БТЖ и ФРГП на весну 16 года / БТЖ - лекции_2015 / СулакшинЧубик

Первый случай является наиболее благоприятным, так как при износе происходит самозатачивание резца. При этом скорость бурения не затухает во времени. Износ с незначительным изменением геометрической формы – односторонний – бывает при бурении шарошечными долотами, у которых в результате износа изменяется угол приострения зубьев. Износу с сильным изменением геометрической формы подвержены рабочие кромки долот при ударном бурении и лезвия долот и коронок режущего типа при вращательном бурении (см. рис. 2.8).

При ударном бурении лезвие долота приобретает закругленную форму, радиус закругления увеличивается по мере износа. Долото затупляется и тем быстрее, чем меньше угол приострения лезвия долота. Это объясняется неравномерным распределением усилий, действующих на щеках долота, соприкасающихся с породой. Усилия имеют наибольшие значения на самой вершине кромки и почти равны нулю в верхней части контакта лезвия долота с породой. Соответственно этому происходит и износ – пропорционально изменению давления. Глубина внедрения долота уменьшается и эффективность его работы падает.

При вращательном бурении забойными инструментами режущего типа происходит притупление лезвий. Площадь контакта резца с породой увеличивается, а глубина внедрения, соответственно, будет уменьшаться, с чем связано замедление скорости бурения, более быстрое в данном случае, чем при ударном способе.

На рис. 2.9 приведены графики изменения скорости бурения во времени при различных видах износа породоразрушающего инструмента. Отсюда видно, что эффективность бурения существенно зависит от износа режущей (рабочей) кромки долота или резца. Наибольшая производительность присуща инструменту, который изнашивается с самозатачиванием (кривая 1) и наименьшая – при плоском затуплении (кривая 4), что характерно для резцов из твердых сплавов, применяемых при колонковом бурении. При дробовом бурении чугунной дробью износ связан еще и с раскалыванием дроби. Изменение буримости в связи с этим происходит по еще более сложной зависимости (кривая 5).

Рис. 2.9. Графики изменения механической скорости бурения в зависимости от времени отработки породоразрушающего инструмента:

1 – самозатачивающегося типа; 2, 3, 4 – затупляющегося вследствие абразивного износа; 5 – меняющего геометрическую

форму и размеры (чугунная дробь)

Разрушаемость горных пород

Разрушаемостью горных пород является их способность разделяться на элементы (куски, обломки) той или иной величины. Зависит эта способность от рассмотренных ранее механических свойств пород, от способа разрушения и количества затрачиваемой на разрушение энергии. Показателями этого свойства горных пород являются такие понятия, как буримость, дробимость, взрываемость, добываемость и др.

91

Разрыхляемость горных пород

Разрыхляемостью называется способность разрушаемой породы увеличивать свой объем против объема, занимаемого ею в естественном состоянии, т. е. в массиве. Степень разрыхления зависит от строения, сложения, пористости, плотности и других свойств пород, а также способа их разрушения. Разрыхляемость пород характеризуется так называемым коэффициентом разрыхления. Рыхлые и малосвязные породы разрыхляются меньше, чем связные и твердые.

где KП – коэффициент разрыхления; VР – объем разрыхленной породы; VМ – объем породы в массиве. Значения коэффициента разрыхления для некоторых горных пород различны: чистый песок и гравий – 1,05…1,2; суглинок и супесок – 1,2…1,25; глина чистая и с галькой – 1,3…1,4; щебнистый грунт – 1,4…1,43; глинистые сланцы – 1,4…1,6; мергель – 1,25…1,3; скальные плотные породы – 1,5…2,5. Приведенные данные действительны только для свежедобытой породы, так как с течением времени разрыхленная порода вновь уплотняется вследствие усадки. Рассмотренное свойство должно учитываться при решении вопроса транспортирования разрушенной породы из скважины, в частности при определении емкости шламовой трубы и в других случаях.

Сыпучесть горных пород

Сыпучестью называется способность дисперсного материала, состоящего из твердых частиц того или иного размера, свободно перемещаться в воздушной среде (высыпаться) под действием силы тяжести. Показателем сыпучести является количество материала, высыпающегося в единицу времени через единицу площади выпускного отверстия, или время высыпания определенного количества материала из конусообразной воронки с диаметром отверстия 15 мм и углом конусности 60°. Сыпучесть материала оценивается также коэффициентом сыпучести KС:

где ϕ0 – угол естественного откоса материала – это угол между образующей конуса, форму которого занимает сыпучий материал, и горизонтальной поверхностью, на которой располагается этот материал. С углом естественного откоса связано условие предельного равновесия частиц на поверхности сыпучего материала и устойчивость некоторых пород в стенках скважины. Угол естественного откоса зависит от размера частиц, их формы и характера поверхности, удельного веса материала и влажности, а также коэффициента трения. Определяется этот угол опытным путем. Для этого используется металлический цилиндр без дна объемом 1 м3 или 1 дм3 (высота – 1 м, площадь основания – 1 м2), заполняемый сыпучим материалом. Затем цилиндр медленно поднимают и содержимое свободно высыпается на горизонтальную плоскость. Образуется конус, измерив высоту hK и диаметр dK которого, не трудно подсчитать угол откоса материала, пользуясь выражением

92

Текучесть горных пород

Текучесть относится к реологическим свойствам, характеризующим пластическое поведение пород при длительном воздействии нагрузки, не превышающей их предела упругости. Текучестью, или крипом, называется явление непрерывного роста деформации пород при постоянном напряжении (по типу пластического течения). Поэтому текучесть еще определяется как частный случай пластичности при условии, что dσ/dt = 0.

Текучесть присуща многим глинистым породам, сланцам, песчаникам. Она зависит от величины и направления действующей нагрузки относительно слоистости. Наибольшая деформация бывает при действии нагрузки перпендикулярно слоистости. Показателем текучести является пучение пород, представляющее собой процесс выдавливания горной породы в подземные выработки без заметного нарушения сплошности массива.

Релаксация напряжений

Релаксация напряжений – это постепенное снижение напряжений в породе при постоянной деформации – явление противоположное текучести. После снятия нагрузки в этом случае образец не восстанавливает первоначальной формы вследствие того, что упругие деформации, несмотря на то, что напряжения не превышали предела упругости, переходят в пластические.

Плывучесть горных пород

Плывучестью называют свойство водонасыщенных пород течь при вскрытии скважиной. Этим свойством обладают насыщенные водой мелкозернистые пески с примесью илистых и глинистых частиц. Таким же свойством могут характеризоваться суглинки и даже глины при сильном увлажнении. Подвижность этих пород вызывается при движении воды, перемещающей частицы породы, или переходом породы в состояние вязкой жидкости вследствие сильного насыщения водой. При значительном напоре воды плывуны могут подниматься в скважине вверх на значительную высоту, заполняя ствол скважины. Такое свойство пород вызывает серьезные трудности при проходке скважин, так как требует обязательного крепления стенок или применения качественной глинистой промывки и соответствующего режима бурения.

Породы, обладающие способностью «течь» или «плыть» при сильном водонасыщении, называются плывунами. Наличие в породах коллоидных частиц (тонкодисперсных глинистых фракций) обусловливает способность такой породы терять устойчивость при динамическом воздействии на нее, т. е. разжижаться. Показателем плывучести водонасыщенных пород может служить угол естественного откоса под водой (для песков) или седиментационный объем.

Тиксотропность горных пород

Тиксотропностью пород называется способность некоторых коллоидных систем, находящихся в малоподвижном застуденевшем состоянии, разжижаться и переходить в подвижное состояние при механическом воздействии на них (встряхивании, вибрации, размешивании), при действии ультразвуковых волн или электри-

93

ческого тока. После прекращения действия причин, вызывающих разжижение, такие системы вновь застудневают, теряя подвижность.

Время, в течение которого система восстанавливает свое первоначальное состояние, является показателем тиксотропии.

Устойчивость горных пород

Устойчивостью горной породы является ее способность не обрушаться при обнажении в вертикальных или наклонных горных выработках. Породы неустойчивые обрушаются сразу же при вскрытии. Степень устойчивости горных пород зависит от многих факторов, основными из которых являются: прочность породы (сила сцепления между частицами, коэффициент внутреннего трения), физикогеологические свойства и состояние (трещиноватость, выветренность, влажность и т. д.). С другой стороны, на устойчивость горной породы будут оказывать существенное влияние внешние физические или вещественные поля, которые воздействуют на нее при обнажении массива. При этом существенное значение приобретает фактор времени: чем длительнее воздействие того или иного физического поля или среды, тем в большей степени теряется устойчивость пород. По этим признакам все породы, встречающиеся при проведении буровых работ, можно разделить на четыре группы:

Группа I – весьма неустойчивые породы. Сюда относятся породы и полезные ископаемые, практически не имеющие связи между зернами, с прочностью, зависящей от состава и размеров зерен.

Группа II – породы с изменяющейся устойчивостью. Это породы со сложной связью, исчезающей при насыщении водой или нагревании, плотные, невысокой прочности, размывающиеся или растворяющиеся промывочной жидкостью или оттаивающие при повышении температуры.

Группа III – слабоустойчивые породы. К этой группе относятся породы с достаточно прочной связью между зернами, высокой или средней твердости, почти не размываемые промывочной жидкостью, но сильно трещиноватые, а также породы с недостаточно прочной связью между зернами, невысокой твердости, часто хрупкие, сбрекчированные, легко размывающиеся промывочной жидкостью при бурении.

Группа IV – устойчивые породы. Сюда относятся породы с прочной связью между зернами, высокой или средней твердости, монолитные или слабо трещиноватые, не размываемые промывочной жидкостью.

Кпервой группе относятся рыхлые несвязные породы (пески, гравий, галечник

ипр.). Проходка валунно-галечниковых зон или песков, насыщенных водой, обычно сопровождается одновременным креплением стенок скважин обсадными трубами. Бурение вращательным способом может осуществляться успешно только сплошным забоем с глинистой промывкой.

Вторая группа объединяет рыхлые отложения осадочного происхождения, преимущественно глинистые (глины, суглинки, лёссы), растворимые полезные ископаемые (каменная соль), а также мерзлые рыхлые породы и др. При бурении в породах этой группы возникают значительные трудности. Это связано с одним из важнейших свойств глин, а именно с их способностью разбухать при увлажнении. Увеличение влажности глины любого типа приводит к повышению ее пластичности, нередко до перехода в текучее состояние. Разбухание глин сопровождается сужени-

94

ем ствола скважины и в ряде случаев – зажиманием (прихватом) бурового снаряда. В зависимости от времени соприкосновения жидкости с глиной последняя, приобретая текучесть, теряет устойчивость. Это приводит к тому, что стенки скважин оплывают, размываются и скважина зашламывается. Мерзлые рыхлые породы при растеплении теряют связи, образованные льдом, и становятся неустойчивыми. Все это в чрезвычайной мере усложняет процессы бурения скважин. Поэтому в породах данной группы бурение должно производиться в самые кратчайшие сроки с промывкой скважин глинистым раствором.

В третью группу входят породы скального типа, изверженного или осадочного происхождения, но сильно трещиноватые или раздробленные. В этом случае бурение осложняется, так как происходит потеря промывочной жидкости, образуются вывалы отдельных кусков породы из стенок скважин и т. д. Сюда же относятся такие породы, как слабо сцементированные брекчии или конгломераты, слабые песчаники и сланцы, а из полезных ископаемых – угли и т. п. При бурении по таким породам керн сильно дробится, истирается и размывается. Этому же подвержены до некоторой степени и стенки скважин.

К четвертой группе принадлежат: породы изверженного происхождения (граниты, диориты, порфириты, базальты и т. д.); метаморфические породы (кварциты, кристаллические сланцы, гнейсы и др.); крепкие породы осадочного типа (песчаники, известняки, доломиты, сланцы и т. д.), незатронутые выветриванием. Условия для бурения в таких породах с точки зрения проведения буровых процессов наиболее благоприятны.

2.5.Классификация горных пород

по их характерным механическим свойствам

Основными характерными механическими свойствами горных пород, определяющими, в целом, условия и успех бурения скважин при механических способах их разрушения, являются прочность, твердость, абразивность и устойчивость. Главными признаками, определяющими важнейшие свойства горных пород, являются, как было выяснено ранее, характер связи между частицами, слагающими породу, и твердость самих частиц. Этим обусловливаются: механическая прочность пород, характер деформаций, возникающих в породе под действием внешних нагрузок, стойкость пород по отношению к воздействию воды, неустойчивость горных пород при бурении.

Все горные породы в инженерной геологии по проявляемым механическим свойствам разделены на связные скальные и полускальные, связные мягкие и несвязные рыхлые.

Связные скальные и полускальные породы обладают всеми основными свойствами твердого тела – упругостью, твердостью, прочностью и др. Кроме того, некоторые породы обладают частично еще и пластичными свойствами вязкого тела. В соответствии с этим при деформациях породы данной группы могут вести себя как тела упругохрупкие, не дающие остаточной деформации до разрушения, и как тела упругопластичные, у которых разрушению предшествуют, кроме хрупких, еще и остаточные вязкопластические деформации. Такие породы, в отличие от хрупких, называют иногда вязкими.

95

Связные мягкие породы обладают невысокой прочностью и в увлажненном состоянии ведут себя как типично пластические тела, легко изменяя свою форму при деформациях без разрыва связей между частицами. При сухом состоянии образца бывает и хрупкое разрушение.

Несвязные рыхлые породы представляют собой рыхлую массу, частицы которой не имеют практически связи друг с другом. Иногда породы этой группы называют сыпучими. Они не обладают типичными свойствами твердого тела.

Наиболее распространенной в горном деле классификацией горных пород по показателю прочности при одноосном сжатии является классификация пород проф. М.М. Протодьяконова, разработанная в 1911–1926 гг. Согласно этой классификации горные породы разделены на 10 категорий (классов) по определенным значениям временного сопротивления пород одноосному сжатию (кгс/см2). За классификационный показатель была взята условная величина, названная им коэффициентом крепости f:

Анализируя эту классификацию, можно отметить ее несовершенство, особенно в определениях «степени крепости». Так, например, к категории III крепких пород относятся «очень крепкие песчаники и известняки» или к категории IIIа тоже крепких пород отнесен «некрепкий гранит» и т. д. В разные группы попадают породы одного наименования. Это указывает на многообразие проявляемых свойств, связанное с весьма сложным составом, структурой и текстурой горных пород, их анизотропностью и т. д. Все это, конечно, усложняет вопрос классификации пород по одному из многочисленных признаков.

Для большинства горных пород наиболее характерным с точки зрения их разрушения при бурении скважин механическими способами является агрегатная твердость – сопротивление внедрению достаточно прочного инструмента. По этому показателю Л.А. Шрейнер [22] все горные породы разделил на три группы (табл. 2.16).

96

Следует отметить, что породы двенадцатой категории по твердости этой классификации не соответствуют категориям пород, приводимым в классификации по буримости для вращательного бурения колонковым способом, однако, дополнив эту классификацию наименованиями пород, отнесенных после испытаний на твердость к соответствующим группам, ею с успехом можно пользоваться на конкретных месторождениях.

При внедрении в породу штампа или достаточно твердого инструмента, как было установлено ранее, породы ведут себя по-разному. В одном случае при вдавливании штампа происходит только упругая деформация, заканчивающаяся мгновенным хрупким разрушением некоторого объема породы (см. рис. 2.5, а). В другом случае происходят в начале испытаний упругие (обратимые), затем пластические (необратимые) деформации и только после этого – хрупкое разрушение породы в небольшом объеме (см. рис. 2.5, б). Наконец, в третьем случае имеют место только весьма незначительная упругая, а затем пластическая (необратимая) деформации без хрупкого разрушения породы (см. рис. 2.5, в). В зависимости от характера протекающих процессов разрушения пород при вдавливании штампа Л.А. Шрейнер [22] делит все горные породы на три класса: упругохрупкие, или хрупкие, упругопластичные, или пластично-хрупкие, высокопластичные и сильнопористые породы. К первому классу относятся упругохрупкие породы, у которых при вдавливании штампа происходят упругие деформации, заканчивающиеся мгновенным хрупким разрушением (кварциты, граниты, джеспилиты и др.). Хрупкое разрушение происходит при определенной для данной породы нагрузке Р. При этом глубина получаемой лунки разрушения h много больше величины упругой деформации δ. К этому классу относятся породы, у которых деформации характеризуются отношением h/δ > 5.

К классу упругопластичных относятся породы, у которых при вдавливании штампа протекают в первый период упругие, а затем пластические деформации, и только при максимальной нагрузке Р наступает мгновенное хрупкое разрушение на глубину h. Сюда относятся породы (мрамор, известняк, песчаник), для которых отношение глубины лунки разрушения к величине общей деформации δ0 (упругой и

пластической) имеет значение h/δ0 > 2,5–5.

К классу высокопластичных относятся породы, при внедрении штампа в которые не происходит хрупкого разрушения: вначале происходит упругая (обратимая) деформация, а затем необратимая (остаточная). Причем последняя складывается из деформаций некоторого объема породы за счет ее уплотнения δУ (закрытие пор и микротрещин) и пластической деформации течения δТ. Внутри деформируемого объема за счет уплотнения массы происходит и разрушение породы, но без образования зоны разрушения вокруг лунки, площадь которой равна площади поперечного сечения погружаемого штампа. При таких условиях к высокопластичным относятся породы, у которых отношение глубины внедрения h штампа к общей деформации δ0 = δУ + δТ равно единице (h/δ0 > 1). Сюда относятся глины, каменная соль и сильнопористые породы (пемза, пористый известняк, доломит и др.). Однако исследованиями других авторов было установлено, что даже у таких пород наступает хрупкое разрушение только при значительно больших деформациях, как это было в опытах Л.А. Шрейнера. Так, например, в известняке (трепел), доломите, относимым к высокопластичным породам (КП = ∞) при деформациях, достигающих 3,5 мм, возника-

97

ет хрупкое разрушение с образованием зоны разрушения за пределами контура контакта штампа с породой. У доломита условный диаметр лунки (зоны разрушения) достигал 29 мм при диаметре штампа 2 мм. Поэтому выделение третьего класса пород Л.А. Шрейнером следует считать условным.

Третьим характерным признаком пород является их абразивность. Значение этого свойства велико при вращательном способе разрушения горных пород, когда интенсивное трение инструмента о породу приводит к его быстрому износу. Этот показатель обязательно учитывается при выборе типа забойного инструмента, в особенности мелкоалмазных коронок. В классификации пород по абразивности Л.И. Барона и А.В. Кузнецова выделяется восемь классов – от малоабразивных до весьма абразивных.

Л.А. Шрейнер, П.С. Баландин и А.И. Спивак [22] по показателям абразивности выделяют двенадцать групп пород, классификация которых приведена в табл. 2.17.

Таблица 2.17

Классификация пород по абразивности

98

Показатели абразивности для эталонных дисков из стали У8 определялись при нагрузке Р = 10 кгс и окружной скорости диска 47 м/мин.

Учитывая рассмотренные механические свойства, их природу и поведение при бурении скважин, все горные породы, придерживаясь существующих схем, можно разделить на четыре характерные группы (табл. 2.18)

Таблица 2.18

Классификация пород по характеру структурной связи между зернами (по С.С. Сулакшину)

99

Окончание табл. 2.18

Из всего вышеизложенного ясно, что разные по составу и структурной связи породы требуют различных способов бурения, приемов работ и технологии. Последняя должна обеспечивать возможно быструю проходку скважин.

Впрактике бурения геологоразведочных скважин все горные породы классифицируются по буримости в зависимости от способа бурения, типоразмеров буровых станков и конструкции породоразрушающих инструментов. Так, например, в ЕНВ 1959 г. были приведены шкалы средних величин буримости для механического колонкового бурения скважин с применением твердых сплавов, с отбором и без отбора керна; для ударно-механического, ручного бурения и бурения шнеками. С внедрением алмазного бурения появилась шкала буримости алмазными коронками.

ВЕНВ 1963 г. приведены нормы проходки за 1 ч чистого бурения по типам станков и глубинам скважин с отбором и без отбора керна. Все породы при этом разбиты на двенадцать категорий по буримости, которая изменяется в весьма широких пределах, например, от 0,05 до 22,7 м/ч при бурении скважин диаметром до 160 мм на глубину до 1800 м.

100