Аналіз наукових публікацій

РОЗДІЛ 1 ІНФОРМАЦІЙНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

1.1.1 Різновиди буріння[4]

Колонкове буріння – буріння, при якому руйнування породи здійснюється по периферійній частині вибою, із збереженням колонки породи (керна). Дослідження керна дає характеристику порід. Застосовується в породах будь-якої твердості при бурінні на нафту і газ, пошуках і розвідці родовищ твердих корисних копалин, геологознімальних і картувальних роботах, гідрогеологічних, інженерно-геологічних і геохімічних дослідженнях. При колонковому бурінні очищення вибою здійснюється за допомогою бурового насоса або компресора шляхом нагнітання через колону бурильних труб води, глинистого розчину, емульсії, полімерних рідин, піни, керованого розчину або стисненого повітря. Керн зі свердловини витягується шляхом підйому колони бурильних труб, знімними керноприймачами або шляхом безперервного транспортування керна через колону труб зворотним потоком промивної рідини в процесі буріння. Діаметри колонок, що застосовуються для геологорозвідувального буріння 36 – 151мм, для експлуатації родовищ нафти та газу до 305 мм. Максимальна глибина колонкового буріння досягнута при бурінні Кольської надглибокої свердловини (понад 12 км). У залежності від твердості і абразивності гірських порід для буріння використовують бурові колонки і бурові долота.

Гідромеханічне буріння – спосіб обертового буріння свердловин, при якому гірська порода руйнується під впливом стаціонарних високонапірних струменів промислової рідини (води або бурового розчину) і механічних породо-руйнуючих елементів. Перші експерименти з цієї технології проведені вітчизняним вченим А.П. Островським (1938). Тиск рідини необхідний для гідромеханічного буріння пухких слабко цементованих гірських порід – 20-50 МПа, м’яких і середніх – 70-110 МПа, міцних – 110 МПа. Раціональні окружні

швидкості переміщення насадок 10-40 см/с, осьові навантаження на породоруйнуючий інструмент 1-2 кН на 1 см діаметра інструмента. При гідромеханічному бурінні (тиск до 100-140 МПа) досягнуте перевищення в 2-4 рази швидкості роторного буріння в аналогічних геологічних умовах.

Обертальне буріння – спосіб буріння свердловин шляхом руйнування гірських порід за рахунок обертання притиснутого до вибою породоруйнуючого інструмента (долота, бурової коронки). Основні різновиди обертального буріння – роторне (обертання передається інструменту через бурильну колону ротором, встановленим у буровій вежі), турбінне (обертання інструмента двигуном-турбобуром безпосередньо у вибої), роторно-турбінне (обертання інструмента турбобуром, встановленим у вибійному агрегаті, що обертається через колону ротором), реактивно турбінне (обертання інструмента турбобуром, агрегат обертається від реактивних моментів), електробуріння (обертання інструмента електромотором безпосередньо у вибої), буріння об’ємним двигуном (обертання інструмента гвинтовим гідравлічним двигуном у вибої). Обертальне буріння неглибоких свердловин здійснюється шляхом передачі обертового моменту через штангу від бурового станка до породоруйнуючого інструмента шарошкового або лопатевого типу. Обертання бурового інструмента в комбінації з ударом застосовують наприклад при обертально-ударному та ударно-обертальному бурінні. У залежності від глибини буріння потужність бурових установок, що використовуються для обертального буріння складає від декількох десятків кВт до декількох тисяч кВт. Обертальне буріння – основний спосіб спорудження свердловин.

Ударне буріння – спосіб буріння, при якому руйнування породи здійснюється під дією ударів падаючого на вибій свердловини бурового снаряда або ударів по снаряду, який стоїть у вибої. Використовується в основному у м’яких і пухких відкладах з уламковими включеннями, а також скельних породах до глибини 100 і більше метрів. Руйнування порід носить характер дроблення, роздавлення і розпушення. Буріння здійснюється суцільним або кільцевим вибоєм.

1.1.2Магнітострикційний та п’єзоефект[5]

Магнітострикція представляє собою явище спотворення зовнішньої форми магнетика при його намагнічуванні. Пов’язана з таким спотворенням відносна деформація зазвичай дуже мала – по порядку величини вона складає 10⁵ 10⁶, тому виявити її можна лише точними вимірами. Однак не дивлячись на таку незначну зміну розмірів за рахунок магнітострикції, це явище виявляється суттєвим при розгляді доменної структури і механізму намагнічування; крім того, воно має багато практичних застосувань.

Якщо намагнічувати феромагнетик, поступово збільшуючи магнітне поле від нуля, то відносна зміна довжини зросте з ростом напруженості поля, як показано на рис. 1.1, і при певному значенні поля досягається насичення.

Рисунок 1.1- Зміна довжини феромагнетика при збільшенні магнітного поля.

Величину в стані насичення зазвичай позначають через λ. Зміна зовнішньої форми при зміні намагніченості відбувається таким чином, що в кожному окремому домені напрямок спонтанної намагніченості стає головною віссю, визначаючою внутрідоменну деформацію кристала. Якщо за допомогою зовнішнього магнітного поля встановити по всьому об’ємі загальний напрямок намагніченості, то оскільки при повороті намагніченості напрям деформації кожного домену міняється, змінюється і зовнішня форма зразка в цілому (рис.1.2).

а – розмагнічений стан; б – стан насичення.

Рисунок 1.2 – Зміна спонтанної деформації доменів в залежності від магнітного поля.

Щоб розрахувати зміну деформації при повороті намагніченості, розглянемо магнетик, який має сферичну форму (рис 1.3).

Рисунок 1.3 – Зміна довжини вздовж напрямку АВ, складаючого з вектором спонтанної намагніченості кут .

Нехай при відсутності магнітних властивостей цей магнетик являє собою ідеальну кулю з радіусом, рівним одиниці. Вважатимемо що при виникненні спонтанної намагніченості _s куля деформується, і в напрямку _s його радіус збільшиться на малу величину е. Розглянемо збільшення радіусу в напрямку АВ, складаючому з _s кут . За рахунок розтягання кулі вздовж осі х точка Р, яка є кінцем радіус-вектора ОР, напрямок якого співпадає з АВ, переміститься на величину РР^’ =е cos , і для величини в цьому напрямку при збільшенні радіуса ОР на РР’’ отримаємо вираз:

= е cos² . (1.1)

Нехай в розмагніченому стані (рис.1.2,а) напрямки намагніченості _s розподілені хаотично. При розрахунку відносного розтягу можна рахувати, що вектор АВ, збільшення якого описується формулою (1.1), набуває всіх можливих напрямків і за цими напрямками проводиться усереднення. А саме:

, (t=cos ). (1.2)

Для стану насичення (рис.1.2,б) отримаємо:

=е. (1.3)

Відповідно, відносна зміна довжини при переході із розмагнічую чого стану в стан насичення складає:

λ = - = (1.4)

Таким чином, спонтанний відносний розтяг всередині домена можна записати в вигляді:

е= . (1.5)

В наступні формули часто буде входити величина . Числовий коефіцієнт 3/2 виникає через те, що в визначенні величини фігурує відносний розтяг в розмагніченому стані. Вище припускалося, що при спонтанному відносному розтягу спонтанна намагніченість _s не залежить від напрямку в кристалі. Таку магнітострикцію називають ізотропною.

П’єзоефект – виникнення електричних зарядів (п’єзоелектрики) на гранях деяких кристалів при їх деформації (напруженні), або навпаки – виникнення деформації (напруження) цих кристалів внаслідок дії електричного поля.

Перші дослідження п’єзоефекту виконані П. Кюрі (1880) на кристалі кварцу. П’єзоефект властивий понад 1500 речовинам. Спостерігається у всіх сегнетоелектриків і у багатьох піроелектриків. На відміну від електрострикції, п’єзоефект залежить від напрямку силових ліній поля, тому дія на площину кристалу перемінних електричних полів приводить до його вібрації. Найбільш значна амплітуда коливань кристалу має місце у випадку, коли частота коливань поля відповідає резонансній частоті коливань кристалу.

Ступінь поляризації кристалу при п’єзоефекті прямо пропорційний механічному напруженню. Коефіцієнт пропорційності між ними називається п’єзоелектричним модулем. Для характеристики п’єзоефекту використовують відношення п’єзомодуля порід до п’єзомодуля монокристалу кварцу. Найбільший п’єзоефект має жильний кварц (10% від модуля монокристалу), п’єзомодуль кварцитів – 1% від модуля монокристалу, гнейсів і гранітів – 0,2-0,5 %.