Основные свойства горных пород
Геологоразведочные скважины бурят в самых разнообразных геологических условиях. Поэтому и способ разрушения горных пород, тип породоразрушающего инструмента, режим его работы, крепление стенок скважины выбирают в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород, которые определяются комплексом геологических признаков (минералогическим составом, структурой и текстурой) и зависят от свойств основного минерального вещества, размера зерен, минерального цемента, пустотности, трещиноватости и др. Наиболее существенно на процесс бурения влияют следующие свойства пород:
| • прочность, | • хрупкость, | • водопроницаемость, |
| • твердость, | • абразивность, | • трещиноватость, |
| • упругость, | • устойчивость, | • слоистость, |
| • пластичность, | • пустотность, | • плотность, |
| • анизотропность. |
Прочностью называется способность горных пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, растяжении и других видах деформации. Прочность горных пород зависит от многих факторов и колеблется в широких пределах.
Испытание на прочность при сжатии проводится в лабораторных условиях на гидропрессах с определением сжимающего усилия в момент разрушения образцов горной породы, изготовленных в виде куба с ребром 5 см или цилиндров диаметром и высотой 5 см.
Для определения прочности горных пород на скалывание изготавливают пластинку из породы поперечным сечением 30×15 мм и длиной 120–150 мм помещают в прибор между ножами, на один из которых действует гидравлический пресс.
Временное сопротивление горной породы растяжению определяют на образце горной породы в форме прямоугольной призмы длиной 80 мм, шириной 20 мм и толщиной 10 мм на гидропрессе, имеющем специальное приспособление.
Прочность горных пород на скалывание и растяжение значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при сжатии за 1,0, то предел прочности ее на скалывание равен 0,2–0,08, а на растяжение 0,07–0,04. Поэтому горные породы легче разрушать скалыванием, чем смятием или раздавливанием.
Сопротивление горных пород разрушению при динамических нагрузках существенно отличается от сопротивления при статическом воздействии. В связи с этим при выборе способов бурения предпочтение следует отдавать таким, при которых преобладает динамическое воздействие на породу. Динамическая прочность горных пород определяется несколькими способами: ударом на изгиб, толчением и дроблением, определением ударной вязкости. Испытание ударом на изгиб проводят на маятниковом копре Шоппера. Обычно породы, обладающие высокой твердостью, имеют сравнительно невысокую ударную вязкость. Эту зависимость необходимо учитывать при определении рациональной области применения различных способов бурения.
По коэффициенту динамической прочности Fд горные породы делят на шесть групп; к горным породам одной группы по динамической прочности могут относиться породы с различной прочностью на статическое сжатие.
Твердость есть свойство тела оказывать противодействие проникновению в него другого тела – сопротивление горной породы вдавливанию в нее другого, более твердого тела. Бурение сопровождается внедрением в породу рабочих элементов породоразрушающего инструмента, поэтому твердость существенно влияет на скорость бурения.
Существуют различные методы оценки твердости горных пород: вдавливание в породу наконечников, царапание породы; метод фиксации затухания колебаний маятника, на конце которого укреплена игла, царапающая шлифованную поверхность образца; истирание или резание породы. В геологии большое распространение имеет шкала твердости минералов Мооса, по которой условную твердость минералов определяют методом царапания; по этой шкале твердость характеризуется отвлеченным числом (номером). Для практических целей важно знать не условную или относительную твердость горной породы, а абсолютную твердость, измеряемую, как правило, в МН/м2 (кгс/см2).
В настоящее время механические свойства горных пород определяются методом, предложенным Л. А. Шрейнером. По этому методу твердость горных пород определяют путем вдавливания в шлифованную поверхность образца породы штампа с гладким торцом (пуансона) площадью 1×2 мм (для твердых пород) и 5×2 мм (для пород малой твердости)
с замером нагрузок, деформации до разрушения, параметров зоны разрушения и в вычислением показателей механических свойств.
На рис. 2.1 приведены типовые диаграммы разрушения горных пород, полученные на приборе УМГП-3. По диаграмме деформации горных пород определяются также их упругость, пластичность, хрупкость.
Упругость – свойство горных пород изменять свою форму и объем под действием внешней нагрузки и восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействия.
Хрупкость – свойство горных пород разрушаться без заметной пластической деформации.
Пластичность – свойство горных пород необратимо деформироваться от действия внешних сил или внутренних напряжений, т. е. претерпевать пластическую (остаточную) деформацию без нарушения сплошности материала.
Диаграмма, показанная на рис. 2.1, а, получена при испытаниях хрупких пород (гранита, кварцита). Участок OD характеризует упругую деформацию породы. На диаграмме рис. 2.1, б участок ОА соответствует упругой деформации, АВ – пластической. В точке В наступает хрупкая деформация.
Абразивность – способность горной породы изнашивать при трении разрушающий ее инструмент. При бурении абразивных горных пород за счет износа инструмента сокращается время его работы на забое. Абразивность в значительной степени зависит от твердости породообразующих минералов: повышенной абразивностью обладают породы, состоящие из зерен очень твердых минералов, связанных менее твердым цементом. Для оценки абразивности предложены различные методы, в основу которых принят один принцип – истирание эталонного предмета. На практике обычно применяют метод и прибор для определения абразивности пород по износу свинцовых шариков.
Пустотность (пористость), характеризуемая наличием в горной породе пустот, усложняет процесс бурения; пустоты могут образовываться и за счет растрескивания породы.
Трещиноватость горных пород также влияет на процесс бурения; наиболее существенно она снижает эффективность алмазного бурения.
Устойчивость – способность пород сохранять первоначальное положение при вскрытии их в массиве и не обрушаться со стенок скважины без дополнительного их крепления. В неустойчивых породах требуется закреплять скважину и принимать меры по сохранению разрушающегося керна; устойчивость зависит от характера связей в горной породе.
Водопроницаемость горных пород зависит от размера и характера пор и трещин, влияет на потери промывочной жидкости в скважине.
Плотность горных пород определяет условия транспортирования разрушенной породы на поверхность.
При определении физико-механических свойств горных пород необходимо помнить об анизотропности пород, т. е. различии значений свойств в зависимости от направления воздействия на образец.
Слоистость, сланцеватость также создают анизотропию свойств горных пород. Механические свойства многих горных пород связаны с их текстурой. Для осадочных пород характерна слоистая текстура, для метаморфических – сланцеватая, причем значения свойств породы в направлении, параллельном плоскостям напластования или сланцеватости, отличны от значений тех же свойств в перпендикулярном направлении (анизотропия). Магматические горные породы также могут быть анизотропными по механическим свойствам, если имеют текстуру, характеризующуюся ориентированным расположением кристаллов породообразующих минералов. Анизотропные горные породы при пересечении их скважиной под углом к плоскости напластования или сланцеватости (т. е. к плоскости наименьшего сопротивления породы разрушению при бурении) разрушаются на забое неравномерно, что приводит к искривлению скважины.
Совокупность физико-механических свойств горных пород определяет их буримость, т. е. способность горных пород сопротивляться проникновению в них породоразрушающего инструмента. Буримость горной породы характеризуется механической скоростью бурения – значением углубления скважины за единицу времени. Этот показатель очень важен, так как по буримости пород планируются и нормируются буровые работы.
2.3. Классификации горных пород по буримости
и физико-механическим свойствам
Чтобы технологически грамотно осуществлять процесс бурения, т. е. бурить быстро и дешево, необходимо знать основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения, (упругие и пластические свойства, прочность, твердость и абразивную способность). К сожалению, из-за сложности методики и трудоемкости исследований, отсутствия надлежащих лабораторных баз и по другим причинам в большинстве случаев при бурении скважин таких данных нет. Поэтому в практических условиях для характеристики разбуривания горных пород пользуются обобщенным показателем – буримостью. При этом под буримостью горных пород понимают степень их сопротивляемости разбуриванию. В настоящее время существуют два направления в классификации горных пород по буримости.
Одно направление при построении классификации базируется на технологических производственных показателях (в этом случае за единицу измерения буримости принимают либо величину проходки, либо скорость бурения, полученные при бурении в тех или иных породах при определенных условиях), другое – на механических свойствах горных пород.
В основу большинства классификаций горных пород по буримости положена зависимость фактической буримости пород от их петрографической характеристики, определенная путем большого числа фотохронометражных наблюдений. Разработаны и применяются при проектировании и нормировании буровых работ следующие классификации, учитывающие способ бурения:
1) для вращательного механического бурения – с двенадцатью категориями пород по буримости;
2) для вращательного бурения шнеками – с шестью категориями пород по буримости;
3) для ударного механического бурения (исключая разведку россыпных месторождений) – с семью категориями пород по буримости;
4) для ударного механического бурения при разведке россыпных месторождений – с шестью категориями пород по буримости;
5) для ручного ударно-вращательного бурения – с шестью категориями пород по буримости.
В табл. 2.1 приведены выраженная через механическую скорость примерная буримость горных пород и примерная твердость по штампу.
После осмотра и описания извлеченного из скважины керна породу относят к той или иной категории в соответствии с классификацией. Для облегчения и контроля определения горной породы и отнесения ее к соответствующей категории на месторождениях составляют эталонные коллекции пород различной буримости. Буримость зависит не только от физико-механических свойств горных пород, но и от способа бурения, типа и качества породоразрушающего инструмента, глубины скважины и режимов бурения.
По мере совершенствования буровой техники и технологии бурения показатели буримости одних и тех же пород могут изменяться. В связи
с этим нормативы на бурение, отражающие достигнутый уровень техники и технологии, необходимо постоянно корректировать.
Наиболее универсальный способ бурения – вращательный с применением породоразрушающих инструментов, армированных твердыми сплавами и алмазами. Область применения вращательного бурения твердыми сплавами ограничивается практически бескварцевыми породами малой и средней твердости и абразивности (I–VIII категории по буримости). В частности, ребристые коронки, пикобуры, долота лопастного типа, армированные резцами с заданным углом приострения, а также шарошечные долота типа М целесообразно применять при бурении пород небольшой твердости и абразивности.
Горные породы умеренной твердости и абразивности целесообразно бурить тонкостенными коронками, армированными резцами с заданным углом приострения, а также долотами уступообразной формы. Самозатачивающиеся коронки можно применять для бурения пород средней твердости и абразивности.
При ударно-вращательном бурении область использования твердых сплавов значительно увеличивается. Этот способ бурения осуществляется гидро- и пневмоударниками, а также шарошечными долотами вращательно-ударного действия. Он распространяется на все группы пород по твер дости и абразивности (V–XII категории по буримости), имеющие умеренную механическую прочность. При бурении весьма прочных горных пород эффективность применения указанных видов технических средств
снижается, тем не менее их использование весьма желательно, особенно шарошечных долот типа К, при высоких осевых нагрузках и пневмоударников, имеющих высокую энергию единичных ударов.
Область применения алмазного бурения охватывает породы от умеренно твердых и абразивных до весьма твердых и абразивных. Однослойные алмазные коронки эффективнее применять, начиная с пород средней твердости и абразивности и кончая твердыми и абразивными породами, а импрегнированные – в более твердых и абразивных породах, включая весьма твердые и абразивные.
2.4. Основные закономерности
разрушения горных пород
Основным видом деформационного процесса, под действием которого породы в процессе бурения разрушаются, является вдавливание. Рассмотрим явления, происходящие в породе при действии на нее постепенно возрастающей местной нагрузки, передающейся через штамп. Первоначально порода уплотняется в непосредственной близости от площади контакта. Затем, когда нагрузка достигает некоторого критического значения, в породе образуется конусообразная трещина, вершина которой обращена к вдавливаемому телу. При дальнейшем увеличении нагрузки трещина продолжает развиваться в глубину; при этом образуется система хаотически расположенных трещин, порода в вершине конуса раздавливается в порошок, передающий давление во все стороны.
Под влиянием этого давления порода продолжает разрушаться до образования лунки. Описанный процесс внедрения штампа составляет один полный цикл разрушения. При дальнейшем нагружеиии штампа процесс во всех трех фазах повторяется. Такая цикличность разрушения свойственна хрупким, прочным горным породам. В хрупких, но менее прочных горных породах разрушение также носит цикличный, но менее скачкообразный характер.
Разрушение малопрочных пород носит плавный характер. Рассмотрим действие динамического вдавливания (ударов) на породу. Исследованиями установлено, что в результате ударов горные породы могут разрушаться при напряжениях меньше критических, соответствующих пределу прочности. Сам механизм разрушения аналогичен описанному выше. Число ударов по одному и тому же месту может быть значительным. С увеличением силы удара число их уменьшается, и при некотором значении силы разрушение наступает после первого же удара. Таким образом, горная порода может разрушаться при действии как статических, так и динамических нагрузок. Сила удара в процессе динамического разрушения зависит от величины нагрузки и скорости ее приложения. Эффект разрушения в значительной мере зависит от формы твердого тела, которым разрушают горную породу. Все эти и некоторые другие факторы оказывают влияние на объемную работу разрушения.
3. 
способы бурения.
бурение глубоких скважин