Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Пористость пород характеризует суммарный объем пустот (каверн, трещин, пор), содержащихся в горной породе, и выраженный в долях единицы или процентах от общего объема породы.

Коэффициент пористости К„ — отношение объема пор Кпор к об­щему объему породы, выраженное в процентах:

к„ = уК7у 103%» (2Л)

‘пор ск

где Уск — объем твердого скелета породу.

Пористость ослабляет прочность гордых пород. Осадочные породы обладают повышенной пористостью, например; Ц достигает

50—55 %, в известняках — 40—45 %. С увеличение»! Дубины залега­ния пористость пород уменьшается.

17

2—Соловьев

Трещиноватость горных пород главным образом связана с геоди- намическими процессами. Различают открытую и закрытую трещино­ватость. В последнем случае трещина заполнена песчано-глинистым материалом, кальцитом и т. д. Интенсивность трещиноватости опре­деляется размерами трещин и их числом, отнесенных к единице площади.

Гранулометрический состав породы характеризуется количествен­ным содержанием разных по размеру зерен (в % для каждой фрак­ции). Гранулометрический состав породы определяет ее пористость, проницаемость и капиллярные свойства. Ниже приведен грануломет­рический состав обломочных горных пород.

Порода

Валуны…………..

Галька (щебень):

крупная

средняя

мелкая

Гравий:

крупный мелкий.

Размер обломков, мм

500-100

100-50

50-25

25-10

10-5

5-2

Порода

Песок:

крупный средний мелкий. тонкий.

Алеврит Глина.

Размер обломков, мм

2,0-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,05 0,25-0,05 0-0,005

Пористость и трещиноватость горных пород определяют способ­ность пропускать через себя пластовые флюиды (жидкость, газ, ГЖС) под действием градиента давления. Большинство осадочных пород, кроме глин, аргиллитов, каменной соли, проницаемы.

ц/<2

Коэффициент проницаемости Кпр оценивается в м2:

(2.2)

где ц. — динамическая вязкость, Па • с; / — длина образца, м; 0 — объем­ный расход жидкости, Ри Р2 — соответственно давления на входе в об­разец и на выходе, Па; 5— площадь фильтрации.

В практике проницаемость, как правило, измеряется в дарси (Д),

1 м2 = 10’2 Д. Проницаемость нефтяных и газовых коллекторов — от нескольких мД до 3—4 Д.

В гидрогеологии единицей измерения проницаемости считается коэффициент фильтрации АГФ, м/сут. Связь между коэффициентом проницаемости и коэффициентом фильтрации:

і*

(2.3)

где 7Ж — удельный вес жидкости.

Для воды при температуре 26—27 °С значения Кпр и АГФ равны. Значения коэффициента фильтрации для различных коллекторов колеблется в широких пределах.

Горная порода, Кф, м/сут Горная порода, АГФ, м/сут

Песок: Гравий 31—70

пылеватый…………………. 0,5—0,1 Галечник:

мелкозернистый…. 2,0—5 мелкий…………………….. 71—300

среднезернистый . . . 6,0—15 средний………………….. 301—400

крупнозернистый . . . 16,0—30 крупный…………………… 400—500

Известняк трещиноватый 20—60

Плотность — отношение массы т (кг) тела к его объему V (м3), измеряется в кг/м3:

TOC o "1-5" h z р = m/V (2.4)

Удельный вес — отношение веса G (Н) (сила тяжести) к его объ­ему V (м3):

У— G/V. (2.5)

В системе СИ удельный вес выражают в ньютонах на кубический метр (Н/м3):

Y=pg. (2.6)

Плотность горных пород (р) варьирует в пределах от 2200 до 3000 кг/м3, например:

Значения р некоторых пород, км/м3

Алевролит……………………………. 2650—2730

Ангидрид…………………………….. 2300—2400

Гипс……………………………………… 2200-2300

Глинистые сланцы………………… 2800—3000

Глины………………………………….. 2620-2750

Известняк…………………………….. 2700—2740

Пески…………………………………… 2640-2680

Песчаники…………………………….. 2600—2880

Кремень………………………………… 2460—2750

Плотность и удельный вес горной породы существенным образом определяют показатели буримости и горное давление.

Прочность и крепость горных пород, как правило, оценивается по­казателем прочности при разрушении образцов по схеме одноосного сжатия (осж).

Испытания проводят на гидравлических прессах. Образцы гор­ных пород выпиливают строго определенных размеров; поверхности, по которым происходит вертикальное нагружение, шлифуют.

= (2.7)

где /^ — вертикальная нагрузка, при которой происходит разруше­ние образца; S— площадь сечения образца.

Значения осж некоторых пород, МПа

Весьма крепкие и вязкие кварциты…………………………………………………….. 294—490

Крепкие базальты, мелкозернистые граниты………………………………………….. 235

Крепкие граниты, диабазы, диориты……………………………………………………… 216

TOC o "1-5" h z Базальты, порфиры, амфиболиты……………………………………………………………… 196

Гнейсы, сиениты, порфирита……………………………………………………………….. 177

Песчаники, известняки, сланцы……………………………………………………….. 118—137

Мраморы, доломиты, известняки, сидериты……………………………………………….. 98

Известняки, песчаники………………………………………………………………………… 78,5

Гнейсы……………………………………………………………………………………………………. 49

Песчаные сланцы…………………………………………………………………………………….. 39

Каменная соль………………………………………………………………………………….. 20—40

Каменный уголь ……………………………………………………………………………………… 20

Прочность на одноосное сжатие неполно определяет прочностные свойства горных пород, особенно для условий их глубокого залега­ния, когда порода находится в режиме трехстороннего сжатия. Проч­ность горных пород в условиях трехосного сжатия выше, чем проч­ность, определяемая в условиях одноосного сжатия. Это обстоятель­ство необходимо учитывать при проектировании режимов разрушения горных пород и бурении, особенно в глубоких скважинах.

Горные породы значительно легче разрушаются при деформациях изгиба, скалывания и растяжения. Относительная прочность пород к различным видам деформации приведена в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Относительная прочность пород Горные породы Относительная прочность пород при деформации Одноосное сжатие Растяжение Изгиб Скол, сдвиг Известняк 1 0,04-0,10 0,08-0,10 0,09 Песчаник 1 0,02-0,05 0,06-0,2 0,1-0,12 Гранит 1 0,02-0,04 0,08 0,15

Наибольшее сопротивление породы оказывают сжатию. Предел прочности скола или сдвига у большинства скальных пород состав­ляет около 10 % от предела прочности на одноосное сжатие, поэтому в скальных породах целесообразно использовать динамические спо­собы разрушения и соответствующие типы породоразрушающих ин­струментов.

Горное давление (геостатическое) от выше залегающих пород пе­редается не только в вертикальном, но и в горизонтальном направ­

лении

= (2.8)

где — горизонтальная составляющая горного давления; ог — верти­кальное горное давление; £ — коэффициент бокового распора.

В крепких горных породах ^ = 0,9—0,7, в глинистых — = 0,3—0,2, в водонасыщенных песках — £, = 1.

Для упруго-хрупких горных пород имеется теоретическая зави­симость:

§ = ц/1 — IX, (2.9)

где ц — коэффициент Пуассона.

Показатель £, определяет устойчивость горных пород, слагающих стенки скважин, против осыпей и обрушения. М. М. Протодьяконов ввел показатель — коэффициент крепости пород /:

(2.10)

/=ссж/100.

Коэффициент / используется для сравнительной оценки крепости горных пород, сопротивляемости разрушению и для характеристики устойчивости горных пород против их обрушения.

Под крепостью горных пород понимается ее сопротивляемость внешним усилиям при сжатии, сдвиге, изгибе и растяжении. В отличие от прочности, определяемой при различном виде деформации (сжа­тие, растяжение, сдвиг), крепость породы характеризует сопротивля­емость породы под действием комбинации нескольких видов дефор­мации. Для супесей, суглинков и глин /= 1.

Твердость — способность породы сопротивляться вдавливанию в нее другого, более прочного тела (индентора). Твердость характеризует прочность породы на вдавливание и зависит от состава и размеров минеральных зерен, состава цементирующего вещества, пористости, влажности, температуры, горного давления и др.

Параметр твердости достаточно полно характеризует процесс вне­дрения рабочих органов породоразрушающего инструмента в горную породу, вслед за внедрением или одновременно с ним происходит скалывание породы; сколоть породу после внедрения резца или ал­маза легче, поэтому твердость породы при бурении является главным параметром прочности. Твердость определяется на специальной лабо­раторной установке (рис. 2.1); в качестве вдавливающего элемента иепользуется металлический пуансон (штамп).

Цена деления манометра зависит от предельного давления в гид­равлической системе. Например, для предельного давления 6 МПа цена одного деления равна:

Для площади нижнего торца индентора, имеющего площадь Я= 26,4 мм2, цена одного деления манометра в единицах силы (Н) равна:

Р0 = Я,5= 0,02-26,4 = 52,8.

(2.11)

Гидравлический пресс развивает максимальное давление Р, равное:

Р=Р0п

где и —число делений; Р0 — цена одного деления.

Твердость горной породы по методу вдавливания пуансона — пре­дел прочности породы на вдавливание — равна в Па:

(2.12)

где ^пах — нагрузка в момент разрушения породы под пуансоном, Н; площадь сечения пуансона, м2.

Рис. 2.1. Схема установки для определения механических свойств горных пород вдавливанием пуансона: / — манометры образцовые; 2 —стрелочный индикатор; 3 — траверса гидравлического пресса; 4— колонка; 5 —оправа индикатора; 6— упор; 7—пуансон; 8~ образец породы; 9— стол поршня гид­равлического пресса; 10 — манжета; II — цилиндр гидравлического пресса; 12 — стержень направля­ющий; /5—манометр технический; 14 — компенсатор давления; 15— регулировочный кран; 16, 17— впускной и запорный краны соответственно

Между твердостью по штампу и пределом прочности на одноос — ное сжатие имеется устойчивая корреляционная связь, причем опре­деляемая прочность на одноосное сжатие ниже, чем параметр твер­дости. Например, для гранита предел прочности на одноосное сжатие осж = 200 МПа, в то время как твердость Рт = 6000 МПа. Для скальных пород между твердостью и пределом текучести а, установлена сле­дующая зависимость:

от = 0,194/^”. (2.13)

Горные породы по твердости разделены Л. А. Шрейнером на три группы и двенадцать категорий (табл. 2.3).

В I группу вошли высокопластичные и сильнопористые породы (глины, аргиллиты, пористые разновидности алевролитов, суглинков, известняков, песчаников, мел), во II — преимущественно пластично­хрупкие породы (алевролиты, известняки, ангидриты, доломиты, пес­чаники), в III — преимущественно хрупкие, изверженные и метамор-

Таблица 2.3. Твердость горных пород по штампу Группа пород Категория Рш, МПа от, МПа I I <100 <40 Мягкие II 100-250 40-110 III 250-500 110-250 IV 500-1000 250-550 II V 1000-1500 550-850 Средней твердости VI 1500-2000 850-1200 VII 2000-3000 1200-1900 VIII 3000-4000 1900-2500 III IX 4000-5000 2500-3500 Твердые X 5000-6000 3500-4200 XI 6000-7000 4200-5100 XII >7000 >5100

фические породы (кремни, кварциты, граниты, окремнелые известня­ки и доломиты, яшмы, диабазы, сиениты).

Исследования, выполненные Л. А. Шрейнером, показали, что при увеличении площади штампа от 1 до 3 мм2 определяемая прочность уменьшается примерно на 5 %, а для штампа площадью 10 мм2 — на 10—12 %. На основании этого сделан вывод о том, что введение поправки на масштабный фактор при измерении твердости породы необязательно. Вследствие неравномерной структуры, анизотропии и других свойств пород между твердостью Рш и сопротивлением на од­ноосное сжатие осж существует связь:

/>Ш = (5-25)0СЖ. (2.14)

ВНИИБТ предложен метод определения твердости горных пород (керна, шлама) — ТТА. Твердость Т определяется усилием, с которым надо прижать к породе торец игольчатого индентора, чтобы при его сдвигании в породе образовался след шириной не менее диаметра индентора (0,6 мм).

Прибор ТТА-І (рис. 2.2) состоит из двух отдельных динамометров. В нижний торец вертикального динамометра запрессован стальной упор­ный стержень, в качестве индентора используется стальная игла диа­метром 0,6 мм. Вертикальное усилие на пластину передается через пру­жину. Отсчет нагрузки осуществляется по шкале корпуса и фиксатора.

Испытания на твердость производят не менее чем на шести шла- минках 12, которые отбирают из бурового шлама в процессе бурения. По классификации ВНИИБТ все горные породы по показателю твер­дости подразделяются на двенадцать категорий.

Деформационные свойства горных пород — свойства пород изме­нять свою форму под действием внешних нагрузок. Главные дефор­мационные свойства горных пород — упругость и пластичность. Упру­гость и пластичность горных пород изучают на гидравлическом прес­се, для чего дополнительно на упоре с помощью оправы закрепляют

/ — порода; 2 —игольчатый видентер; 3 — направляющая втулка; 4 — стержень стальной; 5, 7—пла­стины упорные; 6— вилка; 8— пружина; Р—фиксатор; 10, 14 — пружинные динамометры; 11 — шламодержатель; 12 — три шламники породы; 13 — стеклянная пластина

прибор — стрелочный индикатор, фиксирующий деформацию породы при вдавливании в нее пуансона (см. рис. 2.1).

В начале опыта стрелку индикатора устанавливают на нуль шкалы путем поворота циферблата. С включением насоса стол и образец под­нимаются вверх, пуансон вдавливается в породу, мерительный стер­жень перемещает стрелку индикатора. Нагрузку на индикатор уве­личивают до момента хрупкого разрушения породы. По результатам опыта строят графики деформации (рис. 2.3).

Приборы УГМП-3 и УГМП-4 позволяют автоматически вычерчивать на бумажной ленте кривую зависимости деформации породы от нагрузки.

Все горные породы, за исключением рыхлых и плывучих, в зави­симости от их деформационных свойств подразделяют на три класса: Упруго-хрупкие породы — гранит, джеспилит, сиенит, кварцит и др. В этих породах происходят только упругие деформации, завершаю­щиеся хрупким разрушением породы под пуансоном. Пуансон вне­дряется на величину 5 под действием осевой нагрузки Ртах после чего происходит хрупкое разрушение породы на глубину /г (рис. 2.4, а). Лунка разрушения существенно больше глубины погружения пуансо­на в породу: И: 5 > 5.

Рис. 2.3. График деформации при вдавливании пуансона: в —для упруго-хрупких пород (кварцит); б —зля упруго-пластичных пород (мрамор); в —для высо­копластичных пород (каменная соль); Р— нагрузка на пуансон; Р0 — нагрузка, соответствующая переходу упругих деформаций в пластические; Ртах — нагрузка, соответствующая хрупкому разруше­нию породы под пуансоном; б — упругая деформация, образовавшаяся под действием силы Р в об­разце породы под пуансоном; йЬ — приращение деформации; 6уп — упругая деформация; — пла­стическая деформация; §п уп —полная упругая деформация с учетом накопления дополнительной упругой энергии в пластической зоне; 5^ = 5уп + 5ПЛ — общая деформация; а — деформационный угол

Пуансон

І і Ч 1 і..

777?-

Зона контакта

Лунки разрушения а б в

Рис. 2.4. Зоны контакта и лунки разрушения при вдавливании пуансона: о — для упруго-хрупких пород; б—для упруго-пластичных пород; в —для высокопластичных и силь­нопористых пород; 6 — наибольшая деформация породы; Л— глубина лунки разрушения

Упруго-пластичные породы — известняк, мрамор, песчаник и др. Эти породы характеризуются тем, что вначале происходят упругие деформации, а затем пластические, завершающиеся разрушением породы под пуансоном. При этом /г: 8 = 2,5—5 (рис. 2.4, б).

Высокопластичные породы (каменная соль, глина и др.) и сильно­пористые (пемза, пористый мрамор и др.) отличаются от двух пре-

дыдущих классов тем, что при вдавливании пуансона не происходит хрупкого разрушения (рис. 2.4, в).

Деформационными углами а, и а2 называют угалами между ли­ниями ОА’ и О А’ и горизонтальной осью деформации О 5. Для раз­личных горных пород деформационные углы могут быть существенно отличны, в то время как их твердость одинакова (рис. 2.5). Следова­тельно, два образца горных пород при равной твердости могут иметь различные упругие свойства.

Жесткостью породы G называют отношение нагрузки Р, действую­щей на пуансон при его вдавливании, к величине деформации по­

роды 5:

G = ^- = ^. = %a. (215)

^ ®уп

В. С. Владиславлев (1962 г.) величину G назвал жесткостью пары «пуансон — горная порода».

Упругость горных пород — способность пород под действием внеш­них сил изменять и полностью восстанавливать первоначальную форму и объем после снятия нагрузки. Такие деформации называют обрати­мыми. Упругие свойства принято оценивать модулем продольной уп­ругости Е.

£ = о/е = о/^, (2.16)

где е — относительная деформация; а — нормальное напряжение при растяжении или сжатии; АI — абсолютная деформация (удлинение, укорочение); /—первоначальный размер (длина, ширина, высота).

Рис. 2.5. График деформации ОА’, ОА" пород равной твердости, но разной жесткости: а, и а2 — деформационные углы; 01У — 8’„, ОД" — 8", — упругая деформация

Модуль упругости по методу Л. А. Шрейнера можно вычислить по формуле:

Е=Р(1-ц2)’ (21у)

ашг

где Р— нагрузка на экспериментальной кривой, соответствующая уп­ругой деформации; с1ш — диаметр штампа; е — упругая деформация по­роды при данной нагрузке.

Модуль упругости Е характеризует способность материала сопро­тивляться упругой деформации при растяжении: чем больше дефор­мация, тем меньше Е. Для стали Е= 2 • 107—2,2 • 107 Н/см2, для горных пород Е= 106—107 Н/см2.

Коэффициент Пуассона при растяжении представляет отношение:

е, поперечное относительное сжатие, оч

ц = —=—————————————————————- . (2.18)

Е продольное относительное удлинение

При сжатии

е, поперечное относительное растяжение |Л = —= . (2.19)

ь продольное относительное сжатие

Коэффициент Пуассона для стали д = 0,25—0,33, для каучука ц = 0,47, для горных пород ц = 0,1—0,45.

Ниже приведены значения коэффициента Пуассона для характер­ных горных пород.

Горные породы Коэффициент Пуассона, р

Глинистые сланцы……………………………………………….. 0,10—0,2

Глины плотные…………………………………………………… 0,25—0,35

Граниты……………………………………………………………… 0,26—0,29

Известняк……………………………………………………………. 0,28—0,33

Песчаник……………………………………………………………. 0,30—0,35

Каменная соль……………………………………………………… 0,44

Чем выше упругие свойства горных пород, тем больше сопротив­ление они оказывают породоразрушающему инструменту при буре­нии. Пластические свойства характеризуются тем, что деформации растут при постоянной нагрузке, а после снятия нагрузки в породе остаются остаточные деформации.

В упруго-пластичных породах при вдавливании пуансона график деформации состоит из участка упругих деформаций 0А и участка пластических деформаций АВ (см. рис. 2.3, б). Точка В соответствует значению нагрузки Ртак, при которой происходит хрупкое разрушение породы под пуансоном. Отношение нагрузки Рш к площади штампа $ (Рпт/5) характеризует твердость породы.

Условным пределом текучести РТ горной породы называют напря­жение материала пород под вдавливаемым пуансоном, при котором Упругие деформации переходят в пластичные. Нагрузка Р0 характери­зует условный предел текучести. Для упруго-пластичных горных по­род твердость определяют по формуле:

Рг = ^, (2.20)

где S — площадь опорного основания пуансона.

На диаграмме (см. рис 2.3, а) работа упругой деформации Aw вдав­ливания пуансона измеряется площадью прямоугольного треуголь­ника 0AF, и затрачивается на деформацию сжатия породы и пуансо­на. Работа, затрачиваемая на упругую деформацию пуансона Аш, равна

ЛШ = ^РЫ, (2.21)

где Д/ — деформация пуансона.

Коэффициент пластичности принимается равным отношению об­щей работы, затраченной на разрушение породы под штампом, к ра­боте упругих деформаций.

Коэффициент пластичности горных пород К1и находят из формулы

К ОАВС

™ Ауд ДО DE-Am’ У ’

где Л#, — общая работа, затрачиваемая на деформацию и разрушение

породы, измеряется площадью фигуры ОABC за вычетом работы, за­трачиваемой на деформацию пуансона Аш; Лу д — полная работа упру­

гих деформаций, измеряется площадью треугольника ОDE за вычетом работы, затрачиваемой на деформацию пуансона Аш (см. рис. 2.3, б).

Значения для некоторых горных пород

Глины……………………………………… 0,5—0,9

Глинистые сланцы 1,5—2,5

Песчаники 3,3—7,8

Известняки 1,3—8,5

Мрамор 3,9—9,2

Доломиты 1,5—6,0

Кремни 1,0—2,0

Для упруго-хрупких пород Кт, = 1, для упруго-пластичных =1-5-6 и более. Для пластичных пород деформация растет постоянно под действием внешних сил, поэтому коэффициент пластичности условно принят равным бесконечности.

Удельная работа разрушения Av горной породы объемом V равна:

Av =Ao6/V, (2.23)

где А0g — общая работа, затрачиваемая на деформацию и разрушение; V— объем лунки, определяется объемом расплавленного парафина, заливаемого в лунку:

V= <2/Р, (2.24)

где Q — масса расплавленного парафина; р — плотность расплавлен­ного парафина, р = 890 кг/м3.

Удельную контактную работу разрушения As рассчитывают по формуле

(2.25)

-^об

AS — s

где 5—площадь опорного основания пуансона.

Средние значения основных механических свойств некоторых гор­ных пород приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4. Основные свойства пород Горные породы Твердость Рш, МПа Предел текучести а,, МПа Модуль упругости £’Ю4, МПа Коэффициент пластичности Удельная контактная работа • 105, Дж/м2 Аргиллиты 480 280 0,7 2,3 0,2 и сланцы глинистые Мрамор 1120 680 3,5 2,6 1,3 Гранит 3350 2600 4,5 1,6 2 Сиенит 5700 4800 8,5 2,2 14,5 Роговик 8000 5800 10 2,5 8,5

1 Хрупкость горной породы — свойство пород разрушаться без замет­ных пластических деформаций под действием внешних сил — харак­теризуется коэффициентом хрупкости Кхр.

(2.26)

ДОAF — Аи

О ABC — Лп

где Ау„ — работа упругих деформаций породы, измеряемая площадью треугольника OAF за вычетом работы Аш упругой деформации пуан­сона; Аде — общая работа, затрачиваемая на деформацию и разруше­ние породы, измеряется площадью фигуры ОABC за вычетом упругой деформации пуансона.

Для упруго-хрупких пород Кхр = 1, для упруго-пластичных A",,, < 1, ддя идеально-пластичных АГхр = 0. Хрупкость горных пород оказывает существенное влияние на процесс ее разрушения, особенно если ис­пользуются ударные и ударно-вращательные породоразрушающие ин­струменты.

Динамическая прочность характеризует способность горной поро­ды дробиться на отдельные куски.

Динамическая прочность определяется методом толчения на при­боре ПОК (прибор определения крепости) (рис. 2.6).

Образец горной породы разбивается молотком на куски круп­ностью 1,5—2,0 см в поперечнике. Из разбитых кусков отбирают пять проб объемом 15—20 см3 каждая. Каждую пробу высыпают в труб­чатую ступку (рис. 2.6, а) и толкут путем сбрасывания гири массой 2,4 кг с высоты 0,6 м десять раз. После толчения все пять проб
ссыпают в металлическое сито с отверстием 0,5 мм и просеивают. Частицы породы, прошедшие через сито, высыпают в стакан объемо — метра (рис. 2.6, б), после чего в стакан объемометра вставляется пор­шень. На поршне имеется шкала (от 0 вверху до 160 мм внизу), по которой делается отсчет высоты столбика частиц породы в ста­кане. Динамическая прочность породы Рг вычисляют по формуле:

где 200 — эмпирический коэффициент, мм; / — высота столбика час­тиц породы в объемометре, мм.

Динамическая прочность — безразмерная величина, по ее значе­ниям все горные породы подразделяют на шесть групп (табл. 2.5).

Динамическая прочность Fg слабо коррелирована с прочностью горных пород на одноосное сжатие и твердостью по штампу Рш.

Абразивность (от лат. abrasion — соскобление) определяет способность горных пород изнашивать поверхность контакта другого, более твердого

Таблица 2.5. Динамическая прочность горных пород Показатели Группы пород I II III IV V VI Динамическая прочность Fs 8 и менее 8-16 16-24 24-32 32-40 40 и более Степень динами­ческой прочности Малая Умерен­ ная Средняя Прочная Очень прочная Исключи­ тельно прочная

тела (алмаз, твердый сплав) в процессе трения при его движении. Абра­зивные свойства увеличивают интенсивность изнашивания породораз­рушающего инструмента и снижают механическую скорость бурения.

Износ рабочих органов породоразрушающего инструмента осу­ществляется в процессе контакта с горной породой при внедрении в нее инструмента и частицами разрушенной породы.

Особую важность в алмазном бурении имеет износ, связанный с действием на алмаз и матрицу частиц разрушенной породы. При до­стижении породоразрушающим инструментом предельного износа он должен быть извлечен из скважины и заменен новым инструментом (возможен вариант восстановления изношенного инструмента). Для оп­ределения предельной величины износа применяют различные крите­рии, которые будут рассмотрены ниже.

Абразивность горной породы, как и любой другой показатель механических свойств, определяется условиями, в которых осуществ­ляется бурение, и режимами, при которых происходит отработка ин­струмента. Изменение этих условий может повлечь настолько сущест­венные изменения процесса изнашивания, что полученные в других условиях показатели не будут ни качественно, ни количественно ха­рактеризовать этот процесс. Оценка абразивности при бурении сква­жин необходима для конструирования новых типоразмеров породо­разрушающих инструментов, определения областей их применения и выбора рациональных режимов бурения.

На абразивность горных пород влияет целый ряд факторов:

1. Структура пород: чем больше зерно, тем выше абразивность.

2. Текстура пород и особенно пористость и трещиноватость, усу­губляющие абразивность.

Мономинеральная порода, как правило, менее абразивна, чем поли- минеральная (при равной твердости). Например, граниты при равной твердости с сильно окремненными известняками более абразивны, так как в них менее твердые минералы (слюды, полевые шпаты), раз­рушаясь, образуют шероховатую поверхность трения, обнажают зерна кварца и концентрируют напряжения на малых площадках контакта Кварцевых зерен с породоразрушающим инструментом.

3. Твердость горных пород и их зерен не имеет однозначного влияния на абразивность. Существующие методы количественной оцен­ки абразивности имеют разное назначение и различную сложность определения.

Абразивность оценивают по степени износа инструмента или метал­лических колец, которые изнашиваются при контакте с породой. Наи­более распространенным методом определения абразивности пород в гор­ном деле является метод, предложенный Л. И. Бароном и А. В. Кузне­цовым. Этот метод соответствует условиям первичного абразивного износа инструмента, до момента «засаливания» металлом образца породы.

| Абразивность оценивается средней потерей массы (мг) полого ци­линдрического стержня из углеродистой стали — серебрянки путем ис­тирания его об образец породы при вращении со скоростью 400 об/мин

под осевой нагрузкой 150 Н в течение 10 мин. Абразивность вычис­ляется по формуле

/ = п

Ъя,

а = ——, (2.28)

2 п

где <7, — потеря массы стержня за каждый «парный опыт», мг; п — число парных опытов (и = 3 — для однородных, п = 6 — для неодно­родных пород).

«Парный опыт» — это испытание стержня с двух его торцов. По­казатель абразивности изменяется от 5 мг для малоабразивных пород (известняки, мраморы, каменная соль, глинистые сланцы и др.) до 90 мг и более (корундосодержащие кварцевые породы) (табл. 2.6).

Таблица 2.6. Показатели абразивности горных пород Класс абразив­ ности Характеристика пород по абра­зивности Показатель абразив­ности, мг Породы, входящие в данный класс I Весьма малоабра­ зивные Менее 5 Известняки, мраморы, мягкие сульфиды без кварца (галенит, сфалерит, пирротит), апатит, каменная соль, глинистые сланцы II Малоабра­ зивные 5-10 Сульфидные и барито-сульфидные руды, аргил­литы, мягкие сланцы (углистые, глинистые, хлори­товые, хлорито-аспидные) III Ниже средней абразивности 10-18 Джеспилиты, роговики (рудные и нерудные), квар­цево-сульфидные руды, магматические тонкозер­нистые породы, кварцевые и аркозовые тонкозер­нистые песчаники и железные руды, окремнелые известняки IV Средне­ абразивные 18-30 Кварцевые и аркозовые мелкозернистые песчаники, диабазы, крупнозернистый пирит, арсено-пирит, жильный кварц, кварцево-сульфидные руды, магма­тические мелкозернистые породы, окварцованные известняки, джаспероиды V Выше средней абразивности 30-45 Кварцевые и аркозовые средне — и крупнозернистые песчаники, плагиограниты, ийолитуртиты, грей- зены, лампрофиты, габбро, гнейсы, скарны (рудные и нерудные), березиты, листвениты VI Повышенной абразивности 45-65 Граниты, диориты, гранодиориты, граносиениты, порфирита, нефелиновые сиениты, кератофиры, пироксениты, монцониты, амфиболиты, кварцевые сланцы, гнейсы VII Высоко­ абразивные 65-90 Порфириты, диориты, граниты, гранитовидные нефелиновые сиениты VIII В высшей степени абразивные Более 90 Корундосодержащие породы

При бурении нефтяных и газовых скважин абразивность оцени­вается по методу ВНИИБТ. Прибор ТТА-1 (см. рис. 2.2) позволяет определить абразивность на трех частицах шлама 12 размером 3—5 мм в поперечнике каждая, для чего в торце шламодержателя 11 сделаны три небольших углубления, в которые помещаются частицы шлама и фиксируются в них пластилином.

Шламодержатель частицами шлама устанавливается на стеклян­ную пластину 13 и рукой прижимается через динамометр 10. Дина­мометр 14 сдвигается в горизонтальном направлении. Абразивность по ТТА равна горизонтальной силе в 10 Н, обеспечивающей движе­ние шламодержателя с тремя частицами, прижатыми к стеклянной пластинке 13 с усилием 30 Н.

Для оценки твердости по методу ВНИИБТ из разбуриваемого ин­тервала производится отбор частиц шлама из промывочного раствора (ГЖС) с учетом времени, которое затрачивается на транспортировку шлама с этого интервала. Для достижения достоверного результата испытание на твердость и абразивность необходимо повторить не ме­нее 3 раз. Метод ВНИИБТ не получил широкого применения за счет определенной субъективности проводимых измерений.

В геологоразведочном бурении используют метод и прибор ПОАП — 2М, предложенный Н. И. Любимовым. Сущность метода заключается в установлении потери массы свинцовой дроби в результате ее исти­рания раздробленной и просеянной породой (фракция менее 0,5 мм), полученной толчением при определенной ее динамической прочности. Прибор ПОАП-2М (рис. 2.7) состоит из электродвигателя 1, муфты 2,

Рис. 2.7. Схема прибора ПОАП-2 для определения абразивности по способу износа свинцовых шариков (по Н. И. Любимову, 1972)

вала 7 с двумя шатунами 8 и рабочими органами 3, в виде горизон­тальных стаканов с крышками, перемещающихся по направляющим 5 и зафиксированных скобками 4. В стакан помещают три пробирки из оргстекла. Свинцовую дробь диаметром 3 мм общей массой 3 г (19 дробинок) взвешивают на аптекарских весах с точностью до 10 мг. В каждую пробирку помещают 3—4 дробинки и просеянную поро­ду в приборе ПОК в объеме 1 см3. Пробирки, закрытые крышкой, устанавливают в рабочий орган и при включенном электродвигателе подвергают вращению в течение 20 мин. Число двойных ходов ра­бочих органов составляет 1400/мин, длина хода 16 мм. В нижней части вала расположен маховик 6. Весь прибор зафиксирован на плите 9.

По истечении 20 мин электродвигатель отключается, дробь из пробирок извлекают, промывают в воде и взвешивают.

(2.29)

Коэффициент абразивности ЛГа6р определяют по формуле:

К

абр 100 ’

где О — потеря массы дроби от абразивного воздействия шлама ис­пытуемой породы, мг.

Все горные породы по показателю Ка6р подразделяют на шесть групп (табл. 2.7).

Таблица 2.7. Группы горных пород в зависимости от коэффициента абразивности Показатели Номер группы породы I II III IV V VI Коэффициент абразивности, АГа(3р Менее 0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 и более Степень абразивности Слабая Умеренная Средняя Абразив­ ные Сильно абразив­ ные Исключи­ тельно абразив­ ные

Существенным недостатком данного метода определения абразив­ности является различная природа износа свинцовых шариков в шламе горной породы от условий износа резцов твердого сплава или алмаза при реальном их взаимодействии с горной породой и буровым шла­мом. Поэтому классификация горных пород по показателю АГабр слабо коррелируется с показателями углубки длй различных породоразру­шающих инструментов, особенно алмазных инструментов. Однако ла­бораторные методы не в состоянии заменить полевые способы опре­деления абразивности, которые дают более достоверный результат измерения.

Достаточно простым методом определения абразивности в реаль­ных условиях бурения является так называемый метод буровой ко­

ронки, предложенный Б. И. Воздвиженским. Абразивность по этому методу определяют по формуле

л = (2 30) где /я, и т1 — масса коронки до начала рейса и после его окончания соответственно; /г — величина углубки за рейс, м.

Трещиноватость горных пород в разведочном бурении оценивают по удельной кусковатости керна, т. е. по числу кусков керна, которые раскололись в колонковом снаряде при бурении в рейсовой углубке. В ВИТР установлена тесная корреляционная связь между удельной кусковатостью керна и трещиноватостью породы.

Удельная кусковатость керна Куд — число кусков керна на 1 м уг­лубки. По этому показателю все горные породы подразделяют на пять групп (табл. 2.8).

Таблица 2.8. Удельная трещиноватость и показатели трещиноватости горных пород Группа горных пород по тре­щиноватости Степень трещиноватости горных пород Удельная кусковатость керна Кул, шт./м Показатель трещиноватости iV, ед/об Выход керна, % 1 Монолитные 1-5 До 0,5 100-70 2 Слаботрещино­ ватые 6-10 О Т’ О О 1 90-60 3 Трещиноватые 11-30 1,01-2,00 80-50 4 Сильнотрещино­ ватые 31-50 2,01-3,00 70-40 5 Исключительно сильнотрещино­ ватые Более 51 3,01 и более 60—30 и менее

Показатель трещиноватости W (ед/оборот), введенный в рассмот­рение ВИТРом, рассчитывают по формуле

Ж = -^, (2.31)

где X — коэффициент, учитывающий степень вторичного дробления

Породы, равен 0,7; Д. — диаметр керна; |} —угол встречи плоскости

трещины с осью скважины.

Формулу (2.31) можно использовать только при значениях угла (3, существенно отличных от 0 и 90°.

Степень трещиноватости может быть оценена показателем трещи­новатости Т:

Т=со&а/1, (2.32)

где а — угол наклона трещины к вертикали; / — средняя длина столбца керна или отношение общей длины керна к их числу. Формула (2.32) применима для а <90°.

Устойчивость горных пород против их обрушения — важная харак­теристика, определяющая технологию бурения, конструкцию скважи­ны. Различают устойчивые, временно устойчивые, неустойчивые по­роды.

Состояние стенок скважины оценивается коэффициентом кавер — нообразования Кк:

= (2-33)

где £>ф — фактический диаметр скважины; Ц, — номинальный диаметр скважины.

Породы считаются устойчивыми, если Кк = 1 н-3, и неустойчивыми при Кк > 3. При Кк < 1 имеет место сужение ствола скважины, чаще всего это характерно для пластичных пород (глины, глинистых слан­цев и др.).

Основными причинами, определяющими нарушение устойчиво­сти горных пород в стенках скважины, являются горное давление и механические свойства пород. Порода в зонах тектонических наруше­ний характеризуется различной степенью дезинтеграции. Обломочные породы могут быть несцементированными или связаны мягким це­ментом (глина, супесь, лед и др.).

При контакте с буровым раствором глинистый материал набухает и теряет свои прочностные свойства. Глина имеет угол внутреннего трения ф = 25° и силу сцепления, равную 0,06 МПа. Ослабляет устой­чивость крутое падение пород, трещиноватость, наличие водоносных напорных пластов и т. д.

Водонасыщенные пески и супеси обладают плывунными свойства­ми и являются крайне неустойчивыми породами. Породы в скважине находятся под давлением вышележащей толщи горных пород. Напря­женное состояние, в котором находится порода, называют горным дав­лением. Вертикальное напряжение сжатия ог определяют по формуле

а, = pH, (2.34)

где р — средняя взвешенная плотность вышележащих пластов; Н— глу­бина залегания породы.

Радиальные напряжения в стенке скважины рассчитывают по фор­муле

= Т-7— вг = , (2.35)

1 М-

где д — коэффициент Пуассона; £, — коэффициент бокового распора, равный < 1.

Формула (2.35) применима для пластично-хрупких горных пород. При вскрытии горных пород скважиной напряженное состояние по­род изменяется. Наличие в скважине столба промывочного раствора в общем случае благоприятно сказывается на устойчивости стенок. В процессе бурения стенки скважины несколько ослаблены механи­ческим и гидравлическим воздействием.

Напряженное упругое состояние пород характеризуется нормаль — 0ьш ог, радиальным ая и касательным напряжениями ав.

Значения напряжений следующие:

сг = уЯ,

(2.36)

<*я = £>Ъ-Уж с9= -2^аг + ужНи

где у — средневзвешенный удельный вес вышележащих пород; уж — удельный вес бурового раствора; £ —коэффициент бокового раствора для породы на глубине Я; Я, — высота столба бурового раствора.

Эквивалентное напряжение:

оэкв = |(аг + ол + 00). (2.37)

Дополнительные гидравлические давления АР возникают в сква­жине при проведении спускоподъемных операций, интенсивной про­мывке и др. Стенки скважины могут потерять свою устойчивость в результате хрупкого разрушения. По степени интенсивности про­цесс обрушения стенок скважин подразделяется на осыпи, характери­зующиеся относительно небольшими объемами обрушения, и обвалы, когда процесс обрушения затрагивает большие объемы породы.

Все горные породы по степени устойчивости делят на четыре груп­пы (табл. 2.9).

Породы I группы не требуют специальных мер по креплению сте­нок скважин, II — сохраняют устойчивость при соблюдении опреде­ленных технологических мер: применение специальных промывочных жидкостей, ограничивая скорость спуска и подъема снаряда; III — тре-

Таблица 2.9. Классификация горных пород по степени устойчивости Группа пород по устойчи­вости Степень устойчивости Технологическая характеристика устойчивости Трещиноватость, характер сцепления частиц Категория пород по буримости I Устойчивые Практически не разру­шаемые гидродинами­ческими воздействия­ми и вибрациями бу­рового снаряда Монолитные и слаботрещино­ватые IX—XII II Среднеустой­ чивые Разрушаемые гидроди­намическими воздей­ствиями и вибрациями бурового снаряда Различной степе­ни трещиновато­сти, перемежаю­щиеся по твер­дости IV—VIII III Малоустой­ чивые Легко разрушаемые факторами бурения, растворимые и много­летнемерзлые породы Сильнотрещино­ватые хрупкие, высокопластич­ные, связные ІІІ-У IV Неустойчивые Легко размываемые и разрушаемые Рыхлые сыпучие І—II

буют обязательного крепления обсадными трубами и цементирования стенок скважин по окончании проходки интервала пород данной группы.

При проходке IV группы применяют специальные технологиче­ские средства (например, бурение с опережающим или одновремен­ным креплением).

Разрыхляемость горных пород зависит от ряда механических свойств горных пород и способа их разрушения и характеризуется коэффици­ентом разрыхления АТР.

Значения К„ для некоторых горных пород

Песок, гравий……………… 1,05—1,2 Щебень……………………………. 1,4—1,5

Суглинки, супеси…………. 1,2—1,25 Глинистые сланцы……………… 1,4—1,6

Глина с галькой…………… 1,3—1,4 Скальные породы……………… 1,8—2,5

Свойство разрыхляемости горных пород играет важную роль при решении различных технологических задач бурового процесса, в част­ности при выборе способа транспортировки породы из скважины и др.

Анизотропность горных пород характеризуется отношением пока­зателей свойств горной породы, определяемых по взаимно перпенди­кулярным направлениям, обычно по плоскости вдоль напластования, или слоистости вкрест напластования.

Km = X,/X„, (2.38)

где Кт — коэффициент анизотропии; X, — показатель свойств породы вкрест слоистости; Х„ — показатель свойств породы вдоль слоистости.

Для различных горных пород коэффициент анизотропии оказыва­ет существенное влияние на показатели бурения и, в первую очередь, на интенсивность искривления бурящейся скважины от первоначаль­но заданного направления.

Буримость горных пород — это свойство оказывать сопротивление при внедрении в них породоразрушающего инструмента. В практике бури­мость оценивается по механической скорости бурения. Буримость пород — комплексный показатель, зависящий от структуры и текстуры, прочно­сти, трещиноватости, абразивности, пластичности и многих других свойств породы. Буримость породы определяется также типом, конструкцией по­родоразрушающего инструмента и режимами бурения. Поэтому в одних и тех же породах, используя различные породоразрушающие инстру­менты и режимы бурения, показатели процесса (механическая скорость бурения, углубка в рейсе и др.) будут существенно различаться.

Установить физическую сущность буримости можно по коэффи­циенту буримости К6, используя известный метод теории размер­ности. Для пары «породоразрушающий инструмент — горная порода» существует зависимость:

VK = K^Va, (2.39)

где VM — механическая скорость бурения, L/T ; Р — осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, H; S— площадь контакта породо­
разрушающего инструмента с площадью забоя Ь2; У„ — окружная ско­рость вращения а — мера длины, Т— время, Н— сила).

Формула (2.39) справедлива для случаев, когда продукты разруше­ния эффективно удаляются с забоя и рабочие элементы породораз­рушающего инструмента охлаждаются.

Подстановка размерности величин, входящих в формулу (2.39), дает:

| = (2-40)

Преобразуя формулу (2.40), имеем:

К,

‘ V нь

где К6 — коэффициент буримости.

Данное выражение есть не что иное, как отношение объема раз­рушенной породы к работе, затрачиваемой на ее разрушение.

Для геологоразведочного бурения действующая классификация горных пород по буримости предусматривает их разделение на две­надцать категорий (табл. 2.10).

Таблица 2.10. Классификация горных пород по буримости для вращательного механического бурения Категория породы по буримости Горные породы Примерная твердость Р по Л. А. Шрейнеру, МПа Примерная скорость бурения, м/ч I Торф, мягкий лес, слабый мел, песок и супеси без гальки и щебня 100 23,0-30,0 II Торф, растительный слой. Песок плотный, глина средней плотности, суглинок плот­ный. Слабый мергель, мел, плывун без напора 100-250 11,0-12,0 III Слабоцементированные песчаник, мергель, известняк-ракушечник 250-500 5,7-6,0 IV Сланцы глинистые, песчано-глинистые, углистые, серицитовые; слабые песчаники; плотные мергели; неплотные известняки и доломиты; сильно выветрелые дуниты, перидотиты, змеевики 500-1000 3,36 V Сланцы хлоритовые, тальково-хлорито — вые, серицитовые, слюдяные; филлиты; аргиллиты; известняки, мрамор, мерге­листые доломиты; дуниты, затронутые вы­ветриванием 1000-1500 2,25 У1-УН Сланцы глинистые, кварцево-хлоритовые кварцево-серицитовые; полевошпатовые песчаники; руда гематитомартитовая; конгломераты осадочных пород на извест­ковом цементе, апатиты, сидериты 1500-3000 1,1-1,50

Категория породы по буримости	Горные породы	Примерная твердость Рш по Л. А. Шрейнеру, МПа	Примерная скорость бурения, м/ч
VIII	Песчаники кварцевые; сланцы окремнен- ные, кварцево-гранитовые крупнокристал­лические скарны, граниты крупнозерни­стые	3000-4000	1,04
IX	Сиениты, крупнозернистые граниты; сильно окремненные известняки; конгломераты изверженных пород; базальты	4000-5000	0,84
X	Гранитовые скарны; граниты; грано- диориты, липариты; окремнелые скарны; жильный кварц; валунно-галечные отло­жения изверженных пород	5000-6000	0,50
XI	Кварциты, джеспилиты; крепкие желе­зистые роговики	6000-7000	0,36
XII	Монолитно-сливные кварциты, джеспи­литы, роговики, корундовые породы	>7000	0,10-0,20

Указанные в классификации примерные механические скорости бурения приведены для условий оптимального применения техниче­ских средств и технологии бурения.

По методу, разработанному в ЦНИГРИ, категория горных пород определяется по объединенному показателю рм, который рассчитыва­ется для вращательного механического бурения по формуле:

рм = 3/;0’Х6р — (2.41)

Определить показатель рм по значениям и АТа6р можно по спе­циальной номограмме (рис. 2.8).

Для ударно-вращательного бурения

рм = 2 Р°’4’КЛбр. (2.42)

Показатель трещиноватости может существенно изменить катего­рию горных пород по буримости. Обобщенный показатель рм в прак­тике используется для качественного разделения горных пород по буримости, что связано с определенной субъективностью лаборатор­ного определения динамической прочности и коэффициента абразив­ности.

Классификация горных пород по буримости составлена не только с позиций механических скоростей бурения, но и с учетом абразив­ных свойств, которые непосредственно определяют износ породораз­рушающих инструментов.

В табл. 2.11 приведено примерное разделение горных пород по абразивным свойствам и категориям по буримости.

? 20 — 15

Рве. 2.8. Номограмма для определения объединенного показателя рм при установлении

категории буримости

Таблица 2.11. Характеристики горных пород по абразивности Характеристика пород Группа твердости Категория пород по буримости Малоабразивные Слегка затронутые выветриванием базальты, диабазы, лабра — дориты, габбро, сиениты, пегматиты, пироксениты, диориты, андезиты, порфириты, амфиболиты, граниты, гранито-гней — сы; слабо окварцованные плотные известняки, окремненные глинистые сланцы, хлорито-серицитовые сланцы Наиболее твердые разновидности базальтов, диабазов, сиени­тов, гранитов, пегматитов, габбро, гранодиоритов; мирограни — ты, гнейсы, альбиториты и кератофиры и др. Крепкие, плотные мелкозернистые, сильно окремненные, окварцованные сливные породы — роговики, кварциты, яшмы, кремнии, нефриты и др. Средней твердости Твердые Очень твердые УІІ-ІХ ІХ-Х XI—XII Абразивные Аркозовые песчаники, сильновыветрелые, трещиноватые ТРаниты, порфириты, гранодиориты, пегматиты; кварцевые Породы — альбитофиры, порфиры и др. Твердые кварцевые песчаники, плотные магнетитовые и гематитовые руды, гранатовые скарны, пористые кварциты, Джеспилиты и др. Сильно окремненные или окварцованные породы — рогови­ки, кварциты, джеспилиты; скарнированные породы, твердые корундовые породы, магнетито-гематитовые руды и др. Средней твердости Твердые Очень твердые УІІ-ІХ ІХ-Х XI—XII

Определение категории горных пород по буримости производят на приборе ВИТР-ОТ (О — определитель, Т — твердость).

Прибор основан на принципе резания испытываемого керна аб­разивным кругом. При определенных параметрах абразивного круга и режимов его внедрения в породу стрелочным индикатором опреде­ляется глубина резания. На керне можно сделать несколько пропилов и тем самым опробовать разновидности неоднородной породы.

Буримость определяется глубиной пропила абразивного круга в кер­не (образце породы). Прибор ВИТР-ОТ не получил практического применения в отрасли в силу субъективности получаемых результа­тов в зависимости от режимов пропила и параметров абразивного круга.

Буримость можно определить по фактическим хронометражным наблюдениям за скоростью бурения. Этот метод требует получения представительных данных, использования оптимальных для данных горно-геологических условий породоразрушающих инструментов и режимов бурения. Рекомендуется выполнять не менее пяти рейсов по данной горной породе с определенными режимными параметрами. Если в течение наблюдаемого рейса объем бурения по одной горной породе составляет 75 %, то принято относить все показатели бурения к этой горной породе.

Определенные по результатам лабораторных исследований пока­затели механических и технологических свойств пород являются еди­ничными измерениями и поэтому лишь весьма приближенно харак­теризуют тот или иной признак. Например, коэффициент вариации многих показателей свойств пород достигает 20—30 % и более. Для по­вышения достоверности проводимых измерений необходимо выпол­нить ряд повторных опытов, результаты которых должны отвечать ус­ловиям статистической однородности.

Комментарии запрещены.