книги из ГПНТБ / Воздвиженский Б.И. Физико-механические свойства горных пород и влияние их на эффективность бурения

хотя формально он был вызван резким снижением модуля упругости и ростом работы упругих деформации [47, 5 1 , 213].

Какие-либо другие работы, освещающие совместное влияние температуры и горного давления на механические свойства пород при вдавливании, отсутствуют. В связи с ограниченным числом ис­ пытаний типов пород и не всегда объяснимыми результатами иссле­ дований обобщающие выводы сделать трудно. Очевидно, что эти исследования следует продолжить на большем количестве образцов.

§ 11. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ ЖИДКИХ СРЕД НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД ПРИ ВДАВЛИВАНИИ

Экспериментальными исследованиями доказано, что жидкая среда значительно снижает сопротивляемость вдавливанию тех горных пород, которые обладают дефектами в своей внутренней структуре (пористость, микротрещпноватость). В процессе бурения в породе, слагающей забой, образуются трещины, в которые может проникать промывочная жидкость, часто сложная по своему химическому со­ ставу, содержащая различные поверхностно-активные вещества. Следует учесть п то обстоятельство, что с увеличением глубины буре­ ния возрастает давление гидростатического столба промывочной жидкости, способствующее интенсивному проникновению жидкой среды в микротрещпны. Жидкость, как уже отмечалось, в этом слу­ чае сжимает отдельные зерна, не пораженные дефектами, ослабляя силы связи между ними.

В забойных условиях горные породы чаще всего бывают увлаж­ ненными. Поэтому даже при бурении скважин с очисткой забоя газо­ образными агентами необходимо учитывать влияние жидкости на ме­ ханические свойства и, следовательно, на буримость горных пород.

Известно, что все показатели механических свойств пород и раз­ меры зон разрушения, образующиеся при вдавливании штампа, уменьшаются при смачивании пород водой и другими жидкостями. Исследования показывают, что чем больше дефектов в породе, тем большее влияние на механические свойства оказывает жидкая среда. Особенно резко уменьшается объем лунок при вдавливании штампа в пропитанные водой образцы. Так, объем лунки при вдавливании штампа в образцы пелитоморфного известняка уменьшается в 5— 6 раз. Жидкие среды понижают прочность и при других способах испытаний горных пород.

Степень влияния жидких сред на механические свойства пород зависит также от минералогического состава пород, поэтому при про­ ведении исследования влияния даже только горного давления не­ обходимо изучать влияние жидкостей на горные породы.

Подобные исследования имеют большое значение для выявления некоторых причин повышения эффективности разрушения горных пород при переходе к очистке забоя воздухом вместо воды или гли­ нистого раствора. В ИГиРГИ было проведено изучение физико-хими­ ческого влияния воды на механические свойства пород разреза неф-

§12. АБРАЗИВНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

ВУСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ

Выше было показано наличие грубой взаимной корреляционной связи прочностных п абразивных свойств горных пород. Это указы­ вает на возможное влияние высоких давлений и температур на абра­ зивные свойства горных пород. До последнего времени указанное влияние не исследовалось п лишь недавно появились сообщения о проведении таких исследований с использованием установки кон­ струкции Е. Т. Струговца.

Абразивность породы определяли с помощью двух стальных рез­ цов (мпкродолота), симметрично расположенных относительно центра вращения. Образец породы высотой 35 и диаметром 50 мм помещали в камеру высокого давления, которую заполняли водой. Плоско­ параллельные поверхностп образца предварительно шлифовали мик­ ропорошком № 12. Продолжительность трения составляла 10 мин при подаче резцов снизу вверх.

Критерием абразивности служил удельный весовой износ (в мг) резцов да, приходящийся на 1 м пути трения, и относительный пзнос со0 р, определяемый как отношение объема изношенной части резцов к объему разрушенной породы.

Опыты проводили при давлении до 500 кгс/см2 и температуре до 250° С, однако результаты приведены лишь по исследованию абразпвностп мрамора ( р ш = 114 кгс/мм2 ) в атмосферных условиях и при гидростатическом давлении 300 кгс/см3 (скорость вращения микро­ долота п — 236 об/мин при осевой нагрузке 65; 97,5 и 130 кгс). Ре­

Как видно из приведенных данных, абразивный износ стали при увеличении гидростатического давления возрастает, причем интен­ сивность этого возрастания при малых нагрузках выше.

В соответствии с этим, возрастает относительный износ, показы­

по объему) исследований показывают необходимость их проведения для использования в практических расчетах по износу породоразрушагощих инструментов.

§ 13. ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОРОД РАЗРУШЕНИЮ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ ГЛУБИНЫ БУРЕНИЯ

Сопротивление горных пород разрушению существенно различно при бурении скважины с очисткой забоя воздухом или газом, аэри­ рованной жидкостью, водой и глинистым раствором. Это отличие обусловлено различным гидростатическим давлением на забой, в ре­ зультате чего отличаются показатели механических свойств пород, а также различной степенью очистки забоя от шлама. Не вызывает сомнения тот факт, что чем менее вязкий агент, циркулирующий в скважине, тем он легче проникает в пространство между частицами разрушенной породы и забоем и, следовательно, тем быстрее он отры­ вает частицы от забоя. В результате частицы разрушенной породы менее переизмельчаются, чем при бурении с очисткой забоя более вязким агентом.

Исходя из этого, изменение сопротивления пород разрушению необходимо рассматривать при двух условиях — при очистке забоя газом и при очистке забоя промывочной жидкостью, поскольку удель­ ный вес и вязкость этих двух агентов несоизмеримы.

Результаты исследований, рассмотренные в настоящей главе, показывают качественные закономерности влияния гидростатиче­ ского давления на механические свойства некоторых пород.

Для условий бурения скважин с очисткой забоя газообразными агентами проведенные исследования позволяют установить общие качественные и количественные закономерности изменения твердости и размеров зон разрушения осадочных, метаморфических и магмати­ ческих пород при возрастании горного давления до 1500— 2000 кгс/см2 , что соответствует глубине залегания пород до 6—8 км.

К настоящему времени установлены некоторые закономерности изменения механических свойств пород при увеличении температуры их нагревания. Если допустить, что горное давление и температура влияют на механические свойства пород независимо, то по полученным данным можно дать приближенный расчет осевой нагрузки на шаро­ шечное долото и ожидаемой механической скорости бурения vu.

Изменение оптимальной осевой нагрузки при увеличении глу­ бины бурения с очисткой забоя воздухом можно оценить с помощью температурного коэффициента at, коэффициента горного давления ар, и коэффициента динамичности нагружения при бурении а д [17].

Динамическую составляющую осевой нагрузки можно опреде­ лить по следующей формуле [83]:

показали исследования, при п = 100—150 об/мин и оптимальной нагрузке при бурении в мягких пластично-хрупких осадочных поро­ дах коэффициент а д должен быть близок к единице, в породах сред­ ней твердости он равен 1,03—1,2, а в твердых — 1,2—1,3.

При бурении глубоких скважин в магматических породах возни­ кает необходимость учета роста коэффициента пластичности с глу­ биной в связи с действием температурного фактора." Рекомендуются

можно рассчитать, исходя из условия, что температура 250° С дости­

=0,90—1,00.

Т а б л и ц а 20

так как исследования были проведены лишь на осадочных породах, слагающих нефтяные месторождения на западе Украины. Для пород других районов коэффициенты ар и at могут значительно отличаться от приведенных в табл. 20. Для установления значений этих коэф­ фициентов необходимо провести исследования механических свойств пород конкретных геологических разрезов.

изменение коэффициента арі с увеличением глубины залегания пород. Исходя из проведенных исследований, принято, что для всех

что во втором случае они обычно ниже, чем в первом, за счет физико-химического влияния промывочной жидкости. Несмотря на это, эффективность бурения скважин с очисткой забоя воздухом обычно выше в связи с тем, что размеры зон разрушения при эле­ ментарном вдавливании при этом способе бурения значительно больше, чем при промывке.

О величине изменения ожидаемой механической скорости буре­ ния в зависимости от глубины залегания пород можно судить по величинам коэффициентов а и 7 (коэффициенты изменения соответ­ ственно диаметра и глубины зон разрушения, образующихся при вдавливании штампа).

В табл. 22 приведены значения коэффициентов р і | для оса­ дочных пород различной твердости. Значения этих коэффициентов получены как произведение коэффициентов изменения размеров зон разрушения под действием горного давления (Вр и ур) и температуры

В табл. 23 приведены значения коэффициентов В и у для твердых магматических пород, при этом условно принято, что на глубине

\на различных глубинах, м

Наименование породы 35 00 6000 10 00-0 12 500 15 ООО