4 Основные физико-механические свойства горных пород

Горные породы состоят из минеральных частиц, связанных между собой силами молекулярного взаимодействия или цементирующими материалами. По степени связности они разделяются на скальные, связные, сыпучие (рыхлые) и плывучие.

Скальные породы отличаются большой силой сцепления между частицами. К ним относятся кристаллические (гранит, кварцит, мрамор и т.д.) и обломочные сцементированные породы (конгломераты, песчаники и др.).

Скальные породы разделяются на хрупкие, хрупкопластинчатые и пластинчатые. На разрушение пластинчатых пород затрачивается больше работы, чем на разрушение хрупких.

Скальные породы могут быть монолитные и трещиноватые. Стенки скважин, пройденных в скальных породах, устойчивы за исключением трещиноватых, раздробленных участков.

Следует также различать две группы скальных пород: содержащих свободный кварц и бескварцевые. Кварцевые породы бурятся труднее и быстрее истирают породоразрушающий инструмент.

Связные породы характеризуются изменяющимися силами сцепления между частицами в зависимости от их влажности (глинистые породы, мел и др.). Разбуриваются эти породы сравнительно легко. Стенки скважин в связных породах устойчивы и не нуждаются в креплении. Однако среди глин встречаются такие, которые жадно впитывают воду, увеличиваясь при этом в объеме и вызывая сужение ствола скважины. При бурении таких пород для промывки скважины применяют глинистый раствор с малой водоотдачей.

Сыпучие (рыхлые) породы представляют собой скопления частиц различной формы и размеров (пески, гравий, галька), силы сцепления между которыми практически отсутствуют. Стенки скважины в таких породах неустойчивы, склонны к обвалам и требуют обязательного закрепления.

Плывучие породы состоят из частиц очень малых размеров (илы) и насыщены водой. Они требуют обязательного закрепления стенок скважины. Плывучие породы могут находиться под напором и подниматься по стволу скважины.

Знание физико-механических свойств горных пород геологического разреза, в котором намечается сооружение скважины, обеспечивает возможность правильного выбора способа бурения и разработки ее конструкции, применение рациональных типов породоразрушающих инструментов и параметров технологического режима бурения, а также принятия мер, предупреждающих осложнения и аварии в скважине.

На эффективность бурения влияет комплекс физико-механических свойств горных пород: механическая прочность, твердость, абразивность, хрупкость, упругость, пористость, трещиноватость, водопроницаемость.

Механической прочностью называется способность горной породы сопротивляться разрушению внешней нагрузкой. Чем выше механическая прочность горной породы, тем большая работа расходуется на ее разрушение. Чем тверже минеральные зерна, слагающие породу, крепче связь между ними, меньше пористость и трещиноватость, тем больше ее прочность. Мелкозернистые породы имеют большую прочность, чем породы крупнозернистые того же минерального состава.

Пористость обусловлена наличием в породе пространства, не заполненного твердым веществом. Такую пористость называют абсолютной или физической. Различают также эффективную пористость, определяемую наличием пор, сообщающихся между собой. Чем выше пористость пород, тем меньше их прочность. В пористых породах часто теряется промывочная жидкость. Поэтому их бурят с промывкой глинистым раствором.

Твердостью горной породы называется способность сопротивляться проникновению в нее другого более жесткого твердого тела, не получающего остаточных деформаций. В отличие от понятия прочности, характеризующего сопротивление тела объемному разрушению, твердость представляет собой сопротивление поверхностных слоев тела местному силовому воздействию. Агрегатная твердость породы зависит от твердости слагающих ее минеральных зерен, плотности и прочности цементирующего вещества. Следует учитывать, что способность породы сопротивляться внедрению в нее рабочего инструмента при динамическом приложении нагрузки значительно меньше, чем при статическом. Поэтому под воздействием динамических нагрузок породы разрушаются эффективнее.

Абразивностью называется способность горной породы изнашивать в процессе трения разрушающий ее инструмент. Высокой абразивностью обладают породы, сложенные крупными твердыми минеральными зернами, которые связаны цементирующим материалом малой прочности.

В соответствии с абразивностью пород принимается тип породоразрушающего инструмента.

В таблице 4.1 приведена краткая классификация пород по абразивности.

Независимо от способа разрушения горной породы большое значение при бурении имеет устойчивость пород в стенках скважины, зависящая от прочности связей между слагающими их частицами. По устойчивости породы делятся на четыре группы.

К первой группе относятся устойчивые породы – изверженные, метаморфические и плотные осадочные породы высокой или средней твердости. Породы этой группы монолитны или слаботрещиноваты, не размываются промывочной жидкостью. При их бурении не требуется крепление стенок скважины, и столбик керна, используемый для опробования, хорошо сохраняется.

Таблица 4.1 – Классификация пород по абразивности

Класс абразив-ности	Характеристика пород	Породы
I II III IV V VI VII VIII	Весьма малоабразивные Малоабразивные Ниже средней абразивности Среднеабразивные Выше средней абразивности Повышенной абразивности Высокоабразивные В высшей степени абразив-ные	Известняки, мрамор, глинистые сланцы, апатит, каменная соль Сульфидные руды, аргиллиты, мягкие сланцы: углистые, глинистые, хлорито-вые и т.д. Джеспилиты, роговики, магматические тонкозернистые породы, кварцевые и аркозовые тонкозернистые песчаники, железные руды, окремненные известняки Кварцевые и аркозовые песчаники, диабазы, жильный кварц, мелкозернистые магматические породы, окварцованные известняки Крупнозернистые кварцевые и аркозовые песчаники, граниты, порфириты, габбро, гнейсы, скарны Средне- и крупнозернистые граниты, диориты, порфириты, амфиболиты, кварцевые сланцы Порфириты, диориты, граниты, сиениты Корундосодержащие породы

Во вторую группу объединяются слабо устойчивые породы невысокой твердости с недостаточно прочной связью между зернами, а также трещиноватые, раздробленные и сбрекчированные породы. При их бурении необходимы меры, предупреждающие потерю промывочной жидкости, вывалы породы со стенок скважины, истирание и размывание керна.

В третью группу объединены породы с изменяющейся устойчивостью, связь между слагающими их частицами может изменяться при воздействии на них водой. Это плотные, невысокой прочности породы, легко растворяющиеся или размываемые промывочной жидкостью (глинистые породы, каменная соль). Бурение таких пород сопровождается образованием каверн в стенках скважины и сложностью сохранения керна, необходимого для опробования. Глинистые породы при насыщении водой разбухают, что приводит к сужению скважины и прихвату в ней снаряда.

К четвертой группе относятся неустойчивые породы , не имеющие связи между зернами (песок, гравий, галечник). Бурение таких пород, особенно обводненных, является наиболее сложным.

Перемещение забоя скважины под воздействием породоразрушающего инструмента на горную породу называется углубкой скважины. Величина углубки скважины по определенной породе за единицу времени чистого бурения, т.е. без учета времени, затраченного на вспомогательные операции, называется буримостью. Оценивается буримость в м/ч, см/мин, мм/мин. Величина буримости зависит от физико-механических свойств буримой породы. Чем труднее разрушается порода, тем ниже ее буримость. Большое содержание кварца, высокая плотность снижают буримость горной породы. Мелкозернистые породы имеют буримость меньше, чем крупнозернистые того же минералогического состава. Слоистые и сланцевые породы имеют различную твердость в разных направлениях. В связи с этим буримость таких пород в разных направлениях к сланцеватости различна.

Буримость пород зависит также от способа бурения, типа и качества породоразрушающего инструмента. Твердые, монолитные породы бурятся лучше алмазами, чем твердыми сплавами. При ударно-вращательном бурении таких пород твердыми сплавами буримость выше, чем при вращательном. По мере износа породоразрушающего инструмента буримость снижается. Кроме того, величина буримости пород зависит от диаметра и направления скважины, параметров технологического режима бурения, совершенства используемых технических средств, квалификации членов буровой бригады и организации труда. По мере совершенствования технологии бурения и повышения износоустойчивости породоразрушающих инструментов буримость повышается.

В настоящее время существует несколько шкал буримости пород для разных способов бурения. Для вращательного механического бурения горные породы разделяют на 12 категорий, ударно-механического – на 7 категорий, ударно-механического при разведке россыпей – на 6 категорий и для вращательного бурения шнеками – на 6 категорий.

В основу классификации положена механическая скорость бурения пород (за 1 ч времени чистого бурения). При этом учитывается величина углубки скважины до допустимого износа породоразрушающего инструмента (углубка за рейс), существенно влияющая на производительность труда. Буримость горных пород устанавливается опытным путем при рациональных режимах бурения. Буримость горных пород положена в основу норм выработки.

Ниже приводятся скорости бурения и углубки за рейс при бурении механическим вращательным способом по породам различных категорий (таблица 4.2).

Таблица 4.2 – Буримость горных пород вращательным способом

Показа тели	Категории пород по буримости
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Скорость бурения, м/час Углубка за рейс, м	13,5 3,5	7,5 2,7	3,8 2,2	2,55 2,0	1,65 1,9	1,3 1,7	1,3 1,5	0,7 1,4	0,48 1,2	0,3 1,0	0,21 0,7	0,7 0,4