủy mỏi theo lớp 76 Hình 4.4 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm cao áp 78 Hình 4.5 Ảnh hưởng độ thể tích vùng phá hủy 83 Hình 5.1 Quan hệ giữ VCH tải trọng P 86 Hình 5.2 Ảnh hưởng tốc độ quay tốc độ học khoan (theo Rowley) 88 Hình 5.3 Ảnh hưởng tốc độ quay tới VCH (theo Potapop) 89 Hình 5.4 Hiệu suất khoan phụ thuộc vào P n (theo RowLey) 89 Hình 5.5 Mũi khoan hợp kim kiểu nhịn (a), tự mài (b) 93 Hình 5.6 Sự phụ thuộc tốc độ học khoan vào độ cứng đất đá 96 Trang Hình 5.7 Ảnh hưởng giới hạn chảy áp suất chênh lệch với tốc độ khoan (P,n,QConst) 96 Hình 5.8 Sự phụ thuộc tốc độ khoan vào mức độ hồn thiện cơng nghệ 99 Hình 6.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định độ mài mòn đất đá 107 Hình 6.2 Ảnh hưởng NR hệ số ma sát f cho môi trường bôi trơn khác 113 Hình 6.3 Sự phụ thuộc tốc độ mòn tương đối vào tỷ cơng suất .115 Hình 6.4 Ảnh hưởng tốc độ trượt đấn tốc độ mài tốc độ phá hủy đá Dolomit .116 Trang DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Mơ đun Young khống vật thay đổi theo hướng ngoại lực .19 Bảng 1.2: Giá trị tương đối độ cứng vi độ cứng 21 Bảng 1.3: Ảnh hưởng mức độ chặt sít khống vật đến giá trị số mô đun đàn hồi .23 Bảng 1.4: Sự thay đổi giá trị độ bền nén .28 Bảng 1.5 : Giá trị độ bền kéo uốn số đá 29 Bảng 1.6: Độ bền tương đối số loại đá 30 Bảng 1.7: Hệ số nén số loại đất đá 33 Bảng 2: Phân loại đất đá phương pháp ấn đột Sơraynher 46 Bảng 1:Giá trị a V0 xác định theo phương pháp biểu đồ .73 Bảng 2: Bảng sau cho biết số tiêu ấn tĩnh động 77 Bảng 1:Chọn hệ số thay đổi theo kích thước hạt 108 Bảng 2: Chọn số lần thí nghiệm theo sai số cho phép 109 Bảng 3: Trị số khả làm mát tương đối môi trường phổ biến khoan .114 Bảng 4: Phân loại đất đá theo độ mài mòn 117 Bảng 5: Phân loại đất đá khống vật theo độ mài mịn (Baron L.I., Kuzonhexov A.V.) 117 Bảng 6: Phân loại đất đá nhóm trầm tích dầu khí theo tính mài mịn .119 Trang GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên môn học: NGUYÊN LÝ PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ Mã mơn học: KKT19MH36 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: 3.1 Vị trí: Đây mơn học chun mơn nghề chương trình đào tạo nghề khoan khai thác dầu khí hệ Cao đẳng Mơn học bố trí sau học xong môn học, mô đun sở 3.2 Tính chất: Mơ đun trang bị kiến thức tính chất học đất đá, yếu tố ảnh hưởng đến tính chất học đất đá chế phá hủy đất đá, phục vụ cho công tác thi công giếng khoan Mục tiêu môn học: 4.1 Về kiến thức: A1 Trình bày tính chất học đất đá yếu tố ảnh hưởng tới tính chất học đất đá ảnh hưởng đến chế phá hủy sơ cấp, phức tạp A2 Trình bày trạng thái ứng suất chế phá hủy ấn đột A3 Trình bày tính mài mịn đá 4.2 Về kỹ năng: B1 Phân tích yếu tố ảnh hưởng tới tính chất học đất đá chế phá hủy sơ cấp 4.3 Về lực tự chủ trách nhiệm: C1 Rèn luyện tác phong làm việc khoa học cho sinh viên, tính kiên nhẫn, chăm khả làm việc theo nhóm C2 Rèn luyện ý thức tổ chức kỷ luật, thái độ nghiêm túc học tập Nội dung mơn học: 5.1 Chương trình khung Thời gian đào tạo (giờ) Mã MH/MĐ/HP Tên môn học, mơ đun Số tín Trong Tổn g số Thực hành/ Lý thí nghiệm thuyết / tập/ thảo luận Thi/ Kiểm tra LT TH Trang Các mơn học chung/ đại cương MHCB19MH02 Giáo dục trị I 21 435 157 255 15 75 41 29 MHCB19MH03 Pháp luật 30 18 10 MHCB19MH05 Giáo dục thể chất Giáo dục quốc phòng MHCB19MH08 An ninh MHCB19MH09 Tin học 60 51 4 75 36 35 2 75 15 58 120 42 72 66 1605 466 1057 33 49 15 285 143 127 11 30 23 2 45 14 29 1 Điện kỹ thuật Cơ sở điều khiển q trình Hóa Đại cương 45 36 45 14 29 1 45 42 3 75 14 58 51 1320 323 930 22 45 KKT19MH32 Địa chất sở Môn học, mô đun chuyên mơn ngành, nghề Địa chất dầu khí 30 28 KKT19MH33 Cơ sở khoan 45 42 KKT19MH34 Cơ sở khai thác 45 42 KKT19MH35 30 28 2 30 28 75 14 58 KKT19MĐ38 Địa chất môi trường Nguyên lý phá hủy đất đá Thí nghiệm dung dịch khoan Hệ thống phát lực 45 14 29 1 KKT19MĐ39 Hệ thống khí nén 45 14 29 1 KKT19MĐ40 Hệ thống nâng hạ Hệ thống tuần hoàn dung dịch Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan 105 14 87 105 14 87 135 14 116 TA19MH02 II II.1 ATMT19MH 01 CK19MH01 KTĐ19MĐ06 TĐH19MĐ12 CNH19MH09 KKT19MH31 II.2 KKT19MH36 KKT19MĐ37 KKT19MĐ41 KKT19MĐ42 Tiếng Anh Các môn học, mô đun chuyên môn ngành, nghề Môn học, mô đun kỹ thuật sở An toàn vệ sinh lao động Vẽ kỹ thuật - Trang 5.2 XÁC ĐỊNH TÍNH MÀI MỊN CỦA ĐẤT ĐÁ Tất đất đá có tính mài mịn mức độ khác Người ta tiến hành đánh giá mặt chất lượng số lượng Sự đánh giá mặt chất lượng mang tính chất tạm thời, khơng đánh giá xác mặt số lượng khó áp dụng vào quy trình khoan, theo người ta chia hai loại mịn mài mịn (xem phần phân loại cuối chương này) Để đánh giá mặt số lượng, người ta tiến hành số phương pháp tiêu khác để đánh giá giá trị số hao mòn Cho tới nay, xuất số lớn phương pháp xác định số số lượng chia hai phương pháp xác định điều kiện công nghiệp xác định phịng thí nghiệm Phương pháp cơng nghiệp (phương pháp trường): Có hai cách xác định độ mài mịn: - Xác định độ mài mòn cách đo trực tiếp thơng số hình học, thể tích, trọng lượng dụng cụ phá hủy - Xác định gián tiếp qua tiêu số lượng công tác khoan theo tiến độ chòong, theo VCH Các phương pháp phịng thí nghiệm Xác định gián tiếp thông qua độ cứng, hệ số ma sát động nhờ chất đồng vị phóng xạ Phương pháp xác định độ mài mòn mùn khoan cho lẫn với bi chì vào bình rung đóng kín Phương pháp đo độ hao mòn vật liệu chuẩn hợp kim, vòng, mũi khoan thép… Thực tế cho thấy không phương pháp xem tổng hợp đặc trưng phương pháp xem phù hợp với trường hợp cụ thể định Các phương pháp cơng nghiệp nói chung phức tạp gặp khó khăn thay đổi đất đá nên kết phản ánh khơng xác Cịn phương pháp gián tiếp Chương 6: Tính mài mịn đá Trang 106 phịng thí nghiệm thấy chưa hoàn toàn đầy đủ Theo nguyên tắc đề nghị xác định độ mài mịn theo cơng thức: λ = 𝑓𝑑 𝑝 (6.7) Ta thấy độ mài mịn (λ) áp lực (p) có mối liên hệ định song tỷ lệ thuận Cịn hệ số nội ma sáy (fd) khơng phụ thuộc vào tính chất đất đá mà cịn phụ thuộc vào yếu tố kỹ thuật, môi trường, nhiệt độ… Các phương pháp xác định tính mài mịn theo hao mịn vật tiêu chuẩn tiến hành theo sơ đồ Hình 6.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định độ mài mịn đất đá Ta nhận xét vắn tắt sơ đồ sau: Theo sơ đồ I (E.F.Epsotein): khơng có biện pháp làm mát làm sản phẩm phá hủy Vị trí tiếp xúc thay đổi dẫn đến hệ số ma sát thay đổi Theo sơ đồ II: Theo E.F.Epsotein sơ đồ kiểu khoan cắt, mẫu kim loại hợp kim cứng làm mát nước lọc Độ mài mịn xác định theo cơng thức (6.3), số tác giả khác Xivens cịn dùng thép carbon thép hợp kim mỏng độ mài mịn xác định theo cơng thức Wl = 𝑊1 + 𝑊2 𝑙 Chương 6: Tính mài mịn đá (6.8) Trang 107 đó: l – chiều sâu khoan W1, W2 – trọng lượng mũi khoan trước sau khoan Theo sơ đồ III (Baron): nội dung mài mòn thép Φ = 8mm chuyển động quay mặt đá gia công theo thông số P =15kg; n = 400ν/p; to < 220oC, thời gian 10 phút Phương pháp tương đối phổ biến nhanh chóng, tiện lợi, dùng máy khoan bàn để thử nghiệm Trị số mài mịn chấp nhận theo mg/ph Nhược điểm sơ đồ thiếu mơ hình hóa q trình khoan Theo phương pháp này, số tác giả xác định mài mòn theo mức độ tăng dần lực ép lên mũi khoan từ thép P18 tốc độ truyền 0,2mm/vịng Phương pháp áp dụng cho điều kiện phá hủy mũi khoan kiểu mài cắt, song thiếu sở chọn vật liệu không dự kiến việc làm mát Theo phương pháp Baron, độ mài mịn tính tốn sở kết thí nghiệm theo cơng thức a= đó: (∑ 𝑛.𝑊1 ) 2.𝑛 (6.9) a – tiêu độ mài mịn; n – số lần thí nghiệm kép W1 – tổn thất trọng lượng sau lần thực hiện, mài đầu sau mài đầu Số lần thí nghiệm cần thiết xác định theo độ xác mong muốn xác định tiêu độ mài mòn Muốn thế, cần đặt hệ số sai lệch cho phép (kCP) tính theo % Tùy theo cấu trúc đất đá thí nghiệm (Bảng 6.1) cho thấy giá trị hệ số thay đổi ktđ theo % Bảng 1:Chọn hệ số thay đổi theo kích thước hạt Độ hạt đất đá Kích thước hạt Hệ số thay đổi ktđ (mm) (%) Hạt lớn >5 30 Hạt trung 5–2 22 Hạt nhỏ – 0,2 19 Hạt mịn < 0,2 34 Chương 6: Tính mài mịn đá Trang 108 Sai số cho phép kCP tính theo %, tùy theo mức độ xác ta tìm hệ số tương quan kCP/ktđ, ta tra số lần thí nghiệm cần thiết theo Bảng 6.2 Bảng 2: Chọn số lần thí nghiệm theo sai số cho phép kCP/ktđ N kCP/ktđ N kCP/ktđ N kCP/ktđ N 2,000 0,800 0,591 11 0,490 16 1,386 0,741 0,566 12 0,475 17 1,132 0,693 0,544 13 0,462 18 0.980 0,653 0,524 14 0,450 19 0,876 0,620 10 0,506 15 0,438 20 Theo sơ đồ IV: Mẫu kim loại hình đĩa bị mịn trình ma sát với đất đá theo tải trọng tốc độ trượt định , bề mặt tiếp xúc với đất đá thay đổi liên tục Mô hình cho phép họa lại chu trình tương tác đất đá mẫu, đặc trưng cho làm việc mũi khoan xoay cầu Mài tiến hành thiết bị chuyên dụng có phận truyền áp lực lên đất đá giới hạn momen ma sát Phương pháp cho phép mô hình hóa mịn dụng cụ khoan dụng cụ phá hủy làm việc theo chế độ chu trình với đất đá có khả thay đổi rộng rãi tỷ công suất ma sát qua thay đổi tải trọng, tốc độ trượt, tần số tương tác, tính chất môi trường khả chế tạo mẫu từ vật liệu tương ứng Phương pháp thí nghiệm Mẫu: kim loại chế tạo từ thép hợp kim Φ15÷50mm, rộng 2÷3,5mm (cho đá mảnh vụn) mặt đầu mài nhẵn Mẫu kim loại trước thí nghiệm cần rửa cồn, lau khô cân cân phân tích Các thơng số chế độ ma sát chọn sau: - Tải trọng tác dụng đĩa chọn theo tải trọng đơn vị cần thiết: P = Pb.b (6.10) đó: Pb – tải trọng đơn vị chiều rộng đĩa; b – chiều rộng đĩa Chương 6: Tính mài mòn đá Trang 109 Tần số tương tác tốc độ trượt đặc trưng ứng cho trình cần nghiên cứu, chọn theo đường kính tương ứng đĩa Vt = π.D.μ (6.11) đó: V – tốc độ trượt; D – đường kính đĩa; μ – tần số tương tác - Lưu lượng chất lượng chất làm mát chọn tương ứng với trình nghiên cứu Q Q = q.S đó: (6.12) Q – lưu lượng chất làm mát; S – diện tích bề mặt thí nghiệm q – tiêu hao chất lỏng cho đơn vị diện tích bề mặt làm việc đối tượng nghiên cứu S = π.D.b (6.13) Tốc độ chuẩn tính tốn sở đảm bảo thời gian tiếp xúc để tạo thành rãnh phá hủy sâu 0.5÷2mm Các tiêu cần xác định: Thông thường người ta xác định trị số mài mịn, tỷ cơng suất, mài mòn tương đối, hệ số ma sát tốc độ phá hủy - Thơng thường trị số mài mịn xác định theo công thức (6.3), tức theo cường độ mài mịn Song cơng thức (6.3) chưa ý tới hai yếu tố định cường độ mài mòn giá trị hệ số ma sát, tốc độ trượt Vì vậy, Spivac đề nghị dùng tiêu tốc độ mài mịn theo cơng thức: a= 𝑊 𝛾𝑘𝑙 𝑆.𝑡𝑜 (6.14) đó: W– khối lượng hao mịn mẫu kim loại (g); S – tỷ trọng kim loại (g/cm3); to – thời gian thí nghiệm (phút) Như a chiều dày lớp kim loại tách khỏi mẫu mài đơn vị thời gian - Tỷ cơng suất trung bình trường hợp mài đĩa kim loại tính theo cơng tiêu chí cho đơn vị diện tích bề mặt (NR) Chương 6: Tính mài mịn đá Trang 110 NR = 1,02.𝑀.𝑛 𝑆 (6.15) đó: M– momen ma sát thí nghiệm (kG.mm); n–tốc độ quay đĩa (ν/p); S–diện tích làm việc bề mặt đĩa (mm2) - Tốc độ phá hủy: Giả sử chiều sâu rãnh phá hủy mặt mẫu δ tốc độ phá hủy trung bình là: 𝛿.𝑉 𝛿𝑡𝑏 = 𝜋.𝐷 (6.16) đó: δtb– tốc độ phá hủy đá trung bình (mm); V–tốc độ tịnh tiến mẫu đá (mm/s); δtb – tương quan thể tích tính tốn rãnh phá hủy có chiều rồng b chiều sâu δ đất đávới diện tích bề mặt làm việc đơn vị thời gian - Để đánh giá trình mài mòn lẫn kim loại đất đá, người ta xác định hao mòn tương đối cặp kim loại– đất đá ω= 𝑎 𝛿𝑡𝑏 (6.17) - Còn hệ số ma sát kim loại – đất đá tính sau: f= 2.𝑀 𝑃.𝐷 (6.18) đó: M– momen ma sát thí nghiệm (kG.mm);; P– lực ma sát (kG); D – đường kính đĩa (mm) Các cơng trình nghiên cứu phương pháp xác định độ mài mòn đất đá dùng cho phương pháp khoan tốc độ thấp cần tiến hành tần số tương tác 2Hz, cho loại cao tốc tần số tới 14Hz đường kính đĩa lúc 30mm Tương quan đường kính tần số đảm bảo tốc độ trung bình cần thiết trượt kim loại so với đất đá Chương 6: Tính mài mịn đá Trang 111 5.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ MÀI MỊN Tính mài mòn đất đá bị chi phối nhiều yếu tố tự nhiên kỹ thuật Các yếu tố tự nhiên chủ yếu yếu tố thạnh học đặc tính mơi trường.6.3.1 Ảnh hưởng đặc điểm thạch học Nói chung độ cứng khống vật tạo đá lớn độ mài mịn lớn, đất đá có thành phần thạch anh cao thường có tính mịn cao Tuy nhiên, khơng thể hồn tồn vào độ cứng khống vật để xét đốn độ mài mịn đá, phụ thuộc vào cấu trúc đá vật liệu liên kết Điều kiện để đất đá có tính mài mòn độ cứng hạt tạo đá lớn vật liệu xi măng tương đối mềm, độ cứng chung đất đá khơng cao trình làm việc hạt đá mòn từ từ bong hạt xuất sắc cạnh tiếp tục làm việc gây nên mài mòn lớn Nếu vật liệu xi măng mềm hạt nhọn chưa tham gia vào q trình mài mịn bị bong ngay, sau nước rửa đưa lên mặt đất Nếu độ cứng vật liệ xi măng lớn cản trở việc tạo mặt mài mòn lớn Các hạt mài bị tù khơng có độ nhỏ, bề mặt đá trở nên nhẵn, làm giảm tốc độ mài mịn dụng cụ Tuy nhiên, với loại đất đá có vật liêu xi măng cứng, công tiêu hao cho mài mòn phá hủy lớn Bên cạnh yếu tố trên, người ta nhận thấy, yếu tố làm tăng độ gồ ghề bề mặt đá làm tăng khả tập trung ứng suất mài Những yếu tố định đặc điểm cấu tạo kích thước hạt độlổ hỗng Giả sử với điều kiện giống nhau, độ hạt độ lổ hỗng lớn tăng tính mài Trong thực tế có số loại đá độ cứng thấp độ lổ hỗng cao loại tuf, tuf sa thạch, đá bọt … có độ mài mịn cao 6.3.2 Ảnh hưởng môi trường Các dụng cụ khoan làm việc chủ yếu điều kiện có chất lỏng nước, dung dịch sét, dung dịch sở gốc dầu nhũ tương, môi trường khí Các mơi trường tạo lớp mỏng mặt làm việc hiệu ứng lan truyền, hấp thụ, hay hiệu ứng hóa Tính chất lớp xác định khả làm mát bơi trơn – tức tạo nên lớp có sức kháng trượt nhỏ sức kháng nén cao Nhiều nhà nghiên cứu dùng hệ số ma sát cặp kim loại – đá làm tiêu đánh giá khả bôi trơn tương đối môi trường Hệ số xác định theo cơng thức phịng thí nghiệm: Chương 6: Tính mài mịn đá Trang 112 Hình 6.2 Ảnh hưởng NR hệ số ma sát f cho môi trường bôi trơn khác Các tài liệu thí nghiệm cho thấy, dung dịch sét tăng NR, hệ số ma sát f tăng đạt tới trị số cực đại đó, sau giảm Đối với đất đá trầm tích, giá trị cực đại tương ứng với NR – 1-2W/mm2 Sự tăng hệ số ma sát quan sát thấy đặc tính phá hủy bề mặt mỏi, tượng giảm f quan sát vịng phá hủy thể tích, tương ứng vùng mài mịn khử bền nhiệt Ngồi ra, ta cịn quan sát thấy tăng hệ số ma sát theo mơi trường (Hình 6.2), điều giải thích khả lớp chất lỏng thành tạo màng oxyt, không kể đến tác dụng hóa học Từ hình 6.4 cho thấy rằng, NR trung bình nhỏ hệ số ma sát môi trường khác Khi NR tăng lên, tác dụng mạnh mẽ nhiệt độ độ gồ ghề đáy lớn, màng chất lỏng bị phá hủy mạnh dẫn tới giảm hệ số ma sát nói chung Sự thay đổi hệ số ma sát phản ánh trình mài, trình phá hủy bề mặt má sát màng bôi trơn Tuy nhiên, NR nhỏ độ bền màng bơi trơn có ảnh hưởng định, cịn NR lớn hệ số ma sát bị chi phối q trình phá hủy đá, mịn kim loại truyền nhiệt Mơi trường có sức kháng nén lớn có khả bôi trơn tốt Cho nên tỷ công ma sát NR khơng thay đổi, tốc độ mài mịn nhỏ Khi f thấp màng bôi trơn bền, chừng mực tải trọng tăng lên làm tốc độ phá hủy tăng lên tải trọng tăng lần hệ số ma sát giảm nhiêu lần Ý nghĩa thực tế chỗ giữ nguyên công suất đáy, cho phép tăng tải trọng dọc trục tăng tốc độ học khoan hệ số ma sát giảm, độ bền dụng cụ phá hủy tăng lên Chương 6: Tính mài mịn đá Trang 113 Trong đặc tính mài mịn thứ hai nhiệt luyện khả làm mát mơi trường lại đóng vai trị định Bảng 3: Trị số khả làm mát tương đối môi trường phổ biến khoan Khả làm mát môi trường Nhiệt độ bề mặt làm mát Nước Dung dịch sét Dung dịch dầu Khí (To-800oC) TTsôi 1,0 0,78 0,72 0,14 Khi nhiệt độ bề mặt làm mát thấp ta thấy nước, dung dịch sét làm mát tốt dầu khí; mơi trườn này, tốc độ truyền nhiệt từ mặt vào sâu khối kim loại lớn tốc độ truyền nhiệt từ mặt vào môi trường lớn nhất, nhiên nhiệt độ gần tới nhiệt độ sôi khả làm mát môi trường gần Việc nghiên cứu vi độ cứng cho thấy tác dụng nhiệt mạnh mẽ làm mát chất lỏng ảnh hưởng tới chiều sâu không đáng kể (0,4mm) Tại thời điểm tiếp xúc, dòng nhiệt hướng sâu vào khối kim loại nhờ gradient nhiệt cao Tại thời điểm dòng nhiệt bị chia làm hai phần, phần sâu vào khối kim loại truyền mơi trường, phần truyền trực tiếp vào chất lỏng từ mặt làm việc Khi làm mát khơng khí, mẫu bị đốt nóng mạnh bị ram tới chiều sâu lớn, nhiệt tích lũy tới giá trị đáng kể tạo nên gradient nhiệt nhỏ Do đó, tốc độ truyền nhiệt nhỏ, tốc độ mòn cao Mặt khác, phần lớn nhiệt truyền vào đất đá tạo nên ứng suất nhiệt phụ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phá hủy, nguyên nhân tạo hiệu cao khoan thổi khí Ảnh hưởng khả bôi trơn làm mát môi trường trình mịn biểu đồng thời Trên Hình 6.3 ta thấy dung dịch dầu có khả bơi trơn tốt nên tạo ta tốc độ mài thấp nước, nghĩa tốc độ mòn phù hợp với khả làm mát nước Khả làm mát thấp giá trị giới hạn tỷ cơng suất ổn định nhỏ Chương 6: Tính mài mịn đá Trang 114 Hình 6.3 Sự phụ thuộc tốc độ mịn tương đối vào tỷ cơng suất Các dung dịch hoạt tính bề mặc có khả làm mát thấp NR lớn làm tăng khả ổn định kim loại Cùng với khả làm mát, cịn có hiệu ứng biến dạng dẻo bề mặt ảnh hưởng chất hoạt tính Các màng bơi trơn khơng giảm tốc độ mịn kim loại mà giảm tốc độ phá hủy chủ yếu phá hủy mỏi bề mặt Còn phá hủy thể tích tăng khả bơi trơn làm tăng tốc độ phá hủy.Vì vậy, khơng nên xét đốn ảnh hưởng mơi trường tới tốc độ mịn Lúc cần xác định tiêu hao mịn đá kim loại theo cơng thức (6.17) Nếu tiêu nhỏ dụng cụ làm việc tốt suất Như vậy, NR thấp trung bình, khả bơi trơn môi trường gây ảnh hưởng chủ yếu tới tốc độ mòn, vùng NR cao khả làm mát chiếm ưu Việc giảm không đủ khả làm mát môi trường phá hủy đất đá cứng, làm tăng biến dạng mòn ổn định bề mặt làm việc Chương 6: Tính mài mịn đá Trang 115 Hình 6.4 Ảnh hưởng tốc độ trượt đấn tốc độ mài tốc độ phá hủy đá Dolomit Ảnh hưởng phá hủy đất đá với tăng tốc độ mài mòn thép đá dolomite cho thấy hình 6.6: - Khi tăng tốc độ trượt tốc độ phá hủy giảm nhanh chuyển dần qua phá hủy bề mặt - Ở mức lượng thấp NR =1W/mm2, chủ yếu phá hủy bề mặt, tốc độ mài phá hủy không phụ thuộc vào tốc độ trượt - Khi tăng NR tốc độ mòn tăng sau giảm dần Trị số mịn cực đại tương ứng vùng phá hủy mỏi Khi bắt đầu phá hủy, độ nhám tăng lên làm tăng tập trung lượng vùng tiếp xúc thực tế dẫn tới tăng tốc độ mài Mặt khác tăng chiều sâu vùng trượt lượng phân tán vào chiều sâu vùng biến dàng trượt, q trình dẫn tới giảm tốc độ mài Khi xét tuổi thọ mũi khoan cần thực chế độ tương ứng vùng phá hủy thể tích có hiệu 5.4 PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ THEO TÍNH MÀI MỊN Việc phân loại đất đá theo tính mài mịn có ý nghĩa quan trọng phương diện tính tốn quy trình, chế tạo sử dụng dụng cụ phá hủy Đã có nhiều nhà nghiên cứu tiến hành phân loại, nhiên chưa có phân loại Chương 6: Tính mài mịn đá Trang 116 xem hồn hảo dùng cho quy phạm Tài liệu giới thiệu ba bảng phân loại tương đối đặc trưng a– Bảng phân loại tạm thời theo tính mài mòn đất đá dùng cho khoan lấy mẫu Bảng 4: Phân loại đất đá theo độ mài mịn Nhóm đá Đá có tính mài Độ khoan Cứng trung Bazan, diabaz, permatit, sienit, gabro, tixenit, granit, granodiolit, gneiss, đá vơi chặt xít, thạch anh VII - IX bình Cứng Rất cứng Nhóm đá Trung bình loại phiến thạch Bazan, diabaz, permatit, sienit, gabro, granit, granodiolitc, granite, đá lửa Các loại đá phiến thạch, sừng hỏa mạnh, rogovie, IX - X quaczit, đá lửa XI - XII Đá có tính mài mạnh Độ khoan Sa thạch arkoz, poorfirit, gronodiorit, permatit, đá thạch anh, albitofia thạch anh, poorfia thạch anh VII - IX Cứng Sa thạch thạch anh, quặng hematite, manhetit chặt, rỗng, diespirit IX - X Rất cứng Các loại đá sừng hỏa thạch anh hỏa mạnh mẽ, sừng, thanh, dispirit, đá crindon cứng XI - XII Cách phân loại có hai nhược điểm bản: - Đánh giá độ mài mịn khơng theo đặc tính số lượng mà tiến hành cách trực giác - Không đề xuất phương pháp thí nghiệm để xác định tiêu mài mịn mặt số lượng b- Bảng phân loại tập thể cán ngành mỏ Liên Xô đạo giáo sư Baron (sơ đồ III, Hình 6.1) Theo đặc tính phương pháp tiến hành loại đất đá bảng phân loại cho thấy phương pháp áp dụng cho phương pháp khoan kiểu mài cắt mở rộng phương pháp khoan mà phận phá hủy tiếp xúc cách liên tục phá hủy Bảng 5: Phân loại đất đá khoáng vật theo độ mài mịn (Baron L.I., Kuzonhexov A.V.) Chương 6: Tính mài mòn đá Trang 117 Cấp mài Đặc trưng độ mài mòn mòn đất đá a Đất đá đặc trưng (mg) Đá vôi, đá hoa, đá sunfit mềm không I Đất đá mài mịn 90 plagiogranit, riolit hạt nhỏ, granit diorite, pocfirit, gabro, gneiss, thạch anh (dạng quặng thấu kính) Granit, diorite, granodiorit, granoserit, pofiarit, sienit-nefenin, kerunofia, pirosenit, amfibol, gneiss, thạch anh, đá phiến thạch anh Pocfiarit, diorite, grani, sienit-nefenin, granitoit Nhóm đá corindon b- Bảng phân loại Spivak (trường Đại học Hóa học Dầu khí Quốc gia Agecbaizan): Trên sở sơ đồ đĩa quay (Hình 6.1), áp dụng cho trường hợp khoan chng chóp xoay qua tầng trầm tích khác Cách phân loại khác theo đặc tính mài bình thường, bảng phân loại tiến hành theo hệ số A1, B1 (Công thức 6.19) đặc tính mài mịn bình thường Độ mài mịn chia làm năm cấp (Bảng 6.6) Trong cách phân loại Spivak ý đến trị số HK khoáng vật tạo đá theo trị Chương 6: Tính mài mịn đá Trang 118 số tiêu mài a1 a5 tương ứng với giá trị NR 5W/mm2 Bảng 6.4 phân loại đất đá theo độ cứng, tính mịn độ khoan mũi kim cương hạt nhỏ Bảng 6: Phân loại đất đá nhóm trầm tích dầu khí theo tính mài mịn Các giá trị tiêu mài mịn Số nhóm Đất đá a=f(NR) Đá vôi không chứa khống VR Anhydrit khơng chứa khống VR Dolomit khơng chứa khốn VR Arghilit, vơi alevrolit, alevrolit Đá vôi chứa cát, sa thạch polime, sa thạch (mm/h) a1 a5 0,02÷0,08 0,07÷0,26 0,04÷0,07 0,1÷0,47 0,02÷0,14 0,24÷0,99* 0,36÷3,68 1,48÷13,34 3,44÷21,12 8,32÷73,11** thạch anh * Hệ số a1 tương ứng với dolomite có tượng độ ổn định ** Giới hạn a5 tương ứng với sa thạch thạch anh hạt trung 0,4 mm/h ❖ TÓM TẮT CHƯƠNG Trong chương này, số nội dung giới thiệu: - Sự hao mịn tính mài mịn - Xác định tính mài mịn đất đá - Các yếu tố ảnh hưởng tới độ mài mịn - Phân loại đất đá theo tính mài mịn ❖ CÂU HỎI VÀ TÌNH HUỐNG THẢO LUẬN CHƯƠNG Nêu yếu tố ảnh hưởng đến độ mài mịn đất đá? Có cấp mài mịn? Đá trầm tích có độ mài mịn phạm vi nào? Chương 6: Tính mài mịn đá Trang 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO - Tài liệu Tiếng Việt: [1] TS.Vũ Văn Ái, Giáo trình Nguyên lý phá hủy đất đá [2] Giáo trình Các tính chất vật lý đá – NXB Giáo dục, 1995 - Tài liệu tiếng nước ngoài: [1] API, Fired Heater operating techniques [2] ABB Automation Inc, Instructor Manual: Excercises for the Gas-Fired Heater Model Tài liệu tham khảo Trang 120 ... LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình ? ?Nguyên lý phá hủy đất đá? ?? biên soạn theo chương trình đào tạo nghề ? ?Khoan khai thác dầu khí? ?? Bộ Lao động – Thương binh Xã hội Các kiến thức tồn giáo trình có mối liên... phá hủy tác dụng lên đột hai lực ấn cắt Chương 4: Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất học đất đá chế phá hủy sơ cấp Đặc tính phá hủy đất đá tải trọng động Tính chất học đất đá áp suất, nhiệt độ. .. chế phá hủy ấn đột cầu (a), (b), (c), (d) Cơ chế phá hủy đá giịn 62 Hình 3.14 Cơ chế phá hủy đá nén đột hình – nêm 63 Hình 3.15 Biểu đồ h=f(P) ấn vào đất đá giịn 63 Hình 3.16 Nguyên lý