книги из ГПНТБ / Куличихин Н.И. Разведочное бурение учебник

С 1960—1962 гг. началось широкое внедрение и освоение алмаз­ ного бурения. Был разработан ряд алмазных коронок, армирован­ ных алмазами первого и второго сортов. Резко увеличился объем алмазного бурения. Если в 1959 г. алмазным бурением было прой­

Начиная с 1956 г. внедрены и получили широкое распространение новые типы твердосплавных коронок. Начали внедряться шарошеч­ ные долота под обсадные трубы геологоразведочного стандарта.

Достаточно широко проведена механизация спуско-подъемных операций. Благодаря устройствам ПО-49 и РТ-1200 механизированы трудоемкие операции по свинчиванию и развинчиванию бурильных труб. Широко внедрены новые элеваторы, позволяющие произво­ дить спуско-подъемные операции без верхового рабочего.

Значительный вклад в развитие теории и практики колонкового бурения внесли коллективы кафедр техники разведки Ленинград­ ского, Днепропетровского и Свердловского горных институтов, Московского геологоразведочного института и Томского политехни­ ческого института.

Советская буровая техника является одной из передовых в мире. Очередными задачами по ее усовершенствованию являются ком­ плексная механизация и автоматизация всех трудоемких процессов разведочного бурения.

Предстоит освоение сверхглубокого бурения с отбором кернов для вскрытия верхней мантии Земли.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Горные породы состоят из минеральных частиц, связанных между собой силами молекулярного взаимодействия или цементи­ рующим материалом.

По происхождению все горные породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы являются продуктом затвердения магмы. В зависимости от условий охлаждения магматические породы делятся на глубинные (интрузивные) и излившиеся (эффузивные).

Глубинные породы обладают полнокристаллической структурой и представляют собой плотные кристаллические массивы (граниты, сиениты, диориты, габбро и пр.).

Излившиеся породы отличаются стекловидной и ненолнокристаллической структурой.

Магматические породы имеют высокую прочность. По содержа­ нию кремнезема (Si02) магматические породы делятся на четыре группы:

1)кислые с содержанием S i0 2 более 65% — гранит, липарит, пегматит, кварцевый порфир;

2)средние с содержанием S i0 2 от 65 до 52% — диорит, сиенит, андезит;

3)основные с содержанием S i02 от 52 до 40% — габбро, диабаз, базальт;

4)ультраосновные с содержанием S i0 2 менее 40% — дуниты, перидотиты, кимберлиты.

Кислые магматические породы содержат свободный кварц и труд­ нее поддаются разрушению при бурении.

Осадочные породы по своему происхождению делятся на следу­ ющие основные группы:

а) механические осадки, являющиеся результатом разрушения, переноса и отложения мелких кусочков разрушенных горных пород; б) осадки химического происхождения (минеральные соли и пр.); в) органические осадки (известняки, доломиты, мел, угли и пр.). По своим физико-механическим свойствам осадочные породы

в зависимости от происхождения и геологических условий бывают весьма разнообразны — от плывучих, сыпучих и рыхлых до плотных и крепких.

давлений и высоких температур.

Наибольшей твердостью обладают изверженные и метаморфи­ ческие породы. Из осадочных пород более высокой твердостью отличаются крепкие песчаники, доломиты и окремнелые известняки.

Породы, выходящие на дневную поверхность, выветриваются и имеют меньшую механическую прочность. При интенсивном выветри­ вании крепкие скальные породы превращаются в рыхлую дресву и наносы.

По степени связности горные породы разделяются на четыре основные группы: скальные, связные, рыхлые (сыпучие) и плывучие.

Скальные породы характеризуются наличием между минераль­

Хрупкие породы разрушаются по достижении предела упругости. Разрушению пластичных пород предшествуют не только упругие, но и остаточные вязко-пластические деформации. Поэтому на разру­ шение этих пород затрачивается больше работы, чем на разрушение хрупких.

На больших глубинах под влиянием высокого горного давления и температуры хрупкие горные породы начинают проявлять пласти­ ческие свойства.

Скальные породы бывают монолитные и трещиноватые. Стенки скважин, пройденных в скальных породах, устойчивы за исключе­ нием случаев пересечения сильно трещиноватых, раздробленных участков.

Скальные породы можно разделить на две группы: содержащие свободный кварц и бескварцевые.

Первая группа (кварцевая) характеризуется большей твердостью и абразивностью и труднее бурится.

Связные породы отличаются тем, что силы сцепления между частицами этих пород могут сильно изменяться в зависимости от влаж­ ности и восстанавливаться после нарушения связности путем при­ менения высокого давления и увлажнения.

Связные породы дают большие остаточные деформации без нару­ шения связности. Некоторые связные породы увеличиваются в объеме

при увлажнении (глинистые породы, мел). В этих породах стенки скважины могут выпучиваться и оползать.

Рыхлые (сыпучие) породы представляют собой скопления несвя­ занных между собой частиц различной формы и размеров (пески, гравий, галька, валуны и т. п.). Бурение в подобных породах обычно производится с одновременным закреплением стенок скважины, так как стенки неустойчивы и склонны к обвалам и оползням.

Плывучие породы состоят из частиц весьма малых размеров (илы) и полностью насыщены водой. Плывучие породы требуют закрепления стенок скважин. Плывучие породы, находясь под напором, могут подниматься по стволу скважины.

Горные породы обладают тем большей прочностью, чем тверже минеральные зерна, чем крепче связь между минеральными зернами, чем плотнее они связаны цементом и чем большей твердостью обла­ дает цемент.

Мелкозернистые породы прочнее крупнозернистых (при одном и том же минералогическом составе).

Более плотные, менее пористые и менее трещиноватые породы обладают большой прочностью.

Прочность горных пород по отношению к разным видам деформа­ ций различна.

Величины относительной прочности при различных видах дефор­ маций для некоторых пород приведены в табл. 1.

Т а б л и ц а 1

Разрушение горных пород при вращательном бурении, как правило, осуществляется вдавливанием резцов или зубьев различ­ ной формы в породу забоя и дальнейшим развитием разрушения породы скалыванием. Поэтому показатель твердости горной породы на вдавливание имеет при вращательном бурении большое значение.

Различают следующие свойства горных пород: твердость, меха­ ническую прочность, абразивность, вязкость, упругость, хрупкость, трещиноватость и кливаж.

Твердость — это свойство твердого тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела, не получающего остаточных деформаций. Твердость также можно определить как местную меха­ ническую прочность. В отличие от понятия прочности, характеризу­ ющего сопротивление тела полному (объемному) разрушению, твер­ дость представляет собой сопротивление поверхностных слоев тела местному силовому воздействию.

Различают агрегатную твердость горных пород и твердость отдельных минералов, слагающих породу. Агрегатная твердость зависит от твердости отдельных минеральных зерен, прочности и количества цементирующего вещества и плотности горной породы (ее объемного веса). Именно агрегатная твердость породы больше всего влияет на механическую скорость бурения.

Твердость отдельных минералов влияет на износ породоразруша­ ющего инструмента.

Л. А. ПІрейнер предложил определять твердость горной породы путем вдавливания в образец породы плоского пуансона с площадью основания от 1 до 5 мм2.

Для пород высокой твердости применяются пуансоны со вставкой из твердого сплава в виде усеченного конуса с площадью у вершины F = 1—2 мм2. Твердость и некоторые другие свойства измеряются на специальной установке для определения механических свойств горных пород УМГП или на гидравлическом прессе (рис. 2). Глу­ бину внедрения пуансона в образец породы определяют специальным измерительным индикатором, обеспечивающим точность отсчета до 0,001 мм.

Одновременно с твердостью можно определить модуль упругости породы и коэффициент пластичности, который характеризует спо­ собность породы давать остаточные деформации без разрушения.

По данным измерений строят графики зависимости деформации от нагрузки Р.

Характер кривых е = / (Р) показан на рис. 3. На рис. 3, а показана кривая, получаемая при внедрении пуансона в хрупкие породы, не дающие остаточных деформаций. Момент разрушения отмечается выкалыванием кольцеобразного участка породы вокруг основания пуансона с образованием конической лунки.

где Р 0 — нагрузка в кгс, соответствующая пределу текучести (нахо­ дится в точке А перехода от прямолинейного участка диаграммы деформации к криволинейному) (см. рис. 3, б).

Коэффициент пластичности породы к вычисляется по формуле

ОАВС на диаграмме деформации), в кгс-мм; А уп — работа приве­ денных упругих деформаций (площадь ODE) в кгс-мм; А ш — работа деформации штампа в кгс-мм (вычисляется исходя из размеров штампа и модуля упругости материала штампа).

Удельная объемная работа разрушения А ѵ (в кгс-м/см3) вычис­ ляется по формуле

где V — объем зоны разрушения в см3.

где Q — вес материала слепка лунки разрушения в г; р — плотность материала слепка в г/см3.

Пластичные породы, например глины, дают кривые без хрупкого разрушения (рис. 3, в).

Пластичность может оказывать значительное влияние на процесс разрушения породы. В пластичных породах величина деформаций, необходимых для отделения частиц от массива, больше, чем в хруп­ ких и, кроме того, пластические деформации для своего протекания требуют определенного времени. Все это должно ухудшать условия разрушения пластичных пород. Проявление пластичности зависит от скорости приложения нагрузок. При очень быстром приложении нагрузок многие пластичные породы ведут себя как хрупкие.

Из других методов определения твердости горных пород следует упомянуть методы Герца и Шора.

Метод Герца основан на вдавливании шара в испытуемый обра­ зец. Этот метод в некоторой степени воспроизводит процесс разру­ шения породы при дробовом бурении и бурении шарошечными долотами со сферическими штырями.

Метод Шора заключается в том, что на зашлифованную поверх­ ность образца породы с определенной высоты свободно падает боек со сферическим наконечником. Твердость по Шору определяется высотой отскока бойка.Но высота отскока характеризует не твердость,

аупругость породы. Поэтому метод Шора подходит для таких пород,

укоторых твердость пропорциональна модулю упругости. Определение твердости также можно производить путем сверле­

ния образца породы незатупляющимся сверлом при строго опре­ деленной скорости вращения и осевой нагрузке. За меру твердости принимается число оборотов сверла, потребное для высверливания цилиндрического отверстия на определенную глубину.

Из рассмотренных способов определения твердости для суждения о буримости горных пород наибольшее значение имеет метод вдавли­ вания штампа. Для определения буримости вращательным способом перспективен метод сверления. Метод Шора можно рекомендовать для определения твердости хрупких пород, которые бурятся удар­ ным способом.

Механическая прочность. Прочностью твердого материала (по­ роды) называют его способность сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Чем выше предел прочности горной породы, тем больше энергии расходуется на ее разрушение.

Величины модуля продольной упругости Е для некоторых пород таковы (в кгс/см2):

Коэффициент поперечной деформации, или коэффициент Пуас­ сона, является отношением относительной поперечной деформации ех к относительной продольной деформации е:

( 1 0 )

Величины .коэффициентов Пуассона для некоторых пород таковы:

Знание величины коэффициента Пуассона ѵ необходимо при определении коэффициента бокового распора для различных гор­ ных пород, определения модуля продольной упругости по формуле

(8) и др.

Модуль поперечной упругости, или модуль сдвига, G определяет способность материала (породы) сопротивляться изменению формы при сохранении объема:

G ' Ф 2 (1 + ѵ) ’

где т — касательное напряжение в кгс/см2; <р —угол сдвига между плоскостями, к которым приложено касательное напряжение;

V — коэффициент Пуассона; Е — модуль продольной упругости. Абразивность горных пород. Абразивностью (от латинского

слова abrasio — соскабливание) называется способность горных пород изнашивать поверхность контакта другого, более твердого тела (резца, зубка, лезвия и т. п.) в процессе трения при движении. При бурении движущимся по породе телом является породоразрушаю­ щий инструмент, который контактирует с породой забоя резцами коронок, лезвиями лопастных долот, зубьями шарошечных долот.

Различают два вида абразивного износа: первичный и вторичный. Первичный износ осуществляется разрушаемой породой. Он зависит от абразивных свойств разбуриваемой породы, от износо­