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

15 тыс. м температура достигает, как и при определении коэффи­

гих случаях при t = 600° С вдавливание сопровождается лишь пла­ стическим деформированием породы).

Приведенные выше данные показывают, что при незначительном увеличении глубины бурения для объемного разрушения пород осе­ вую нагрузку необходимо увеличивать. Однако на глубинах более 5—6 тыс. м твердость пород может даже незначительно уменьшаться. Размеры же зон разрушения возрастают (следовательно возрастает эффективность бурения) и лишь на глубине 9—10 тыс. м они нач­ нут уменьшаться из-за высокой пластичности пород. Эффектив­ ность разрушения при этом вряд ли уменьшится, если применить для бурения долота, соответствующие состоянию пород. Если же породы влажные или насыщены жидкостью, то, очевидно, к показателям осевой нагрузки и скорости проходки необходимо вносить соответ­ ствующие поправки.

§ 14. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Многие специалисты уменьшение механической скорости буре­ ния при росте глубины бурения объясняют тем, что гидростатическое давление увеличивает прочность горных пород. Результаты исследо­ ваний, приведенные в настоящей главе, показывают, что данное утверждение в одних случаях неполностью объясняет сущность явления, а в других оно неверно.

Действительно, механическая скорость бурения даже при гидро­

и другие показатели физико-механических свойств, при таком да­ влении практически не увеличивается. Для заметного увеличения твердости давление должно быть не менее 100—150 кгс/см2 .

При контакте жидкости с образцом увеличение давления может вызвать даже уменьшение твердости породы, тогда как vM при буре­ нии с ростом глубины в одной и той же породе никогда не увеличи­ вается. Следовательно, главной причиной уменьшения механиче­ ской скорости бурения при увеличении глубины бурения с промыв­ кой является ухудшение качества очистки забоя от выбуренной породы. Увеличивающийся перепад давления на границе «промывоч­ ная жидкость — порода» постоянно ухудшает условия для отделе­ ния частиц породы от основного массива.

Приведенные данные позволяют наметить некоторые пути про­ ведения дальнейших исследований для оценки изменения сопроти­ вления пород разрушению при бурении с увеличением глубины их залегания.

1. Исследования влияния гидростатического давления на физикомеханических свойствах пород различного минералогического со­ става, структуры, текстуры и крепости с применением жидкостей,

создающими давление, близкими по своим свойствам к промывочным жидкостям (главным образом близкими по вязкости).

2.Исследования влияния горного давления на механические свойства пород для моделирования глубин их залегания вплоть до U5 тыс. м (также на породах различного состава).

3.Проведение исследований по моделированию пластового да­ вления.

4.Исследование влияния горного, гидростатического и пласто­ вого давлений при различной температуре горных пород (с учетом того, что градиент температур зависит от района заложения скважин).

5.Проведение лабораторных исследований влияния всех забой­ ных факторов на механическую скорость проходки при бурении породоразрушающими инструментами различных типоразмеров.

До настоящего времени подобные исследования проводились в основном лишь отдельными исследователями. Решить же большие задачи по разработке техники и технологии бурения глубоких сква­ жин можно лишь при систематических планомерных исследованиях. В конечном итоге проведение всех этих исследований позволит ре­ шить вопрос о создании расчетных методов определения физикомеханических свойств пород при увеличении глубины их залегания и, следовательно, о правильном проектировании параметров ре­ жима бурения и вооружения долот, а также о предварительном определении ожидаемой механической скорости бурения и величины проходки на породоразрушающий инструмент с последующим уста­ новлением областей применения долот в зависимости от конкрет­ ных геологических условий и глубины бурения скважин.

'агентом.

Г Л А В А I X

КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

§1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Проблема классификации горных пород является одной нз труд­ нейших в современной науке, в области горного дела и бурения. Разработкой классификаций пород исследователи занимаются в те­

5 групп, однако этот вопрос применительно к нормированию работ при бурении скважин из-за своей сложности до настоящего времени по существу не решен.

Бурное развитие техники и технологии бурения требует постоян­ ного уточнения норм времени, затрачиваемого на механическое буре­ ние. Например, за последние 10—15 лет при бурении колонковых скважин нашли промышленное применение алмазные коронки и до­ лота различных типов, шарошечные колонковые долота и долота сплошного бурения, а также коронки для ударно-вращательного бурения с применением гидро- и пневмоударников.

Существующая классификация пород по бурпмости была раз­ работана для условий бурения дробовыми коронками и коронками, армированными резцами из твердого сплава. В то же время показа­ тели бурения с применением породоразрушающих инструментов различных типов непропорциональны в породах различных кате­ горий, и поэтому возникла необходимость создания новых класси­ фикаций горных пород применительно к каждому способу бурения.

Классификации горных пород делят по: областям промышлен­ ного применения (для геофизики, геологии, техники разведки полез­ ных ископаемых и т. д.), видам полезных ископаемых, классифика­ ционным показателям пород, методам испытания пород, диапазонам и числам классов в классификациях.

Для нужд технического нормирования наибольшее значение имеют содержание классификаций, диапазон и структура шкалы показателей. Содержание любой классификации — это характери­ стики, заложенные в ее основу; номенклатура пород; установленные показатели для каждой категории пород и параметры, примени­ тельно к которым дана шкала показателей. В настоящее время о со-

держании и методике построения классификаций, а также о показа­ теле, который должен быть заложен в ее основу, существуют различ­ ные мнения, и поэтому для целей технического нормирования и со­ ставления проектов и смет многими организациями составлено много классификаций.

Наибольший интерес представляет группировка классификаций по показателям, которые заложены в ее основу. По своему содержа­ нию все классификации можно разделить на четыре основные группы:

носительные показатели. Многие из них в горцом деле появились значительно раньше других классификаций, однако их практическое значение невелико (особенно для целей бурения). Главный недоста­ ток этих классификаций заключается в том, что, во-первых, они отличаются неопределенностью и поэтому не могут быть применены для прямого нормирования работ и, во-вторых, показатели, зало­ женные в их основу, непригодны для проектирования горнотехноло­ гических процессов (как в горном деле, так я в бурении). В связи с этим в настоящей работе классификации данной группы не рас­ сматриваются.

§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА

В настоящее время классификациям пород по производственным показателям отдают предпочтение перед другими. Они составлены с учетом специфики проведения буровых и взрывных работ, причем

единая шкала буримости (ЕШБ) Министерства электростанций СССР,

в основу которой положены число расходуемых стальных и твердо­ сплавных буров на 1 м проходки и механическая скорость проходки; классификация А. Ф. Суханова, в основу которой также положены количество затупленных буров на 1 м проходки и механическая ско­ рость бурения в (мм/мин); классификация Главзолота [183], име­ ющая 11 категорий с большим количеством наименований пород и разделенная на группы по затратам времени на 1 м проходки шпура; классификация Гиредмета [143, 183] по скорости чистого бурения, среднему количеству пробуренных шпурометров на одну заточку

иколичеству оторванной массы на один шпурометр; классификация П. П. Назарова и В. С. Бондаренко по времени бурения 1 м шпура

ипо взрываемости; единая классификация пород для нормирования ударно-канатного бурения; ведомственные классификации (треста

"Уралруда [189], Коунрадсксто рудника, Магнитогорского рудника, рудника «Угольный ручей», классификация пород Криворожья [58] и др.); классификация ЕНВ МГ СССР на бурение разведочных, струк­ турно-поисковых и картировочных скважин [81], в которой отнесе­ ние пород к определенной категории предусмотрено по литологическому составу (как указывается в ЕНВ, литологическпй признак не дает достаточно объективных данных для отнесения горных пород к той пли иной категории, поэтому в спорных случаях категорию определяют квалифицированные ИТР при рациональных технологи­ ческих параметрах режима бурения).

Классификации горных пород по показателям производствен­ ного процесса имеют ряд существенных недостатков, главными из которых являются следзаощие.

1. Все классификации разработаны при определенных условиях и приемах технологического процесса, н поэтому они могут быть применены для нормирования буровых работ только на некотором этапе развития техники и технологии бурения скважин.

2. При определении буримости пород трудно создать стандарт­ ные условия. Известен метод определения категорий пород на спе­ циальном производственном стенде [42]. Если же с помощью этих установок и удастся сохранить стандартные условия, то применить их для условий бурения скважин почти невозможно, так как в гео­ логоразведочных организациях такие установки в ряде случаев не­ применимы из-за малого диаметра керна.

Завышение или занижение категории пород одинаково вредно сказывается на совершенствовании технологии бурения. Кроме того, соблюдение стандартных условий приводит к ограниченному прак­ тическому применению подобных классификаций.

3.Опыт показывает, что уже в процессе разработки и внедрения новых классификаций, составленных по производственным пока­ зателям, они устаревают, поскольку за это время разрабатывают породоразрушающие инструменты нового типа. Например, при мас­ совом внедрении гидро- и пневмоударников понадобилось создавать совершенно новую шкалу буримости. Даже при разработке более совершенной технологии проходки скважин шкалу буримости необ­ ходимо обновлять через каждые пять — шесть лет.

4.Буримость пород является функцией многих природных, тех­ нических и технологических факторов. Поскольку при каждом спо­ собе разрушения пород имеются свои особенности и своя техноло­ гия бурения, соотношения между показателями бурения различными

5. Существующая методика определения категорий пород по буримости методом контрольного бурения не обеспечивает стабиль­ ности результатов и не отражает эффективности использования бу­ рового оборудования. Такая методика не только не позволяет опре­ делить истинную категорию, но и не дает возможности инженеру-

произв дственнику контролировать техническое состояние применяе­ мого оборудования. Недостаточное использование имеющейся буро­ вой техники является причиной завышения категории пород по бу­ римости, и поэтому часто категории пород, установленные в различ­ ных районах, несопоставимы.

Следовательно, классификации пород по производственным пока­ зателям пассивны — они не способствуют повышению производитель­ ности труда даже при применении новых породоразрушающих ин­ струментов.

6. Над разработкой норм времени, затрачиваемого на механи­ ческое бурение, постоянно трудятся высококвалифицированные спе­ циалисты-буровики и экономисты нормативно-исследовательских партий, планово-экономических отделов геологоразведочных орга­ низаций и научно-исследовательских институтов, на что тратится много сил и средств. <

Таким образом, несмотря на то, что в настоящее время класси­ фикации пород по производственным показателям широко приме­ няют на практике, в целом данный метод классификации горных пород следует признать недостаточно совершенным, допускающим неточности при отнесении пород к той или иной категории буримости.

§ 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ

ГОРНЫХ ПОРОД

В классификации горных пород по физико-механическим свой­ ствам одновременно включают как количественные показатели, так и качественные (мягкие, крепкие, твердые, малоабразивные, абра­ зивные и т. д. породы). Последние показатели довольно противоре­ чивы и в практическом отношении, как уже отмечалось, малопри­ годны. Количественные показатели также довольно разнообразны, рекомендации по их использованию противоречивы, а классифика­ ционные шкалы составлены по самым различным признакам.

Для классификации горных пород в настоящее время-предложено более 30 основных показателей — это объемный вес; пористость; временное сопротивление пород разрушению при одноосном сжатии, растяжении, изгибе, скалывании, одноплоскостном срезе; угол сцепления; угол трения; угол естественного обрушения; относитель­ ная деформация; твердость при вдавливании штампа в шлифованную поверхность образца породы; контактная прочность при вдавлива­ нии штампа в необработанную поверхность образца; твердость при истирании; условный предел текучести при вдавливании штампа; условный коэффициент пластичности; размеры зон разрушения (глу­ бина и диаметр), образующиеся при вдавливании штампа в шлифо­ ванную поверхность образца породы; абразивность, определенная различными методами; показатели прочности при дроблении пород падающим грузом; коэффициенты крепости по М. М. Протодьяконову (/ = 0,01ос ж ) и по Г. Ларесу (/ = 0,0005ас ж ); угол внутреннего

трения; динамический и статический модули упругости; коэффи­ циент Пуассона ц; коэффициент упругости распора Ку = -~~! УДельная контактная и объемная работа разрушения при вдавливании

меры частиц при дроблении образцов пород одиночным ударом) и др. При построении классификационных шкал одновременно исполь­ зуют не более 1—3 показателей фпзпко-механическнх свойств пород. Применительно к бурению скважин из всех перечисленных показа­ телей рекомендованы к практическому использованию около 20. Перечень классификаций по физико-механическим свойствам пород, представляющих наибольший интерес, приведены в табл. 24. Кроме классификаций, приведенных в табл. 24, известен ряд классификаций пород отдельных месторождений полезных ископае­ мых (например классификация А. М. Матвеевой [1181 по показате­ лям свойств пород нефтяных месторождении Татарии, определенных методом вдавливания штампа, классификация КузНИУИ [4, 5] по физико-механическим свойствам с геологопетрографической харак­

теристикой пород Кузбасса и др.).

Особый интерес представляет классификация, предложенная В. В. Ржевским. Принцип выбора показателей свойств пород заклю­ чался в том, чтобы они не зависели друг от друга, были элементар­ ными и наиболее часто употреблялись в расчетах.

Паспорт прочности пород состоит из петрографического опре­ деления породы (название; характеристика строения — слоистость, зернистость, аморфность; механическое состояние — степень нару­ шенное™; влажность) и базовых физических свойств: 1) объемного веса 7; пористости В; 2) временного сопротивления пород одноосному сжатию стсж и растяжению ар , модуля Юнга Е и коэффициента Пуас­ сона (х; 3) удельных теплопроводности X и теплоемкости с, коэффи­ циента линейного расширения 6; 4) удельного электросопротивле­ ния р, диэлектрической проницаемости | и магнитной проницаемости f i ' (автор классификации не исключает возможности включения в пас­ порт породы других физических свойств).

Показатели механических свойств горных пород, предложенные для их характеристики, по-видимому, рекомендованы, исходя из методов расчета технологических процессов по классическим законам

теории упругости, поэтому они недостаточны. Однако методика паспортизации пород для их всесторонней характеристики, безуслов­ но, заслуживает серьезного внимания.

Из приведенных классификаций для прямого нормирования ра­ бот предназначены лишь три классификации, при этом Н. И. Люби­ мов и Н. В. Быкова и М. В. Вптторф рекомендуют показатели для объективного определения категорий пород по существующей клас­ сификации ЕНВ 1963 г. МГ СССР.

Принцип классификации пород по коэффициенту крепости М. М. Протодьяконова неоднократно подвергался серьезной критике. Так, еще в 40—50-х гг. было показано, что коэффициент крепости / недостаточно обоснован. Этот тезис справедлив тем, что, например, глина при бурении разрушается легко, а при взрывании — трудно, что для двух классов пород соотношение расхода ВВ не пропорцио­ нально соотношению количества шпуров, необходимого на единицу объема взорванной породы; что при замене стальной коронки по­ бедитовой эффективность разрушения пород различных классов будет различной и т. д. В результате А. Ф. Суханов предложил классифицировать горные породы по производственно-техническим показателям.

Несостоятельность способа классификации горных пород по коэфилиенту крепости / показали позже А. Н. Бахчисарайцев и Г. А. Хачатрян. Согласно данным этой работы, к настоящему времени пред­ ложено много формул для определения технологических показа­ телей по значению /, однако каждая эмпирическая формула соста­ влена при различных технических и горно-геологических условиях, и поэтому результаты по ним получаются различными. Например, на рис. 64 показана зависимость времени механического бурения 1 м

диаметр шпура в см; / — коэффициент крепости по Протодьяконову. Этот рисунок убедительно доказывает, что формула (IX.1) как и многие другие, не полностью отражает физическую сущность про­

цесса разрушения пород, а поэтому применение коэффициента кре­ пости / для нужд повседневного технического нормирования приво­ дит к значительным ошибкам.

М. М. Протодьяконов (старший) полагал, что коэффициент кре­ пости / пригоден лишь для составления смет при проектировании и для плановых соображений, но не считал возможным его использо­ вание для оперативного нормирования.

По предложению Ф. А. Шамшева в ВИТР разработан прибор для определения категории буримости пород [59, 65] с помощью специаль­ ного прибора, так называемого «определителя твердости» ОТ (по величине реза кернового образца. Прибор предназначен для опре­ деления категорий пород по буримости от I V до X I I (табл. 26).

При разработке метода определения категорий пород сотрудники ВИТР исходили из того, чтобы прибор и метод не требовали пред­ варительной специальной подготовки испытуемого материала и в то же время обеспечивали надежную точность. Авторы метода [65] счи­ тают, что созданный ими прибор отвечает этим требованиям и к тому же обеспечивает объективность. На основании того, что сходимость

t

категорий пород по методу ВИТР с категориями пород по геологиче­ скому описанию и по механической скорости проходки высокая (от 33 до 90%), авторы приходят к выводу о необходимости внесения