Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО БУРИМОСТИ

Буримость горных пород — важнейший показа­тель, характеризующий общую степень трудности бурения скважин и определяемый величиной механической скорости углубки скважины при стандартных режимах бурения. Бури­мость — комплексный показатель, зависящий от сочетания всех технологически значимых физико-механических свойств пород.

і

Определение буримости — необходимое условие правиль­ного выбора способа бурения, породоразрушающего инстру­мента, нормативов трудовых и материальных затрат.

Таблица 3.1 Категории пород по буримости для вращательного механического бурения скважин Катего­рия бу­римо­сти Номинальная механическая скорость бу­рения, м/ч Твердость пород по штампу, МПа Катего­рия бу­римо­сти Номинальная механическая скорость бу­рения, м/ч Твердость пород по штампу, МПа 1 23,0 1,0 VII 1,89 20,0-30,0 II 11,0 1,0-2,5 VIII 1,28 30,0-40,0 III 5,7 2,5-3,0 IX 0,76 40,0-50,0 IV 3,35 5,0-10,0 X 0,48 50,0-60,0 V 2,25 10,0-15,0 XI 0,32 60,0-70,0 VI 1,5 15,0-20,0 XII 0,15 70,0

Современная технологическая практика бурения использу­ет классификации горных пород по буримости различными способами. Выделяют следующие классификации:

1) для вращательного механического бурения с двенадца­тью категориями буримости пород (табл. 3.1);

2) для вращательного бурения шнеками с шестью катего­риями буримости;

3) для ударного механического бурения с семью катего­риями буримости;

4) для ударного механического бурения при разведке рос­сыпных месторождений с шестью категориями буримости;

5) для ручного ударно-вращательного бурения с шестью категориями буримости.

В Центральном научно-исследовательском геологоразве­дочном институте (Россия) разработана методика определе­ния категории буримости расчетным путем с использованием основных показателей физико-механических свойств пород и эталонная классификация пород по буримости.

На основе зависимости механической скорости бурения ум от динамической прочности Рд и абразивности горных пород Кабр выведена эмпирическая формула, отражающая влияние объединенного показателя буримости рм этих величин на бу — римость:

Рм = З^Хбр • (3.25)

Для оперативного вычисления рм графоаналитическим ме­тодом используется стандартная номограмма (рис. 3.4).

Механическая скорость бурения выражается формулой

^мех = ^Г-КГбр • (3.26)

Значения коэффициентов 1, а, (3 для различных типов поро­доразрушающего инструмента (коронок) приведены в табл. 3.2.

В табл. 3.3 приведена шкала категорий пород по буримости для разных значений объединенного показателя рм.

На рис. 3.4 показан пример определения категории бури­мости пород: значения Ед = 7,5 и Кйбр = 1 откладываются на соответствующих осях номограммы и соединяются линией, точка пересечения которой с осью рм дает значение рм = 15, что соответствует VIII категории буримости горных пород

Таблица 3.2 Значения коэффициентов /, а, Р Коронки 1 а Р а/р Однослойные алмазные 5,899 0,3578 0,5040 0,71 Импрегнирован — ные алмазные 0,135 0,2042 0,1983 1,03 Твердосплавные мелкорезцовые 0,233 2,6222 4,1622 0,63

Таблица 3.3 Давление горных пород по буримости для механического вращательного бурения в зависимости от значения ри Категория Рм Категория рм І-ІІ 1,0-2,0 VIII 15,2-22,7 III 2,0-3,0 IX 22,8-34,1 IV 3,1-4,5 X 34,2-51,2 V 4,6-6,7 XI 51,3-76,8 VI 6,8-10,1 XII 76,9-115,2 VII 10,2-15,1

(см. табл. 3.3). Для практического использования номограмму рекомендуется перенести на твердую основу (пластик, картон и т. п.).

При отсутствии приборов ДЛЯ определения Рд и Кабр для предварительного суждения о свойствах пород можно вос­пользоваться табл. 3.4, в которой приведены характеристики основных типов горных пород, полученные на основе обоб­щения технологического опыта и используемые на практике в качестве отраслевого стандарта.

Таблица 3.4 Технологические свойства горных пород и руд Генетиче­ский тип пород Кислотно­ щелочная группировка пород Наименование пород Средние значения показателей ос­новных физико­механических свойств Катего­рия бу­римости Ра Кабр Р* 1. Интру­зивные 1.1. Абис­сальные Ультра- основные Основные Перидотиты, пироксениты Габбро- диориты 14.0 13.0 1,1 1,6 27.2 37.2 ан-іх IX

			Средние значения
Генетиче­ский тип пород	Кислотно­ щелочная группировка пород	Наименование пород	показателей ос­новных физико­механических свойств	Катего­рия бу — римости
				/Сабр	Рм
	Средние	Кварцевые диориты	12,0	1,7	37,2	IX
	Кислые	Гранодиори­ты, граниты, сиениты	10,0	2,3	43,5	X
	С повышен­	Сиенит-	12,0	1,3	28,4	IX
	ной щелоч­	диориты
	ностью
	Щелочные	Файялиты- ийолиты	7,5	2,2	33,0	IX
1.2. Типа-	Основные	Габбро-диаба­	17,0	1,2	34,7	X
биссальные		зы
	Кислые	Микрограниты	12,0	1,4	30,6	IX
		Пегматиты	4,5	2,5	30,0	IX
		Гранит-пор-	13,0	1,5	34,9	IX-X
		фиры
	Щелочные	Мончаниты	15,0	1,4	36,6	X
		Луявриты	6,0	2,3	28,9	IX
		Сиенит-пор-	14,0	1,3	30,3	,1Х
		фиры
1.3. Эффу­	Основные	Базальты и	19,4	1,1	35,3	IX
зивные		диабазы
	Средние	Андезиты	16,6	0,8	22,7	VIII-IX
	Порфириты	17,5	0,8	23,6	VIII-IX
	Кислые	Дациты	11,4	1,2	25,2	IX
		Фельзиты	14,7	1,3	33,5	IX-X
		Липариты	13,9	1,8	44,3	X
		Кварцевые	14,8	1,7	44,0	X
		порфиры
		Туфы кислых	9,4	1,2	21,6	, VIII
		эффузивов
	С повышен­	Кварцевые	9,8	1,3	24,2	IX
	ной щелоч­	альбитофиры
	ностью
2. Осадоч­
ные
2.1. Обло­		Аргиллиты	10,0	0,6	12,3	VII
мочные		Алевролиты	12,0	0,5	10,9	VI-VII
		Сланцы пес­	8,9	6,9	15,5	VII-VIII
		чаные
		Песчаники	12,1	1,3	28,6	IX
		Конгломера­	13,2	1,3	30,7	IX
		ты
2.2. Глини­		Сланцы гли­	6,4	0,6	6,6	V-VI
стые		нистые
2.3. Карбо­		Мергели	4,6	0,1	1,2	III
натные		Известняки	8,5	0,4	1,6	V-VI
		Доломиты	11,3	0,4	8,3	VI
		Известняки	11,6	1,1	23,5	VIII-IX
		кремнистые

			Средние значения
Генетиче­ский тип пород	Кислотно­ щелочная группировка пород	Наименование пород	показателей ос­новных физико­механических свойств	Катего­рия бу — римости
				Кцбр	Рм
		Доломиты	20,3	1,2	40,0	X
		кремнистые
3. Метамор­
фические
3.1. Контак-		Филлиты	8,2	0,9	14,5	VII
тово-мета-		Роговики	14,3	2,3	58,0	X
морфиче-		Мрамор	6,5	0,4	5,4	VI
ские		Скарны гра — нит-пироксе — новые	17,2	1,5	43,8	X
		Скарны руд­	15,3	1,4	37,2	IX
		ные
		Кварциты	11,5	2,2	46,6	X
		Кварциты	24,6	2,3	89,7	XII
		вторичные
3.2. Регио­		Гнейсы	8,2	1,8	29,1	УШ-1Х
нально		Сланцы кри­	7,5	1,1	16,5	УН-УШ
метаморфи­		сталлические
ческие		Амфиболиты	30,0	0,9	41,0	1Х-Х
		Железистые	26,6	1,9	75,8	XI
		кварциты
		Джеспилиты	25,0	2,6	102,2	XII

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ

ТРЕЩИНОВАТОСТИ, УСТОЙЧИВОСТИ, КЕРНООБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ (

СПОСОБНОСТИ И ПРОНИЦАЕМОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Физико-механические свойства и определяе­мая ими буримость характеризуют реакцию минерального агрегата горной породы на технологическое воздействие при бурении — интенсивность и характер сопротивления, оказы­ваемого буровому инструменту непосредственно забоем сква­жины. Однако геологический разрез или разбуриваемый мас­сив обладает рядом существенных технологических свойств, которыми не обладают агрегаты минеральных зерен или их локальные (точечные) скопления и которые проявляются лишь в относительно крупных объемах пород, на более или менее значительных отрезках геологического разреза. С эти­ми свойствами связана возможность развития геолого — >

технических осложнений, затрудняющих нормальный про-

цесс бурения, необходимость специального крепления или гид­роизоляции стенок скважин, необходимость применения спе­циальных средств обеспечения полноты вещественного опро­бования.

Указанные свойства взаимосвязаны между собой и имеют общую природу в нарушении естественной монолитности по­род горного массива — характер нарушения монолитности (рассечение массива трещинами, наличие пустот карстовых каналов и каверн, а также отсутствие механической связи между частицами породы) определяет технологические задачи и специальные технологические меры.

Совокупность трещин, разбивающих массив горных пород, именуется трещиноватостью. Степень трещиноватости вместе с другими тектоническими и горно-геологическими наруше­ниями характеризует структуру массива пород, его простран­ственную неоднородность, анизотропность свойств, влияет на прочность и устойчивость, водопроницаемость, влагоемкость отдельных интервалов разреза.

Количественной мерой степени трещиноватости выбирают показатели, выражающие густоту расположения и размеры отдельных трещин:

линейные (число и суммарная длина пересечения трещин на единицу длины скважины);

распределения по площади (число, размеры и раскрытость трещин на единицу площади стенки скважины);

объемные (число, площадь стенок и объем трещин на еди­ницу объема околоскважинного пространства).

По исследованиям, выполненным во Всесоюзном научно — исследовательском институте методики и техники разведки (ВИТР, Россия), наиболее полно трещиноватость проявляется в бурении через степень раздробленности керна на столбики и обломки.

Поэтому трещиноватость пород целесообразно рассматри­вать не абстрактно, как таковую, а через способность горных пород образовывать в процессе бурения керн. Показателем раздробленности керна может служить величина удельной кусковатости Ку: число кусков, обломков или столбиков керна на 1 м углубления скважины или на 1 м керна. Чем выше вы­ход керна, тем достовернее оценка трещиноватости пород по удельной кусковатости керна.

Для более точной оценки степени трещиноватости исполь­зуют еще один критерий, определяемый числом трещин, встречаемых коронкой за один оборот и углом встречи плос­кости трещин с осью скважины (У). Однако такая оценка тре-

Таблица 3.5 Классификация горных пород по трещиноватости и трудности получения керна при вращательном колонковом бурении Показатели Группы пород по тре­щино­ватости Степень трещинова­тости Выход керна при бурении одинарной колонковой трубой с прямой промывкой, % Удельная кускова — тость кер­на, Ку, пгг/м Трещинова­тость W, ед/объем 1 Монолитные 100-70 1-5 до 0,50 2 Слаботрещиноватые 90-60 6-10 0,51-1,00 3 Трещиноватые 80-50 11-30 1,01-2,00 4 Сильнотрещинова­ тые 70-40 31-50 2,01-3,00 5 Весьма и исключи­тельно трещиноватые < 60-30 > 51 ^ 3,01

бует сложных аппаратурных исследований и в повседневной технологической практике не применяется. На основании указанных критериев, производственного опыта и опытно­методических исследований составлена единая классифика­ция горных пород по степени трещиноватости и трудности получения керна (табл. 3.5).

Со степенью трещиноватости и трудностью отбора кер­на связано такое важное свойство горных пород в геологиче­ском разрезе, как устойчивость — способность сохранять це­лостными стенки скважины при воздействии горного давле­ния и разрушающих факторов процесса бурения. Оценка ус­тойчивости необходима при проектировании конструкций скважин и выборе способов крепления их стенок, а также при разработке мер профилактики и устранения осложнений и аварий. ВИТРом предложена технологическая классифика­ция горных пород по устойчивости, увязанная с характери­стиками трещиноватости, буримости и типом сцепления час­тиц (табл. 3.6).

Породы I группы не требуют специальных мер по крепле­нию стенок скважин. Породы II группы сохраняют устойчи­вость при соблюдении определенных технологических мер: применение специальных промывочных жидкостей, смазы­вающих добавок, ограничения скорости спуска и подъема снаряда и некоторых других.

Таблица 3.6 Классификация горных пород по степени устойчивости Группа пород по ус­тойчи­вости Степень устойчи­ вости Т ехнологическая характеристика устойчивости Т рещиноватость, буримость, харак­тер сцепления частиц Катего­рия по­род по буримо — сти I Устойчи­ вые Практически не раз­рушаемые гидроди­намическими воз­действиями и виб­рациями бурового снаряда Монолитные и сла­ботрещиноватые ІХ-ХІІ II Средне­ устойчивые Разрушаемые гидро­динамическими воз­действиями и вибра­циями бурового сна­ряда Различной степени трещиноватости, пе­ремещающиеся по твердости ІУ-УІІІ III Малоустой­ чивые Легко разрушаемые факторами бурения, растворимые и мно­голетнемерзлые по­роды Сильно трещинова­тые хрупкие, высо­копластичные связ­ные ИІ-У IV Неустойчи­ вые Легко размываемые и разрушаемые Рыхлые сыпучие 1-І!

Породы третьей группы требуют специального крепления обсадными трубами и цементирования стенок скважин по окончании проходки интервала пород данной группы.

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

Тесно связано с устойчивостью и трещиноватостью пород в массиве такое важное свойство, как проницаемость или по­глощающая способность горных пород, характеризующая их способность пропускать через толщу массива жидкости, включая подземные воды и очистные агенты. Поглощающая способность пород часто обусловливает развитие различных осложнений процесса бурения и возможность применения той или иной технологии.

Проницаемость или поглощающая способность горных по­род в основном связана с наличием в горных породах пор, трещин, каверн и карстовых пустот. В зависимости от ве­личины раскрытия 8 различают поры сверхкапиллярные (5 > > 0,5 мм), капиллярные (0,5-0,002 мм), субкапиллярные (5 < < 0,002 мм). По происхождению поры делятся на первичные (образующиеся при формировании породы) и вторичные (возникшие в результате изменений). Поры в породе могут быть замкнутые и сообщающиеся. Изверженные горные поро­ды с высокой степенью метаморфизма имеют пористость в пределах 0,4—1,8 % (гранит, кристаллические сланцы, гнейсы); величина пористости определяется, главным образом, глубиной залегания и степенью метаморфизма. Осадочные и слабомета- морфизованные породы имеют пористость от 1,5 до 30 %.

Если пористые породы разбиты по всей массе трещинами, то горная порода приобретает дополнительную проницаемость.

Длина трещин в горных породах варьирует от нескольких сантиметров до сотен метров. Раскрытие трещин изменяется от долей миллиметра до нескольких сантиметров. По величи­не раскрытия трещины делятся на пять групп: тонкие — до 1 мм; мелкие — от 1 до 5 мм; средние — от 5 до 20 мм, круп­ные — от 20 до 100 мм; очень крупные — свыше 100 мм. Выде­ляются три группы трещин, влияющих на проницаемость горных пород: открытые, закрытые и скрытые. У открытых трещин явно наблюдается полость, у закрытых — разрыв за-

Таблица 3.7 Классификация комплексов горных пород по проницаемости (по И. И. Рафиенко) Группа пород по про­ницае­мости Характер поглоще­ ния Количе­ство погло­щаемой жидко­сти О, м3/ч Характеристика пород Необходимые технологические мероприятия I Частичное 5 Пористые песчани­ки, мелко — и сред­незернистые пески, слабопористые известняки Применение глини­стых растворов II Сильное 5-10 Среднезернистые песчаники, крупно­зернистые пески, трещиноватые из­вестняки, доломиты и изверженные по­роды Применение глини­стых растворов с наполнителями III Полное 10-15 Крупнозернистые песчаники, сильно­трещиноватые из­вестняки и доломи­ты Применение быст — росхватывающихся смесей IV Катастро­ фическое > 15 Кавернозные извест­няки, доломиты, за­лежи солей Обсадка трубами

метен невооруженным взглядом, но увидеть полость по разры­ву невозможно. С глубиной раскрытие трещин уменьшается и сеть их становится реже, что объясняется горным давлением.

При выщелачивании или растворении известняков, доло­митов, ангидрита, мела, гипса, мрамора, каменной и калийной соли при движении жидкости по крупным тектоническим трещинам образуются карстовые каверны и пустоты, дости­гающие нередко десятков кубических метров по объему и простирающихся в глубину на многие километры. В табл. 3.7 представлена классификация комплексов горных пород по проницаемости и поглощающей способности, применяемая в бурении.

В комплексе геолого-технические условия бурения, вклю­чая характеристики физико-механических свойств горных пород, их буримость, трещиноватость, устойчивость, прони­цаемость, являются основанием для выбора способов и средств бурения — проектирования технологии проходки скважин. Придерживаясь этой принятой на практике схемы мы будем рассматривать вопросы технологии разведочного бурения скважин.

Комментарии запрещены.