Technika a technologie hlubinného vrtání

Rozpojitelnost hornin při vrtání

Rozpojitelnost hornin při vrtání> patří mezi tzv. technologické vlastnosti hornin. Tyto vlastnosti představují projev hornin při jejich uvolňování, rozpojování a opracování různými technologickými způsoby. Rozpojitelnost je vlastně první vlastnost horniny, se kterou se ve vrtné praxi setkáváme, přímo se projevující v technologickém rozpojovacím procesu. Jedná se o složitý souborný projev komplexu fyzikálních a mechanických vlastností hornin.

V rozpojitelnosti hornin se uplatňují především ty vlastnosti provrtávaných hornin, které bezprostředně ovlivňují vlastní proces vrtání a které se v průběhu hloubení vrtu mění v závislosti na geologickém profilu zájmové oblasti. Patří sem především:

a) technologické vlastnosti hornin:

• tvrdost,
• abrazivnost,
• rozpojitelnost (vrtatelnost a řezný odpor hornin);

b) mechanické vlastnosti hornin:

• pevnostní vlastnosti hornin (pevnosti tlakové – redukovaná pevnost vtlačná, pevnost v prostém tlaku, pevnosti tečné – smyková a střižná pevnost),
• přetvárné vlastnosti hornin (moduly pružnosti hornin, energetická bilance hornin).

1 Způsob práce pracovních orgánů vrtacích nástrojů

Rozumíme-li pod rozpojitelností (vrtatelností) hornin při vrtání jejich schopnost (souhrn vlastností) klást odpor proti rozpojovacímu účinku pracovních orgánů vrtacích nástrojů, pak je patrné, že při rozpojovacím procesu jde o vytvoření takových poměrů mezi nástrojem a horninou, kdy je dosaženo mezného stavu napjatosti za konkrétních úložních a provozně-technologických podmínek ve vrtu. To znamená, že pro úspěšné definování rozpojitelnosti hornin při vrtání, jako objektivní vlastnosti samotné horniny, je nutno řádně objasnit kontaktní úlohu hornina – nástroj, kdy ve vztahu k nástroji tu předně půjde o postavení tvaru, kvality kontaktu a způsobu práce jeho pracovních orgánů a ve vztahu k hornině tu půjde o vymezení podmínek vzniku mezného stavu v hornině a osvětlení mechanismu jejího rozpojení s poukazem na ty vlastnosti horniny a ty vlivy, které tento proces profilujícím způsobem modulují.

Přes veškerou rozmanitost vrtacích nástrojů je zřejmé, že pro tvorbu jejich pracovních orgánů, bezprostředně zúčastněných v rozpojovacím procesu, se aplikují poměrně úzce vymezené tvary těchto pracovních orgánů. Jsou to tyto základní tvary těles pracovních orgánů:

• klínovitý (nesymetrický a symetrický klín),
• válcovitý (válcový roubík a vícehranný hranol),
• kulovitý (kulička, oválný diamant, kulovitý roubík).

Pracovní orgány vrtacích nástrojů při práci konají různé pracovní úkony podle toho, v jakém kinematickém poměru jsou jednak ve vztahu k samotnému nástroji a jednak ve vztahu k počvě vrtu.

Všechny vrtací nástroje mají základní pohyb postupný ve směru hloubení vrtu. U některých způsobů práce je tento pohyb plynulý a u některých přerušovaný. K tomuto základnímu pohybu přistupuje pracovní pohyb, který zpravidla charakterizuje způsob práce nástroje. Tak to může být:

• pracovní pohyb otáčivý s rovinou rotace kolmou na podélnou osu vrtu, v jejímž směru se koná základní pohyb postupný, a který v tomto případě je také plynulý,
• pracovní pohyb postupný – střídavý, konaný ve stejném směru jako pohyb základní, který je v tomto případě přerušovaný,
• pracovní pohyb kombinovaný, vzniklý současným konáním obou předchozích pracovních pohybů.

Optimální použití základních tvarů pracovních orgánů vrtacích nástrojů lze vymezit takto:

Váleček – roubík je nejvýhodněji použitelný u nástrojů pro rozpojování středně pevných hornin, kde lze vyvozovat potřebnou osovou sílu pro dosažení mezného stavu v hornině a přitom využít kladu největší velikosti rozpojeného objemu a stálosti kontaktních poměrů.

Klín je nejvýhodněji použitelný u nástrojů pro odvrtávání hornin velmi pevných, kde při omezené osové síle lze dosáhnout snadněji mezného stavu, avšak za podmínky, že tyto horniny jsou, pokud možno, poměrně neabrazivní. Zde je nutno podotknout, že při volbě těchto nástrojů je třeba přihlížet s ohledem na uplatňovaný mechanismus rozpojování k rozteči opakovaného působení klínu v souladu se štěpnou roztečí horniny.

Kulička je nejvýhodněji použitelná u nástrojů pro odvrtávání hornin velmi pevných a abrazivních, kdy při omezené osové síle poměrně snadněji lze dosáhnout mezného stavu a využívá se výhody stálosti kontaktních vztahů. Stálost těchto vztahů je dána buď tím, že kulička se po počvě vrtu odvaluje nebo je s horninou v časově omezeném kontaktu bez skluzu, nebo při skluzu vysokou abrazivní odolností samotné kuličky – pracovního orgánu (diamant). Tento tvar víceméně spojuje výhody obou předchozích tvarů pracovních orgánů vrtacích nástrojů.

V případě, kdy na horninu působí současně vedle sebe několik pracovních orgánů, bude obraz napjatosti od jednotlivých pracovních orgánů obdobný jako v předchozím případě, avšak celkový obraz napjatosti takto vyvolávané bude závislý od rozteče rozmístění těchto orgánů ve vztahu k velikosti oblasti napjatosti. Bude-li se rozteč orgánů zmenšovat, pak lze dosáhnout doteku oblasti napjatosti v hornině, až jejího překrytí. Tato skutečnost může vést nakonec k vytvoření mezné vrstvy v určité hloubce v hornině pod kontaktem s pracovními orgány nástroje, a tedy i k objemovému porušení soudržnosti horniny v rozsahu podstatně větším, než by odpovídalo velikosti oblasti napjatosti od jednotlivých kontaktů.

2 Vyjádření rozpojitelnosti horniny při vrtání

Rozpojitelnost horniny je její projev v rozpojovacím procesu a je dána jejími vlastnostmi a objektivními ovlivňujícími činiteli. Zatím co rozpojovací proces, tj. vlastní rozpojování, zahrnuje v sobě jak projev horniny, tak i vliv druhu pracovního nástroje a způsobu práce tímto nástrojem.

Projev horniny v rozpojovacím procesu je charakterizován:

• odporem horniny proti jejímu rozpojení – rozpojitelnost horniny, obrácená hodnota odporu,
• účinkem horniny na pracovní orgány vrtacího nástroje – abrazivnost horniny.

2.1 Odpor proti rozpojování je určen jednak pevností horniny v daných úložních podmínkách při jednotlivých způsobech a druzích namáhání a jednak fyzikálním stavem horniny, zvláště porušeností, trhlinovatostí a orientací trhlin k hlavním směrům působení nástroje.

Z analýzy způsobu práce pracovních orgánů vrtných nástrojů a mechanismu rozpojení horniny vyplývá, že při hlavním - osovém pohybu nástroje jde u horniny o odpor proti vtláčení, a to u všech druhů nástrojů s mechanickým způsobem rozpojování a při pracovním pohybu jde:

• při řezání a rýpání o odpor proti šikmému sevřenému smyku,
• při odštěpování horniny rovněž o odpor proti šikmému sevřenému smyku, avšak jinak orientovanému než v předchozím případě,
• při vyštěpování horniny o odpor proti vtláčení.

Tzn., že pro rozpojitelnost horniny jsou důležité odpor proti vtláčení (pevnost vtlačná) a odpor proti šikmému sevřenému smyku (pevnost smyková). Vzhledem k jejich rozdílné velikosti a převažujícímu hlavnímu pohynu vrtného nástroje, je pro hodnocení rozpojitelnosti horniny při vrtání z pevnostního hlediska zásadní pevnost vtlačná.

Metodika určování pevnosti vtlačné je svoji podstatou shodná s metodou určování tvrdosti povrchu horniny. Metodiku určování vtlačné pevnosti vypracoval a teoreticky odůvodnil Šrejner. Roubík tvaru válečku se vtláčí na upravenou plochu zkoumané horniny. Podstatou zkoušky je určování tvrdosti povrchu horniny. Vlivem napětí a deformací horniny, které pod roubíkem vznikají, nastává křehké porušení malého objemu pod zkoušeným povrchem. Principem všech mechanických způsobů rozpojování je vtláčení pracovního nástroje do horniny a odštěpování jejích částeček. Podle Šrejnera rozhodující proces při rozpojování je vnikání pracovních elementů vrtného nástroje do horniny. Zdůvodňuje to tím, že bez vnikání elementu do horniny se hornina nemůže odštěpovat. Proces vnikání je z energetického hlediska náročnější než odštěpování, proto základem jeho metody je vtláčení válcového roubíku do horniny.

Při zkoušce se používá roubík s různou čelní plochou podle zrnitosti a pórovitosti hornin. Podíl dosáhnutého přítlaku (vtlačná síla F_p) v okamžiku křehkého porušení a plochy kontaktu roubíku s horninou S je vtlačná pevnost σ_v

Odpor proti rozpojení horniny určován jednak pevnostním a jednak přetvárným projevem (energetickou jímavostí). Přetvárný projev horniny lze vhodně podchytit z jejího deformačního diagramu (obr. 1). Metoda předpokládá, že přímková část deformačního odpovídá oblasti pružných přetvoření a samotná pružná přetvoření pokračují až do meze pevnosti, což je prakticky vyjádřeno prodloužením části deformačního diagramu (podle obr. 1) do bodu D. Potom „práce pružných přetvoření do porušení“ je vyjádřena plochou trojúhelníku ODE

a „celková deformační práce“ plochou OABC

Poměrem obou prací je vyjádřena plastičnost horniny jako koeficient poměrné plasticity (resp. poměrná energetická jímavost horniny):

Pro vyjádření rozpojitelnosti hornin při vrtání pak zavádí autor metody komplexní parametr, označovaný jako redukovaná pevnost vtlačná a vyjádřený součinem pevnosti vtlačné a koeficientu poměrné plasticity

Pro lepší srovnatelnost upravil Voropinov vztah pro redukovanou pevnost vtlačnou do tvaru

Rozdíl v obou výrazech, představovaný odmocninou, je vyjádřením rozdílného chápání energetické spotřeby při rozpojení horniny.

Redukovaná pevnost vtlačná je definovaná jako hodnota pevnosti, kterou by měla táž hornina se stejnou energetickou jímavostí a modulem pružnosti, avšak s reologickým modelem, odpovídajícím pružné látce. Zohledňuje tak skutečný pevnostní a přetvárný projev horniny při jejím rozpojení a je tedy souhrnným pevnostně přetvárným parametrem. Touto redukcí je tedy možno dosáhnout na základě pevnostních zkoušek objektivní srovnatelnosti hornin ve vrtném procesu.

2.2 Abrazivnost horniny. Druhým významným parametrem pro posouzení horniny ve vrtném procesu její abrazivní účinnost. Je to schopnost horniny povrchově opotřebovat pracovní nástroj v procesu vzájemného tření při rozpojování hornin.

Abrazivnost v podstatě představuje účinek povrchových nerovností horniny při relativním pohybu proti druhému tělesu nebo účinek tvrdých částeček na rozpojovací nástroj. Důležitost určení abrazivnosti hornin jako technologické vlastnosti vyplývá ze skutečnosti, že opotřebování nástroje má velký vliv na účinnost rozpojovacího procesu. Rozpojovací pracovní nástroj se při práci intenzivně opotřebuje, tím se mění jeho tvar a rozměry. Při dosáhnutí určité hodnoty opotřebování není nástroj vhodný pro další použití a musí se opravit nebo vyměnit.

Podstatou všech zkoušek abrazivnosti hornin je zjišťování úbytku hmotnosti normalizovaného kovového etalonu při jeho pohybu po povrchu horniny při dohodnutém zatížení, čase a rychlosti. Na základě těchto konkrétních podmínek definoval Štěrba koeficient abrazivity ω_a (mg·min^-1). Obdobnou metodiku používá Vašek k hodnocení abrazívnosti horniny F_v (mg·m^-1).

Rozpojitelnost hornin při vrtání je tedy určována dvěma základními kriterii:

1. odporem horniny proti rozpojení, vyjádřený tzv. redukovanou pevností vtlačnou ơ_red,
2. abrazivností horniny F_v, resp koeficientem abrazivity ω_a.

Objektivní stanovení těchto dvou parametrů dává možnost vypracovat klasifikační systém hornin pro potřeby vrtání.

3 Energetické hodnocení rozpojovacího procesu

Rozpojovací proces zahrnuje projev vlastností horniny, vlastností vrtného nástroje a jeho pracovních orgánů, způsobu práce s tímto nástrojem, tj. tzv. režimových parametrů a také vliv okolního vrtového prostředí. Pro posouzení toho procesu je nutné vybrat takovou metodu, která ho hodnotí jako celek, včetně vlivu všech zúčastněných činitelů a má jednoznačný praktický cíl. Již Pražský stanovil, že největší význam mají z tohoto hlediska energetické metody hodnocení rozpojovacího procesu.

Energetické teorie rozpojování a porušování vycházejí ze základního předpokladu, že energie potřebná na rozpojení W je úměrná objemu tělesa V. Analytickým postupem výše uvedeného předpokladu pak byly odvozeny pro energii rozpojování W a intenzitu energie rozpojování w vztahy:

kde

σ_m – napětí v okamžiku porušení,
E – Youngův modul pružnosti.

Vztah (8) se stal základem tzv. energetické teorie pevnosti, která má v současnosti široké uplatnění v praxi při hodnocení energetické náročnosti procesu rozpojování hornin. Hlavní část energie rozpojování se podle současných interpretací této teorie spotřebuje na tvorbu nových povrchů vznikajících produktů rozpojování anebo na plastické deformace.

Při rozpojování hornin působí na čelbě vrtu soustava vnějších sil vykonávající práci, která se spotřebuje na rozpojování horniny. Základní energetickou veličinou, způsobující rozpojení horniny, je energetický výkon P, který je definovaný jako ta část celkového odebraného výkonu vrtného stroje P_VS, která se zúčastňuje přímo rozpojovacího procesu. Pro praktické výpočty lze použít vztah

kde P_j je jalová část dodávaného výkonu.

Mezi rozpojovacím výkonem P, krouticím momentem M_k při rotačním vrtání hornin platí výraz

Z rozpojovacího výkonu, krouticího momentu, dosažené rychlosti vrtání v a údajů geometrie vrtného nástroje S stanovil Sekula měrnou objemovou práci rozpojování w vztahem

Měrná objemová práce jak rozpojování w je parametr, který je používán pro energetické hodnocení rozpojovacího procesu vrtáním. Je to energie spotřebovaná v procese rozpojování a vztažená na jednotku rozpojeného objemu horniny.

Analýza experimentálních prací provedená Sekulou a kol. v Ústavu geotechniky Slovenskej akademie vied v Košicích, SR (Úgt) umožnila stanovit závěr, že měrná objemová práce rozpojování vykazuje v závislosti na přítlaku (F) a otáčkách vrtného nástroje (n) minimum w_min. Schématické znázornění průběhu těchto závislostí je na obr. 2.8. Je zřejmé, že pro snížení energetické náročnosti rozpojovacího procesu je potřebné zvolit parametry režimu vrtání co nejblíže k parametrům minima měrné objemové práce rozpojování w_min. Měrná objemová práce rozpojení slouží tak také jako optimalizační parametr rozpojovacího procesu.

Pro hodnocení procesu rozpojování hornin vrtáním pomocí energetické metody doporučuje Krúpa hodnotit proces rozpojování z hlediska:

1. maximální rychlosti vrtání v,
2. minimální měrné objemové práce rozpojování w,
3. maximální hodnoty veličiny φ – měrné okamžité rychlosti vrtání, která je podílem rychlosti vrtání a měrné objemové práce rozpojování.

Schematické znázornění průběhu těchto veličin v závislosti na přítlaku na vrtný nástroj F a otáček nástroje n je uveden na obr. 3. S využitím těchto grafů lze proces rozpojování hornin při vrtání hodnotit kvantitativními a kvalitativními ukazateli výstupních veličin (v, w, φ) v závislosti na vstupních režimových veličinách (F, n).