Логотип
специальность 130203
На главную Карта сайта Написать письмо
Специальность 130203 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых»

Специализация «Технология бурения геологоразведочных скважин»
info@mosgeonet.ru

Библиотека

3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД

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-механическими 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 σсж - важнейший показатель прочности пород характеризующий способность выдерживать без разрушения сжимающую нагрузку.

Временное сопротивление пород разрыву σр - удельная растягивающая нагрузка, выдерживаемая стандартным образцом горной породы.

Временное сопротивление изгибу σиз , сдвигу (скалыванию) σск и кручению σкр - 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 FД 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 (индентора 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 де формацию.

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 необходимого 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.


"Разведочное бурение" / А.Г. Калинин, О.В. Ошкордин, В.М. Питерский, Н.В. Соловьев, "Недра" М 2000

Вернуться в списку статей