6.2 Конспект лекция по дисциплине «Разрушение горных пород при проведение геологоразведочных работ»

Определение курса.

Изучение закономерностей взаимодействия породоразрушающего инструмента с горной породой забоя скважины

Лекция 1

Способы разрушения горных пород.

1. Ударно-канатный способ бурения.

Режим бурения:

1. n - частота сбрасывания на забой, уд/мин

2. h - высота сбрасывания на забой, м

3. т - ударная масса, кг

4. плотность пульпы , кг/м³

Соотношение прочности при статических и динамических нагрузках:

2. Вращательный способ бурения.

1. Колонковое бурение.

2. Бурение сплошным забоем.

а)роторное

б) забойными двигателями

в) шнековое

Для неглубоких скважин:

• вибробурение

Для неглубоких скважин:

• вибробурение

• ударно-канатное (клюющее)

• шнековое

• пепатрационное Режим бурения:

1. Рзаб - нагрузка на забой

2. п - число оборотов ПРИ, об/мин

3. Рос - осевая нагрузка на ПРИ, кН

4. Q - объемный расход очистного агента, л/мин Очистной агент служит для:

а) охлаждения ПРИ

б) выноса разрушенной породы с забоя

1. - истирание и усталостное разрушение

2. - эффективное разрушение - объемное (порода раскалывается по трещинам)

3. - насыщение (много породы, мало жидкости)

4. - зона зашламования

Коронка d_кор = 93 мм:

1. 12 рез х 400 Н = 4800 Н = 4,8 кН

2. п = 100-500 об/мин

3. Q = 90л/мин

Колонковое бурение

Р азубоживание золота или избирательное истирание керна - процесс когда в трещинах вымывается золото.

По мере увеличения длины рейса механическая скорость падает.

Рейсовая скорость бурения от начала рейса к концу падает в результате повышения местных потерь давления промывочной жидкости в колонковой трубе, самозаклинка керна, резцы истираются. За счет трения резцов о керн и о стенки скважины резцы изменяют форму, их площадь увеличивается. Для сохранения прежней скорости бурения необходимо повысить осевую нагрузку, однако она в результате самозаклинки керна уменьшается.

Показатели бурения:

1. Нрейса - углубка за рейс, м

2. V_мех ⁼ Нрейса / t_ч._б - механическая скорость бурения, м/ч, где: t_ч._б. - время чистого бурения (время когда ПРИ в контакте с забоем), ч

3. Vрейс = Нрейса / t_ч._б + t_Cn.o + t_ecn, м/ч - рейсовая скорость, где: t_cn._о - время на спуско­подъемные операции, ч; t_ecn - вспомогательное время: на извлечение керна. .

4. Н_кор - проходка на коронку, м; Н_дол - проходка на долото, м

5. q - расход алмазов, карат/м

6. h - углубка за оборот, мм/об

Q - зенитный угол искривления (в вертикальной плоскости)

Α – азимутальный угол искривления (в горизонтальной плоскости)

Лекция 2

Физические способы разрушения.

1. огневой - в крепких хрупких породах типа кварцита

2. лазерный - концентрированный луч d- 20 мм, h = 15-20 см

3. плазменный - дуга с температурой 10000°С, но порода течет

4. акустический - звуковые колебания j

Вышеперечисленные и другие способы разрушения пока не могут составить конкуренцию механическому разрушению забоя скважины элементами ПРИ.

Г орные породы.

1. Магматические (Изверженные) – образуются в результате извержения магмы: граниты (отлично бурятся, т.к содержат хрупкие кварц и полевой шпат). Полезные ископаемые: железо, жильное золото, серебро, олово, уран

2. Осадочные породы: пески, глины, суглинки, сланцы, песчаники, известняки, доломиты, углеводороды : нефть и газ (находятся в доломитах, мергелях, сланцах).

3. Метаморфические – образуются в результате изменения осадочных и магматических пород под действием температуры и давления. В результате двух- или трехразового изменения свойств порода меняет плотность (прочность) и пластичность – очень тяжело бурятся. Филлиты, джесилиты.

Вывод: в настоящее время в промышленных масштабах применяются механические разновидности разрушения породы забоя породоразрушающим инструментами. Физические способы разрушения при бурении не могут составить конкуренцию механическим.

Механические и технологические свойства горных пород.

1. Пористость: есть скелет пород, а между ним поры (капилляры), а в них флюиды - газ, жидкость, жидкость с газом.

К_п =Vn/(Vn+Vск) * 100% - коэффициент пористости,

где:

V_n - объем пустот, V_CK - объем скелета. Чем больше К_п, тем легче бурить.

2. Гранулометрический состав: например сколько процентов песка какого размера в объеме - как горные породы пропускают в себя флюиды: нефть, газ, воду, уран.

3. Трещиноватость.

4. Проницаемость: зависит от пористости, гранулометрического состава и

трещиноватости.

Kпр= μ*Q*l/(P1-P2)*S коэффициент проницаемости, м² или Д (1м² = 10¹²Д (дарси),

где: μ - динамическая вязкость, Пa *с ; Q- объемный расход флюидов,м³/с; l - длина образца, через который пропускают флюиды, м; Р1 и P2_ - давление на входе в образец и выходе из него, Па; S- площадь фильтра, м².

К_пр нефтяных коллекторов от нескольких милидарси до 3,4 дарси. За единицу проницаемости принимают коэффициент фильтрации К_ф , м/сут:

Кф = Кпр*(γ_ж/μ)

где у_ж - удельный вес жидкости, Н/м³.

Для среднезернистых песков К_ф= 10-15 м/сут, для трещиноватых известняков К_ф = 40-60 м/сут.

2. Плотность: отношение силы тяжести к объему породы - удельный вес у, Н/м³, плотность р, кг/м³.

3. Прочность горных пород: измерение прочности при сдвиге, сжатии, растяжении, изгибе; сжатие образца на прочность на прессе: δ_сж = Рmax/S

где S - площадь сечения поверхности; пределы прочности на скол, сдвиг, изгиб и т.д. в 6-10 раз меньше, чем на сжатие.

7. Горное давление - от вышележащих пород.

£ - коэффициент бокового распора, Па-с.

Для глины £ = 0,2 - 0,3, для водоносных пород £ = 1, в крепких горных породах £ = 0,7 - 0,9 . Формула Динника: δ_z= £*δ_ху. Коэффициент бокового распора определяет устойчивость горных пород, слагающих стенки скважины против осыпей, обрушения.

8. Твердость: способность горных пород сопротивляться вдавливанию в них более прочного тела (индентора). Для бурения большое значение имеет изучение вдавливания. Метод профессора Шрейнера JI.A. (или по штампу):

Ро - предельная величина упругой деформации, условный предел текучести S_шт в твердых горных породах: 1-2 мм², в мягких до 5 мм²\

Лекция 3

Трещиноватость горных пород, абразивность, буримость, классификации горных пород по буримости при различных способах бурения.

Твердость по штампу. (по Шрейнеру).

Группа пород	Категории	Рш,МЛа
I. Мягкие: пески, глины,	I	<100
суглинки, торф, лесс.	II	100-250
	III	250-500
	IV	500-1000
И. Средние: известняк,	V	1000-1500
мрамор, доломит, мергель,	VI	1500-2000
сланцы, невысокой	VII	2000-3000
твердости гранит.	VIII	3000-4000
III. Твердые: порфирит,	IX	4000-5000
гранит, диорит, кварцит.	X	5000-6000
	XI	6000-7000
	XII	>7000

Основные свойства горных пород.

Горная	Рш,МПа	δТ (предел	Е*10-4, МПа	Кпл	As • 105,
порода		текучести)			Дж/м2

Метод Шрейнера позволяет по коэффициенту пластичности выбрать способ разрушения, а по остальным характеристикам породоразрушающий инструмент.

Трещиноватость горных пород при бурении - отношение числа кусков керна к полученным метрам за рейс, шт/м.

Группа горных пород по трещиноватости	Степень трещиноватости	Удельная кусковатость	Выход керна, %
1	монолитные	1-5	100-70
2
о
4
5	исключительно сильно трещиноватые	>51	60-30 и менее

Абразивность горных пород.

Абразивность - способность породы изнашивать твердые тела (резцы): алмазы, твердые сплавы и другие при их взаимном перемещении при наличии трения.

1. Метод Любимова для определения абразивности: ПОАП-2М, дробь размером 3,5

мм; происходит потеря массы свинцовых дробинок при износе шламом,К_а = Q/100 (безразмерный), где Q - масса потери дроби.

Абразивность не связана ни с твердостью ни с буримостью горных пород.

2. Метод определения абразивности Барона Л.И.:

где п - число опытов.

Метод плох, т.к. не подается промывка.Таблица 2.6 (по Барону).

3. Метод определения абразивности Шрейнера и других: только на нефть и газ — в осадочных породах. В жизни метод не пошел.

4. На твердые полезные ископаемые (колонковое бурение) пошел метод Любимова, при бурении на нефть и газ или в мягких породах, или осадочных вошел в жизнь комбинированный метод, который учел все предыдущие методы. Метод создан ВНИИБТ.

5. Динамическая прочность горных пород. ПОК - прибор определения динамической

крепости. Fд = 200/l (безразмерный), где l - высота столбика частиц в объемометре.

Буримость - способность породы сопротивляться породоразрушающему инструменту при внедрении в нее. Метод Цнигри: р_м = 3 • F_д^0,8 • К_а . Сиенит - гранит Кольский р_м = 30, категория VIII. По F_д и К_а —> р_м —> категория по буримости. Номограмма, рисунок 3.4.

Классификация горных пород по буримости —> таблица 3.40. Классификация по буримости шнеками —> таблица 3.41 —> (классификация ГОССТРОЯ). Ударно-канатное бурение, классификация по буримости . Классификация по буримости на россыпях для ударно-канатного бурения VI категории. При выборе ПРИ на твердые полезные ископаемые пользуемся классификацией по буримости, абразивность по Любимову, трещиноватость по ВИТРу, при выборе типа долота при бурении на нефть, газ и воду пользуемся категорией твердости и категория абразивности по обобщенной шкале ВНИИБТ.

Лекция 4.

Методики выбора ПРИ: твердосплавного, алмазного; выбор долот; классификация горных пород по формациям для геологоразведочного бурения (ВИТР, МПР).

Методика Б.И. Воздвиженского. Критерии выбора твердосплавной коронки (учебник Воздвиженского стр. 220-222, методическое пособие стр. 20-22):

1. категория горных пород по буримости

2. абразивность

3. трещиноватость

Выбор ПРИ при алмазном бурении (справочник Козловского 1 том, стр. 248-252). Критерии выбора:

1. категория по буримости

2. абразивность

3. трещиноватость

4. р_м = 3 • F_д^0,8 • К_а Выбор долот по методу ВНИИБ'Г (стр. 248-252). Метод основан на классификационной таблице соответствия парных твердости и абразивности пород типам шарошечных долот. Реперные долота - долота, дающие наилучшие показатели по стоимости метра бурения.

Па пересечении средневзвешенной категории твердости и абразивности ставим ножку циркуля и крутим окружность до пересечения с точкой реперного долота, которое и будет выбранным. По Калинину и другим руководство. Классификация горных пород по формациям для геологоразведочного бурения по ВИТР, 2002, Санкт-Петербург. Критерии

1. твердость пород

2. абразивность

3. зернистость

4. трещиноватость

5. нарушенность пород

6. способность заполировывать алмазный инструмет

Зернистость - совокупность расположения, размепзерен. Нарушенность - раличные виды дислокаций, разломов в породе. Способность к заполированию: филлиты,железистые кварциты. Классификация состоит из 8 формаций, каждой из которых соответствует код:

1 и 2 - мягкие и средней твердости перемежающиеся породы, применяется твердосплавный ПРИ; 3,4,5,6,7,8 - различной твердости, абразивности, трещиноватости, применяется алмазный инструмент.

Лекция 5

Разрушение горных пород при ударном бурении

Ударное бурение — древнейший способ разрушения горных пород. В настоящее время в практике распространено ударно-канатное бу­рение, при котором углубление скважины происходит вследствие ударного воздействия на породу забоя падающего инструмента.

Для придания скважине круглой формы долото необходимо поворачивать на некоторый угол |3 после каждого удара о забой. В момент удара долота о породу канат ослабляется и скручивается за счет его упругих свойств при проворачивании втулки в корпусе канатного замка. Во время подъема инструмента над забоем канат растягивается и раскручивается при поворачивании бурового снаряда.

В упруго-хрупких породах разрушение происходит в режиме раздавливания и смятия породы, однако значительный объем породы разрушается в результате деформаций скалывания. Предел прочности на скалывание составляет 1/10—1/25 от величины прочности породы на раздавливание.

В пластичных породах деформаций скалывания не возникает и порода как бы влипает в контуры забоя.

Сопротивление горных пород при ударном бурении следует характеризовать динами­ческой твердостью, т. е. прочностью на вдавливание при ударном приложении внешних сил.

По данным Л. А. Шрейнера, имеется весьма существенная разница между динамическим и статическим сопротивлениями вдавливанию цилиндрического пуансона в скальные горные породы .

Твердость различных пород

Горная порода	Твердость, МПа
	статическая	динамическая
Кварцит	7000	800
Габбро-норит	3700	420
Известняк	1600	190

Из таблицы видно, что статическая твердость примерно в 8—9 раз больше динамической, поэтому ударное долото значительно легче внедряется в твердую породу по сравнению с долотом вращательного типа, к которому в основном прилагается статическая нагрузка.

При ударном бурении поверхность забоя шероховатая. Вследствие этого сопротивление вдавливанию даже в однородной породе является величиной переменной и определяется расположением данной насечки (от удара долота) относительно соседней. Роль трения при ударном бурении во много раз меньше, чем при вращательном.

Долото при падении на забой совершает полезную работу, однако его энергия расходуется также на трение о стенки скважины, преодоление сопротивления жидкости, дробление уже отделенных от массива и находящихся на забое частиц, деформацию бурового снаряда.

Конечная скорость свободного падения ударного инструмента v определяется по формуле

где S— высота падения инструмента, м; b — ускорение падения инструмента в скважине, м/с².

Конечная скорость свободного падения бурового снаряда зависит от высоты его падения S и ускорения падающего снаряда b в скважине, заполненной жидкостью и породным шламом. При начальном положении Uo = 0.

Величина Ь зависит от прямолинейности ствола и состояния его стенок, а также от плотности зашламованной жидкости в призабойной части. При бурении в мягких породах глинистого состава ускорение b может снижаться до 3,5—5 м/с², а в крепких — равно 6—6,5 м/с².

Большая плотность зашламованной жидкости в скважине снижает скорость падения бурового снаряда на забой, поэтому в процессе долбления в скважину периодически подливается вода, а шламовая жидкость извлекается желонкой. При внедрении рабочего лезвия долота, имеющего форму двустороннего клина, в скальную породу непосредственно под ним происходит раздавливание породы в тонкий порошок и скалывание породы в сторону от щек долота. При внедрении клинообразного лезвия в пластичную породу происходит смятие, уплотнение и выдавливание породы у щек лезвия долота.

Для простоты рассмотрения процесса разрушения пород при ударном бурении введем следующее допущение: скважина является вертикальной, и долото при падении не касается стенок, а лезвие его не затуплено; долото ударяется о совершенно чистый забой.

П усть под действием силы удара Р долото внедряется в породу на глубину Л. При этом долото преодолевает сопротивление породы раздавливанию (смятию) V (реакция со стороны породы на долото) и силу трения W щек лезвия долота о забой.

Следовательно,

Из рисунка следует, что реакцию породы раздавливанию V

определяют из выражения

г де h — глубина внедрения долота, м; D — длина лезвия долота, м; о — сопротивление породы раздавливанию при ударе, МПа; а —угол приострения лезвия, град.

Равнодействующую сил трения Wi определяют по соотношению

Где f —коэффициенттрения лезвия долота о породу колеблется в

пределах от 0,15 до 0,4; для известняков f = 0,2 - 0,3, песчаников f = 0,25 - 0,35, многих изверженных пород f = 0,28 - 0,4.

Подставляя в формулу выражения V и W получим величину силы удара о забой:

И з формулы следует, что глубина внедрения долота в породу равна

В ведем в формулу коэффициенты Ki и К₂, которые учитывают реальные условия работы долота на забое:

где K₁ — коэффициент, учитывающий влияние длины и формы лезвия долота (для плоского долота K₁ = 1,0; для долот с более сложной конфигурацией лезвия К₁ = 0,7—0,75; К₂ — коэффициент, учитывающий степень притупления лезвия долота К₂ = 0,6—0,7.

Полученная формула глубины внедрения долота в породу позволяет сделать ряд важных выводов:

• с увеличением силы удара увеличивается глубина внедрения долота в породу h;

• увеличение диаметра долота при прочих равных условиях снижает h;

• увеличение угла а и коэффициента трения f снижает h.

Формула выведена при условии целого рада допущений:

• сила удара Р распределяется равномерно по длине лезвия долота;

• сила удара Р изменяется пропорционально глубине h;

• коэффициент трения лезвия долота о породу принят величиной постоянной, в то время как скорость движения долота изменяется от максимума до нуля;

• коэффициент притупления лезвия долота К₂ принят величиной постоянной, хотя он изменяется в процессе отработки долота;

• принятая в расчете величина сопротивления породы раздавлению о не в полной мере определяет процесс разрушения породы, так как при этом не учитываются деформации скалывания и сдвига;

• фактическая величина углубления зоны разрушения под лезвием долота за счет

эффектов хрупкого скола породы может существенно превосходить глубину внедрения долота А.

Таким образом, формула определяет качественную сторону процесса внедрения лезвия долота в породу. В силу ранее принятых допущений, а также из-за невозможности учета эффектов скола горной породы и влияния шламового режима на показатели бурения формула не может быть использована для практических расчетов скорости бурения.

Оптимальный вес инструмента, высота сбрасывания снаряда, число ударов, угол

поворота долота

В ес бурового снаряда определяют исходя из значений относительного веса

где q — относительный вес инструмент, н/см; D — диаметр долота, см.

Практикой ударно-канатного бурения установлены следующие оптимальные значения q, в н/см: