2.3. Определение механических свойств горных пород методом вдавливания индентора (метод л.А. Шрейнера)

Необходимым условием эффективного разрушения горных пород при бурении является внедрение породоразрушающих элементов вооружения (инденторов) в поверхность горной породы забоя скважины. По этой причине определение механических свойств горных пород вдавливанием в них инденторов является исключительно важной задачей. Эта задача решается с помощью методики определения меха-нических свойств горных пород, разработанной Л.А.Шрейнером. 

2.3.1. Определение твердости горных пород. Твердость не является физическим параметром, т.к. в различных методах опреде-ления этой величины размерность твердости различная. Академик В.Д. Кузнецов  предложил для оценки твердости использовать физическую величину - удельную свободную поверхностную энергию _o тела, характеризующую величину потенциальной энергии поверхности твердого тела. Предложение академика В.Д.Кузнецова не было вопло-щено в жизнь, т.к. экспериментальные методы определения величины _o твердых тел и в настоящее время не точны.

Твердость - понятие техническое. В бурении под твердостью гор-ных пород понимают величину сопротивления разрушению поверх-ности породы при вдавливании в неё индентора. Вдавливание индентора как основной вид деформирования горной породы при буре-нии скважин обусловило разработку соответствующего метода опреде-ления твердости и других механических свойств горных пород - метод Л.А.Шрейнера. В зависимости от скорости воздействия вдавли-вающего усилия различают статическую и динамическую агрегатную твердость горных пород. Методом Л.А. Шрейнера  определяется величина статической агрегатной твердости горных пород. Статической она называется потому, что вдавливание индентора в образец происходит медленно (~ 0,1 мм/мин), а агрегатной - потому, что торец индентора воздействует на агрегат (совокупность минералов, входящих в состав данной горной породы).

Для плотных и однороднопористых горных пород следует применять инденторы с площадью торца (1÷2)·10^-6 м² ; для горных пород с линейным размером зерен, превышающим величину 2,5·10^-4 м, рекомендуется применять индентры с площадью торца 3·10^-6 м², а для сильнопористых и малопрочных горных пород – инденторы с площа-дью торца 5·10^-6 м².

Деформирование и последующее разрушение горной породы при вдавливании жесткого цилиндрического индентора в образцы горных пород наиболее точно воспроизводит процесс разрушения породы на забое скважины, когда в поверхность забоя вдавливаются породо-разрушающие элементы вооружения долота, чем разрушение, возника-ющее при одноосном сжатии образца, при разрушении образцов, находящихся в более сложном напряженном состоянии. В результате вдавливания индентора происходит местное разрушение поверхности образца (выкол).

Метод Л.А. Шрейнера  позволяет записать деформационную кри-вую: связь между силой вдавливания F и глубиной внедрения индентора в поверхность образца горной породы (рис. 8).

Отклонение от линейной связи между силой вдавливания и абсолютной деформацией горной породы в методике Л.А.Шрейнера  связывается с развитием пластической деформации в горной породе под пятном контакта. Это означает, что объёмной деформации горной породы ядра сжатия не должно происходить, т.е. справедливо равенство:_v = 0.

В этом случае на участке АВ деформационной кривой происходит деформационное упрочнение горной породы под пятном контакта в результате развития пластических сдвигов. Как следствие возник-новения пластической деформации в горной породе под пятном контакта, процесс вдавливания индентора в поверхность образца горной породы должен характеризоваться следующей особенностью. При снятии нагрузки, например в точке N (см. рис. 9), должно наблюдаться упругое последействие: уменьшение величины дефор-мации по линии NM.

При дальнейшем вдавливании индентора в эту же «точку» поверх-ности образца горной породы, развитие пластической деформации должно начаться при напряжениях, превышающих величину деформации, соответствующей точке N. Это оначает, что горная порода

под пятном контакта становится прочнее. (Отсюда и произошло рождение понятия «деформационное упрочнение»). По этой причине для разрушения горной породы под индентором и получения выкола

необходимым условием является непрерывное увеличение силы вдавливания F до значения F_b, при котором происходит выкол и достигается максимальное внедрение индентора в породу.

ТвердостьH горной породы определяется выражением

H = F_b / S_ш,

где S_ш - площадь торца цилиндрического индентора. Для пластично-хрупких горных пород аналогичым соотношением вводится понятие условного предела текучести (предел упругости)

P_o = F_а / S_ш,

где F_а - величина силы вдавливания в точке возникновения нелиней-ного участка на деформационной кривой (рис. 8).

Наличие зависимости H, P_o от величины площади торца вдав-ливаемого индентора позволяет получаемые значения твердости, условного предела текучести считать первым приближением: при бурении скважин контактная площадь долота с разбуриваемой горной породой существенно превышает площадь торца индентора, исполь-зуемого в лабораторных исследованиях.

Все горные породы по величине твердости Н  и предела текучести Р_о разделены на три типа: мягкие (М), средние (С), твердые (Т). Каждый тип содержит четыре категории. В табл. 1 приведена классифи-

кация горных пород по величине твердости и условного предела текучести.

Таблица 1