RU2716631C1 - Способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации - Google Patents
Способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации Download PDFInfo
- Publication number
- RU2716631C1 RU2716631C1 RU2019131270A RU2019131270A RU2716631C1 RU 2716631 C1 RU2716631 C1 RU 2716631C1 RU 2019131270 A RU2019131270 A RU 2019131270A RU 2019131270 A RU2019131270 A RU 2019131270A RU 2716631 C1 RU2716631 C1 RU 2716631C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rock
- drill string
- strength
- drilling
- rocks
- Prior art date
Links
- 239000011435 rock Substances 0.000 title claims abstract description 81
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 33
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 8
- 238000009527 percussion Methods 0.000 claims description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 241000218657 Picea Species 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000006748 scratching Methods 0.000 description 1
- 230000002393 scratching effect Effects 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 239000010878 waste rock Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21C—MINING OR QUARRYING
- E21C39/00—Devices for testing in situ the hardness or other properties of minerals, e.g. for giving information as to the selection of suitable mining tools
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способу определения физико-механических свойств горных пород по величине продольной упругой деформации сжатия бурильной колонны в момент нанесения удара по забою в процессе ударно-вращательного бурения и устройства его осуществления. Техническим результатом является повышение точности определения прочности горных пород. Способ включает воздействие на горную породу разрушающей нагрузкой и фиксацию показателя прочности горной породы, при этом, фиксируют величину продольной упругой деформации сжатия бурильной колонны в момент нанесения удара по забою, которую определяют согласно приведенному уравнению, а определяемая величина обратно пропорциональна прочности горных пород. Устройство включает буровой агрегат для ударно-вращательного бурения, буровую колонну, долото, измерительный блок, при этом, буровая колонна оснащена соосно установленным в приустьевой зоне буровой колонны датчиком, фиксирующим и передающим упругие деформации сжатия бурильной колонны в момент нанесения удара по забою на приемное устройство, взаимосвязанное с лазерным дальномером, измерительным блоком и компьютером. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к способу определения физико-механических свойств горных пород по величине продольной упругой деформации сжатия бурильной колонны в момент нанесения удара по забою в процессе ударно-вращательного бурения и устройства его осуществления.
Известен способ определения упругих характеристик горной породы по данным измерений в скважине, включающий определение коэффициента Пуассона μ методом аналогий, геостатического давления рг и давления бурового раствора рс на рассматриваемой глубине [RU №2449122 от 18.11.2010, опубл. 27.04.2012].
Недостатком аналога является невозможность определения твердости горной породы непосредственно в процессе бурения, поскольку измерения,
не отражает реальной прочности горной породы.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ прогнозирования работы бурового става, включающий в себя получение данных измерений электромагнитного излучения (ЭМИ), выбор входных параметров, ввод входных параметров и формирование параметра буримости горной породы с использованием модели буримости и входных параметров, который обеспечивает определение эффективности бурения [RU №2657277 от 18.10.2013, опубл. 24.11.2017].
Недостатком указанного способа является передача информации о разрушении горных пород сигналами электромагнитного излучения при растрескивании и дроблении горных пород в процессе бурения, не имеющих прямой корреляции с физико-механическими свойствами горных пород.
Известен способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации, заключающийся в определении прочности горных пород при воздействии на нее разрушающей нагрузкой от вращающегося индентора, в процессе разрушения горной породы одновременно измеряют мощность акустических колебаний в призабойной зоне в диапазоне частот 7-20 кГц и скорость относительного перемещения индентора и горной породы, определяют показатель прочности горной породы - удельную акустическую энергию, выделившуюся при разрушении, путем деления мощности акустических колебаний на скорость относительного перемещения индентора и горной породы. Устройство для определения прочности горной породы содержит нагружающий блок, выполненный в виде режущего инструмента - алмазного круга, установленного на шпинделе, соединенного с помощью передаточного механизма с приводным двигателем, и измерительный блок. Устройство также снабжено подвижной кареткой с захватом для образца горной породы, соединенной с помощью передаточного механизма с приводным двигателем и перемещающейся по направляющей перпендикулярно оси вращения алмазного круга с заданным углублением алмазного круга в образец горной породы, и датчиком акустических колебаний, установленным в призабойной зоне. Данное изобретение направлено на повышение точности определения прочностных свойств исследуемой горной породы [RU №2204121 от 21.02.2000, опубл. 10.05.2003].
Недостатком данного технического решения является наличие акустического датчика в призабойной зоне в колонне бурильных труб, что существенно ограничивает область применения данного технического решения из-за невозможности питания датчика подобного типа с ростом глубины скважины.
За прототип предлагаемого технического решения, по совокупности признаков, принято устройство автоматизированного определения и регистрации твердости горной породы забоя в процессе бурения скважины, включающая датчики нагрузки на долото, перемещения талевого блока, лебедку и станцию ГТИ с программным обеспечением, осуществляющую сбор, обработку и регистрацию информации, модуль-диспетчер, осуществляющий консолидацию в точках измерения через шаг дискретизации по глубине или времени, указанных устройств на решение задачи по определению и регистрации твердости горной породы забоя [RU №2539089 от 11.10.2013, опубл. 10.01.2015].
Недостатком данного технического решения является низкая точность получаемых значений твердости горных пород в силу зависимости механической скорости бурения не только от осевого усилия, но и от типа, состояния и степени износа породоразрушающего инструмента, условий работы бурильной колонны в процессе бурения, а именно в неравномерности передачи осевого усилия на забой скважины. В совокупности эти факторы снижают точность определения твердости горных пород и вносят неопределенность в интерпретацию показаний приборов.
Предлагаемое изобретение решает задачу определения прочности горных пород непосредственно в процессе бурения.
Сущность изобретения состоит в том, что для определения прочности горных пород используются параметры деформации сжатия бурильной колонны в момент нанесения удара по забою:
Данная величина обратно пропорциональна прочности горной породы
где: 
m - масса ударного инструмента, кг;
ν0 - скорость в момент соударения инструмента с породой, м/с
δ - деформация породы, м.
F - площадь поперечного сечения колонны, м2;
Е - модуль упругости стали, Па
Предлагаемый способ осуществления дистанционной оценки параметров свойств горной породы, с помощью которого можно идентифицировать тип горной породы и определять содержание полезного компонента в рудной массе.
В качестве параметра свойств горной породы предлагается использовать упругость, как параметр, связанный с прочностью и определяющий величину упругой реакции породы на силовое воздействие. Силовое воздействие на породу определяется величиной ударного импульса.
В соответствии с исследованиями, кинетическая энергия работающего на разрушение горной породы долота Uд расходуется на энергию деформирования горной породы Uп и энергию деформирования буровой компоновки Uк:
Деформирование бурильной колонны и горной породы происходит под действием динамической осевой силы, которая вызвана процессом колебаний долота Рд при передаче ударного импульса.
Динамический процесс разрушения горной породы можно описать уравнениями кинетической энергии Эк инструмента и потенциальной энергии Пд деформирования породы. Не учитывая потерь части энергии Эк на рассеивание при деформировании породы, можно записать
где m - масса ударного инструмента, кг; ν0 - скорость в момент соударения инструмента с породой, м/с; Р - усилие взаимодействия инструмента с породой, Н; δ - деформация породы, м.
Из уравнения (2) в общем виде можно определить усилие Р, вызывающее деформацию породы и элементов колонны, передающих ударный импульс к забою скважины:
В процессе ударного импульса по забою буримой скважины происходит упругая и пластическая деформации горной породы Δпл и упругая деформация бурильной колонны 
Таким образом, деформация δ включает деформацию породы Δп и деформацию колонны 
Деформация в бурильной колонне может определяться из формулы:
где Р - сила удара, Н; 
- длина колонны, площадью поперечного сечения F, м; Е - модуль упругости стали, Па.
Используя выражения (3) и (4) можно записать:
Решение данного уравнения позволяет перейти к квадратному уравнению:
Решение данного уравнения позволяет получить значение деформации в бурильной колонне:
где 
Один из корней данного уравнения является действительным. Учитывая, что упругая деформация в бурильной колонне будет меньше при более значительной деформации в породе (повышенная податливость породы), тогда выражение
будет точно характеризовать взаимосвязь параметров, влияющих на упругую деформацию в бурильной колонне.
В данном случае величина деформации будет противоположна по направлению деформирования горной породы и выражаться зависимостью со знаком минус.
Дальнейшие экспериментальные исследования предполагают выявление зависимости составляющих упругого (Δуп) и пластического (Δпп) деформирования породы как от упруго-пластических свойств горных пород, так и технико-технологических параметров бурения, таких как величина ударного импульса, тип вооружения и степень износа вооружения долота.
Таким образом, имея соответствующие эталонные значения деформации горных пород, при известных технико-технологических параметрах бурения, мы можем, измеряя величину деформации бурильной колонны непосредственно в процессе бурения, используя выражение 8, определять физико-механические свойства горных пород и определить коэффициент корреляции по различным методам определения физико-механических свойств горных пород, таких как: метод одноосного сжатия, царапания (метод Мооса), вдавливания штампа (метод Л.А. Шрейнера), объединенный показатель буримости по методу ЦНИГРИ.
Для обеспечения регистрации в процессе бурения величины продольной упругой деформации сжатия бурильной колонны в момент нанесения удара по забою предложено устройство для реализации способа.
Устройство представлено на фиг. 1:
где 1 - буровой агрегат; 2 - бурильная колонна; 3 - долото; 4 - ударник механизма ударного действия; 5 - пьезодатчик и передающая часть оптотрона; 6 - принимающая часть оптотрона; 7 - лазерный дальномер; 8 - передатчик бесконтактный; 9 - компьютер.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Буровой агрегат 1, работающий в режиме ударно-вращательного бурения (фиг. 1) через бурильную колонну 2, долото 3 и ударник механизма ударного действия 4 в процессе бурения разрушает горную породу 10. При этом в процессе бурения фиксируется деформация бурильной колонны 2 в момент нанесения ударного импульса от ударника механизма ударного действия 4 пьезодатчиком и передающей частью оптотрона 5. Сжатие кристалла в пьезодатчике и передающей части оптотрона 5 преобразуется в электрический сигнал с последующим преобразованием в световой сигнал, после чего световой сигнал передается на принимающую часть оптотрона 6, где световой сигнал снова преобразуется в электрический и передается на бесконтактный передатчик 8 и компьютер 9 с программным обеспечением для обработки данных. При этом для измерения скорости проходки используется лазерный дальномер 7, который также передает сигнал на бесконтактный передатчик 8 и компьютер 9, что позволяет, при бурении горных пород с разными физико-механическими свойствами 10-11, сопоставлять данные получаемые от принимающей части оптотрона 6 в интерактивном режиме и определять интервалы изменения физико-механических свойств этих пород.
Таким образом, на компьютер в режиме реального времени будут поступать сигнал, показывающий величину деформации в бурильной колонне, как результат реакции со стороны разрушаемой в данный момент породы и в зависимости от типа долота, его технического состояния (изношенности), энергии ударного импульса со стороны машины бурового агрегата.
На фиг. 2 показан пример анализа обработки данных диаграмм, поступающих на компьютер в процессе бурения трех скважин или шпуров с целью определения параметров горного массива, где:
А - интервалы бурения по породе с более высокой твердостью; h - интервал бурения при входе бурового инструмента в твердый пропласток; b - превышение деформации в бурильной колонне; Т - интервал времени (например, 5 мин); L - интервал проходки, определенный лазерным дальномером.
В данном случае имеем сигнал о величине деформации в бурильной колонне, по которому можем определить наличие пропластка, например, более твердого, чем вмещающая порода. Рост деформации в бурильной колонне 
интервалы бурения A, h, временные интервалы Т, расстояние L, позволяют определить как механическую скорость бурения, так и мощность пропластков, например, рудной массы, угол наклона пропластков и в конечном счете в режиме текущего времени сделать анализ качества и содержания руды в отбитой в забое породе.
Для идентификации горных пород и руд предварительно требуется проведение тестовых работ на месторождении с целью выявления уровня сигналов с учетом применяемой техники, бурового инструмента и их технического состояния. Тестовые параметры уровней деформации бурильной колонны будут служить для распознавания типа горной породы, ее технического состояния, наличия рудной зоны и величины полезного компонента содержащегося в руде.
Таким образом, детерминируя пустые горные породы, вмещающие горные породы, и цементный камень при бурении скважин и шпуров можно интерактивно в процессе при обработке полученных данных построить и анализировать модель рудного массива с целью повышения качества руды. Полученная информация будет использована при настройке логистической системы доставки руды в пункты отгрузки.
Эффективность предлагаемого способа определения прочности горных пород и устройства для его реализации достигается за счет повышения точности определения прочности горных пород, что позволит детерминировать границы залегания полезных ископаемых в процессе бурения и уменьшить затраты на перевозку руды, так как пустая порода будет отсеиваться непосредственно на руднике.
Claims (12)
1. Способ определения прочности горных пород в процессе ударно-вращательного бурения, включающий воздействие на горную породу разрушающей нагрузкой и фиксацию показателя прочности горной породы, отличающийся тем, что фиксируют величину продольной упругой деформации сжатия бурильной колонны в момент нанесения удара по забою, которую определяют согласно уравнению
Данная величина обратно пропорциональна прочности горной породы, где 
m - масса ударного инструмента, кг;
ν0 - скорость в момент соударения инструмента с породой, м/с
δ - деформация породы, м.
F - площадь поперечного сечения колонны, м2;
Е - модуль упругости стали, Па
Δуп - упругая деформация горной породы;
Δпп - пластическая деформация горной породы.
2. Устройство для определения прочности горных пород, включающее буровой агрегат для ударно-вращательного бурения, буровую колонну, долото, измерительный блок, отличающееся тем, что буровая колонна оснащена соосно установленным в приустьевой зоне буровой колонны датчиком, фиксирующим и передающим упругие деформации сжатия бурильной колонны в момент нанесения удара по забою на приемное устройство, взаимосвязанное с лазерным дальномером, измерительным блоком и компьютером.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019131270A RU2716631C1 (ru) | 2019-10-02 | 2019-10-02 | Способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019131270A RU2716631C1 (ru) | 2019-10-02 | 2019-10-02 | Способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2716631C1 true RU2716631C1 (ru) | 2020-03-13 |
Family
ID=69898212
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019131270A RU2716631C1 (ru) | 2019-10-02 | 2019-10-02 | Способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2716631C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117290928A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-12-26 | 西南交通大学 | 基于随钻参数的隧道围岩力学参数的反演方法及装置 |
| CN118329751A (zh) * | 2024-06-13 | 2024-07-12 | 中国矿业大学(北京) | 岩石强度测定方法、装置及电子设备 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6353799B1 (en) * | 1999-02-24 | 2002-03-05 | Baker Hughes Incorporated | Method and apparatus for determining potential interfacial severity for a formation |
| RU2276344C1 (ru) * | 2004-11-10 | 2006-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский Государственный Технический Университет (Новочеркасский Политехнический Институт) | Способ определения предела длительной прочности горных пород |
| RU2539089C1 (ru) * | 2013-10-11 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Способ и система автоматизированного определения и регистрации твердости горной породы забоя в процессе бурения скважины |
| CN106321093A (zh) * | 2016-09-28 | 2017-01-11 | 中国科学院力学研究所 | 一种利用随钻监测技术测试岩体强度的方法与装置 |
| RU2657277C2 (ru) * | 2013-10-18 | 2018-06-09 | Бейкер Хьюз Инкорпорейтед | Прогнозирование буримости исходя из электромагнитного излучения, испускаемого в ходе буровых работ |
-
2019
- 2019-10-02 RU RU2019131270A patent/RU2716631C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6353799B1 (en) * | 1999-02-24 | 2002-03-05 | Baker Hughes Incorporated | Method and apparatus for determining potential interfacial severity for a formation |
| RU2276344C1 (ru) * | 2004-11-10 | 2006-05-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский Государственный Технический Университет (Новочеркасский Политехнический Институт) | Способ определения предела длительной прочности горных пород |
| RU2539089C1 (ru) * | 2013-10-11 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" | Способ и система автоматизированного определения и регистрации твердости горной породы забоя в процессе бурения скважины |
| RU2657277C2 (ru) * | 2013-10-18 | 2018-06-09 | Бейкер Хьюз Инкорпорейтед | Прогнозирование буримости исходя из электромагнитного излучения, испускаемого в ходе буровых работ |
| CN106321093A (zh) * | 2016-09-28 | 2017-01-11 | 中国科学院力学研究所 | 一种利用随钻监测技术测试岩体强度的方法与装置 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117290928A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-12-26 | 西南交通大学 | 基于随钻参数的隧道围岩力学参数的反演方法及装置 |
| CN118329751A (zh) * | 2024-06-13 | 2024-07-12 | 中国矿业大学(北京) | 岩石强度测定方法、装置及电子设备 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kahraman et al. | Dominant rock properties affecting the penetration rate of percussive drills | |
| Coon et al. | Predicting in situ modulus of deformation using rock quality indexes | |
| AU2002335137B2 (en) | Use of cutting velocities for real time pore pressure and fracture gradient prediction | |
| CN104989389B (zh) | 一种煤体强度分布特征连续探测方法及装置 | |
| Kelessidis | Rock drillability prediction from in situ determined unconfined compressive strength of rock | |
| CN102656437A (zh) | Pdc、pcbn或其他硬质或超硬材料的声发射韧性测试 | |
| RU2716631C1 (ru) | Способ определения прочности горных пород и устройство для его реализации | |
| CN1950720B (zh) | 一种地层地震勘测方法 | |
| Matthews et al. | The use of field geophysical techniques to determine geotechnical stiffness parameters | |
| Li et al. | Survey of measurement-while-drilling technology for small-diameter drilling machines | |
| US5774418A (en) | Method for on-line acoustic logging in a borehole | |
| WO2020223073A4 (en) | At-bit sensing of rock lithology | |
| Van Hung et al. | Penetration rate prediction for percussive drilling with rotary in very hard rock | |
| JPH08144682A (ja) | トンネル地山探査システム | |
| JP6018977B2 (ja) | 岩盤の評価方法 | |
| Hashiba et al. | Modeling of force-penetration curves for a button bit during impact penetration into rock | |
| Lo et al. | MEASUREMENT OF UNKNOWN BRIDGE FOUNDATION DEPTH BY PARALLEL SEISMIC METHOD. | |
| Chan | A laboratory investigation of shear wave velocity in stabilised soft soils. | |
| Bar-Cohen et al. | An ultrasonic sampler and sensor platform for in situ astrobiological exploration | |
| Onederra et al. | An alternative approach to determine the Holmberg-Persson constants for modelling near field peak particle velocity attenuation | |
| Biały et al. | Diagnostic methods and ways of testing the workability of coal-a review | |
| Thakur et al. | An investigation into the effect of rock properties on drill bit life | |
| Branscombe | Investigation of Vibration Related Signals for Monitoring of Large Open‐Pit Rotary Electric Blasthole Drills | |
| Nikolenko et al. | Effect of discontinuities on elastic wave velocities in high-stress rock samples: Experimental research using ultrasonic interferometry | |
| CN111577268B (zh) | 一种利用钻具振动参数判断岩石岩性的方法 |