Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Физико-механические свойства — первичные элементарные характеристики особенностей поведения гор­ных пород в процессе бурения. Их носителем является пер­вичная породообразующая ячейка — агрегат минеральных зе­рен. В зависимости от вида минералов (твердые, мягкие, хрупкие, пластичные), входящих в первичную породообра­зующую ячейку, от соотношения их размеров и взаимораспо­ложения, от способа их соединения друг с другом и прочно­сти соединительного цемента, зависят и физико-механичес­кие свойства горной породы.

Физико-механические свойства горных пород выявил опыт — вековая практика показала технологам, что выбор ин­струмента, схемы реализации и параметров режима бурения определяются следующими основными физико-механически — ми свойствами горных пород: прочностью, абразивностью, пластичностью или хрупкостью горной породы.

Прочность — это способность сопротивляться разрушаю­щим силовым воздействиям; измеряется удельной величиной разрушающего усилия.

В зависимости от характера нагрузки — статическая или ударная, динамическая — выделяют статическую и ди­намическую прочность. Практически всегда динами­ческая прочность горных пород значительно (в десятки раз) превышает статическую. Это противоречит распространен­ному мнению о том, что удар всегда эффективнее при разрушении. В данном случае это вводит человека в за­блуждение, так как он не позволяет чувственно воспри­нять значительное (многократное) увеличение нагрузок при ударе.

Прочность, как динамическая, так и статическая, — слиш­ком общая характеристика. На практике используются ее конкретные выражения, различаемые в зависимости от сте­пени концентрации и направления приложения разрушающе­го воздействия.

Временное сопротивление пород разрушению при одноос­ном сжатии асж — важнейший показатель прочности пород, характеризующий способность выдерживать без разрушения сжимающую нагрузку.

Временное сопротивление пород разрыву стр — удельная растягивающая нагрузка, выдерживаемая стандартным об­разцом горной породы.

Временное сопротивление изгибу стиз, сдвигу (скалыванию) стск и кручению акр — характеризуют способность горных по­род сопротивляться соответствующим видам деформаций и измеряются величинами соответствующим образом ориенти­рованных нагрузок, приводящих к разрушению стандартных образцов горных пород.

Дробимость горной породы — в технологии бурения спо­собность горной породы сопротивляться дезинтеграции агре­гатов минеральных зерен при периодической ударной на­грузке — не совсем точно называется динамической прочно­стью Рд и условно оценивается по специальной методике объ­емом порошка (пыли) определенной крупности, образовав­шимся при дроблении стандартной пробы горной породы в стандартных условиях.

Твердость — способность горной породы оказывать сопро­тивление внедрению в ее поверхность инородного тела; при этом измеряется величина удельной нагрузки, обеспечиваю­щей внедрение резца (индентора) на произвольную (некон­тролируемую) глубину в хрупких породах или на заданную стандартную глубину в пластичных породах.

Твердость горных пород в технологии бурения имеет прак­тическое значение как характеристика процесса конкретного взаимодействия резца породоразрушающего инструмента с поверхностью забоя скважины. Поскольку практика исполь­зует резцы различного вида, обладающие разной разрушаю­щей способностью при различных условиях и способах воз­действия на забой (при разных видах бурения), то и характе­ристики твердости горных пород существенно отличаются. Выделяют микротвердость — способность горной породы со­противляться внедрению индентора, имеющего точечную по­верхность контакта. Этот показатель наиболее адекватно ха­рактеризует внедрение в породу остро заточенного игольча­того резца твердосплавной коронки или кристалла алмаза мелкоалмазной буровой коронки.

Твердость по штампу рш — величина усилия внедрения ци­линдрического индентора с плоским основанием, которая наи­более адекватно воспроизводит поведение горной породы при внедрении зуба шарошечного долота. Модифицированная раз­новидность характеристики твердости по штампу рш — показа­тель так называемой контактной прочности, фиксирующий возрастание внедряющего усилия при увеличении площади ос­нования индентора.

Агрегатная твердость характеризует способность горной породы оказывать сопротивление внедрению клина (инден — тора с линейной поверхностью первичного контакта). Вне­дрение широкого клиновидного острозаточенного резца, воз­действующего одновременно на все элементы агрегата мине­ральных зерен, наиболее точно отражает показатель агрегат­ной твердости.

Разнообразие показателей твердости вызвано различными физико-механическими свойствами горных пород, что, в свою очередь, обусловило большое разнообразие породоразрушаю­щих элементов буровых коронок и долот.

Для одних горных пород более показательными являются характеристики микротвердости (из-за особенностей строе­ния и состава агрегата минеральных зерен внедрение штыре­вых или клиновых инденторов в них неэффективно), а для других — твердость по штампу или агрегатная твердость. Все эти особенности учитываются в методиках определения твер­дости.

Прочность горной породы — основное физико-механиче­ское свойство горной породы. Прочность, в общем и це­лом, характеризует уровень необходимого силового воздейст­вия на забой скважины, при котором будут происходить эффективное разрушение горной породы и углубление сква­жины.

Пластичность и ее противоположная характеристика — хрупкость горной породы выражают способность к дефор­мации без нарушения сплошности агрегатов минеральных зерен. Обычно представляется в виде безразмерного коэф­фициента пластичности горной породы КП, фиксирующим отношение общей энергии деформации горной породы при внедрении индентора к энергии, затраченной на упругую де­формацию.

* Для выражения пластичности и хрупкости горных пород в специальных методиках используются также показатели мо­дуля упругости и коэффициента Пуассона, выводимые из за­кона Гука. Показатели пластичности и хрупкости горных по­род в технологии бурения регламентируют предпочтительный характер воздействия породоразрушающих элементов на за­бой: резание, дробление, скалывание.

Помимо прочностных и деформационных характеристик горных пород, регламентирующих интенсивность и характер Необходимбго воздействия на забой скважины, весьма боль­шое значение в технологии вращательного механического бурения имеет показатель абразивности горных пород.

Абразивность — способность горной породы изнашивать породоразрушающий инструмент. Абразивный износ заклю­чается прежде всего в истирании элементов породоразру­шающего инструмента, контактирующего с забоем скважины и частицами разрушенной горной породы, в том числе и со­держащихся в потоке очистного агента. Абразивный износ проявляется в затуплении режущих элементов буровых коро­нок и долот, уменьшении их наружного диаметра, разруше­нии (эрозионном размыве) матриц алмазных коронок и не­сущих лап шарошечных долот.

Абразивность горных пород, так же как и их прочность, не является простой однозначной характеристикой. Абра­зивная способность пород существенно зависит от наличия или отсутствия воды в скважине (в сухом и влажном состоя­нии, при бурении с промывкой жидкостью и при бурении с продувкой воздухом), от монолитного или измельченного состояния породы (т. е. при различных режимах промывки скважины в процессе бурения, при полном и неполном уда­лении шлама разрушенных пород с забоя скважины), от высокой скорости перемещения режущих элементов по забою (при высокой частоте вращения) в сочетании с не­большой осевой нагрузкой, и наоборот, — от значительной осевой нагрузки в сочетании с небольшой частотой враще­ния — у разных горных пород разный характер приложения к забою одного и того же количества механической энер­гии сопровождается различной степенью абразивного из­носа.

Все эти особенности в большей или меньшей степени учи­тываются различными методиками оценки абразивности гор­ных пород. Для разных пород и способов бурения использу­ются различные методы оценки абразивности и разные ее показатели.

В зависимости от абразивности горных пород выбирается вид так называемых истирающих материалов — материалов, используемых для оснащения, армирования или покрытия породоразрушающих элементов буровых коронок и долот, а также регулируется режим промывки скважины (режим очистки забоя скважины от шлама выбуренных горных по­род).

Принципиальная особенность всех физико-механических характеристик горных пород заключается в том, что указан­ные характеристики не являются абсолютными константами, а характеризуют процесс взаимодействия породоразрушаю­щего инструмента и горной породы на забое при бурении.

Это учитывается в методиках определения физико-механиче­ских свойств. Назначение методик состоит в том, чтобы вы­делить комплекс стандартных, однозначно обеспечиваемых и контролируемых в лабораторных условиях факторов, наибо­лее полно выражающих основные особенности реального процесса бурения.

Комментарии запрещены.