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

ные крупнокристаллические известняки с большим временным сопротивлением сжатию легко бурятся твердосплавными коронками, а известняки, сложенные зернами небольшого размера или пропитанные кварцем, обладают более низкой буримостью, как это видно из табл. 1.5 (по данным ВИМС).

Буримость горных пород во многом зависит от текстурных признаков, определяющих их анизотропность: слоистости, сланцеватости, рассланцовки, так как способность горных пород разрушаться зависит в значительной степени от направления действия разрушающих сил относительно плоскостей делимости породы.

Способ разрушения в значительной степени определяет условия, а следовательно, и эффект разрушения породы или ее буримость. Под способом разрушения породы понимается: способ воздействия на породу, характер действующих нагрузок или сил, вид и количество затрачиваемой на разрушение породы энергии, конструкция породоразрушающего органа.

Способы воздействия на породу по характеру действующих сил (нагрузок), вызывающих разрушение породы на забое, как отмечалось ранее, весьма разнообразны (см. табл. 1.3). Действующие при этом нагрузки могут быть статическими, динамическими и комбинированными. Эффективность разных способов бурения в разных породах различна.

Количество энергии, затрачиваемой на разрушение породы, а следовательно, и получаемый при этом эффект зависят от режима действия породоразрушающих нагрузок: скорости вращения инструмента, усилия подачи или осевой нагрузки на забой, силы и частоты ударов. Все эти параметры, определяющие режим бурения, тесно связаны между собой, и эффективность действия каждого из них будет зависеть от значения других. Числовыми значениями этих параметров, подобранными по тому или иному признаку (оптимальному, рациональному или специальному), будет определяться и буримость горных пород.

41

Конструкция породоразрушающего органа определяется его геометрической формой и размерами. При механических способах разрушения пород породоразрушающими органами могут быть долота, имеющие форму симметричного клина или резца в виде одностороннего клина, в виде зерен неправильной или шарообразной формы (дробь). Разрушение породы может осуществляться струей воды или газа, ударной волной, электрическим разрядом или теплом, что также характеризуется определенными параметрами.

Эффективность применения породоразрушающих инструментов при колонковом бурении в разных породах также различна, как это видно из табл. 1.6 (по данным Н.И. Любимова).

Интенсивность удаления продуктов разрушения с забоя, как отмечалось ранее, также в значительной степени влияет на буримость пород, так как наличие шлама на забое препятствует разрушению новых объемов пород и приводит к быстрому износу породоразрушающего инструмента. Все это снижает скорость бурения (или буримость) горных пород.

Таким образом, из приведенного краткого анализа видно, что буримость горных пород, зависящая от многих факторов, может существенно отличаться не только при разрушении разных пород, но и одной и той же породы в зависимости от способа разрушения, значения режимных параметров и других факторов. Поэтому буримость горных пород устанавливается опытным путем при тех или иных условиях для каждого способа разрушения.

Буримость, устанавливаемая при оптимальных условиях, что возможно осуществить только на специальных лабораторных установках, может быть названа «объективной». Такой показатель будет характеризовать реальную возможность получения максимального эффекта при разрушении той или иной породы тем или иным способом.

Буримость, получаемая при рациональных (возможных для данных условий) режимных параметрах, будет являться «фактической». Этот показатель, получае-

42

мый в производственных условиях путем обработки статистических данных большого числа наблюдений, характеризует уровень применяемой техники, технологии и организации труда при бурении скважин. По мере их совершенствования буримость пород время от времени повышается.

Фактическая буримость горных пород используется при нормировании производительности труда, планировании буровых работ и при оценке выполнения норм буровой бригадой. Этот показатель имеет большое значение в практике буровых работ. Однако объективных способов его оценки на производстве до сих пор нет. Отсюда появляется возможность получения необъективных данных, характеризующих буримость горных пород, что является тормозом в развитии техники и технологии бурения скважин. Так, например, буримость горных пород, приводимая в классификациях МГ СССР (ЕНВ 1953 г., EНВ 1959 г.), далеко не соответствовала объективным значениям, которые можно получить в условиях, близких к оптимальным, как это видно из табл. 1.7 (данные Н.И. Любимова).

Таким образом, для того чтобы правильно решать вопросы, связанные с разрушением пород при бурении, получать максимальный эффект, необходимо глубоко разбираться в свойствах горных пород, способах их разрушения и факторах, определяющих успех этого процесса. Следует всегда помнить, что повышение буримости горных пород является основой повышения производительности труда в бурении.

1.7.Качество буровых работ

Известно, что основной целью бурения геологоразведочных скважин является изучение строения земной коры, различных свойств пород, качества и количества полезных ископаемых, что осуществляется, главным образом, по образцам (пробам), получаемым из недр земной коры. В последнем случае такие образцы, как правило, получают при помощи колонкового бурения. Сооружаемые при этом скважины должны удовлетворять определенным требованиям методики и экономики геологоразведочных работ. Основные требования к скважинам следующие:

1.Буровые скважины должны пересекать толщи пород или залежи полезных

ископаемых в строго заданных направлениях по определенной системе при возможно меньшем объеме буровых работ на 1 т разведанных запасов или на 1 км2 изученной площади.

2.Скважины должны проходиться по наиболее рациональному профилю с заданной (допустимой) интенсивностью искривления при наиболее благоприятном размещении их устьев на поверхности.

3.По данным буровых скважин должна обеспечиваться возможность построения геологических разрезов и структур, что осуществимо лишь при условии точной привязки получаемых образцов (керна) пород и их пространственного ориентирования.

4.При бурении скважин должен быть получен керн, отвечающий всем требованиям проводимых исследований: достаточное количество, сохранность структуры, истинное содержание полезных ископаемых (компонентов) – твердых, жидких или газообразных и т. д.

43

При недостаточно высоком уровне решения этих вопросов могут быть пропуски залежей или пластов полезных ископаемых; завышение или занижение запасов полезных ископаемых и других показателей; неутверждение геологических отчетов; увеличение количества скважин на единицу объема работы и т. д. Проведенные исследования показывают, что существенное повышение качества работ и улучшение экономических показателей при колонковом бурении геологоразведочных скважин возможно осуществить за счет широкого применения направленного бурения, рациональных средств и технологии отбора проб полезных ископаемых.

1.7.1. Отбор представительных проб полезных ископаемых или образцов пород

Качество и запасы твердых полезных ископаемых большинства месторождений, геологическое строение земной коры и многие другие вопросы в основном определяются по керновым пробам. Отсюда следует, что получение достоверных данных по этим вопросам геологоразведочной службы в значительной мере зависит от количества и качества извлекаемых при бурении проб, а также от точности определения границ (мощности) залежи. В связи с тем, что многие полезные ископаемые по своей природе являются малоустойчивыми, сохранность керновых проб обеспечивается далеко не всегда, и по отношению к пройденному интервалу выход керна может оказаться небольшим. Это обстоятельство серьезно затрудняет определение мощности залежи, изменение качественных и количественных показателей и, как правило, приводит к снижению запасов и ошибочным геологическим построениям. Большое значение в решении этого вопроса имеет своевременное определение границ залежей или слоев пород при их смене. Отсутствие средств, регистрирующих момент перехода от одних пород к другим, приводит к тому, что средства, способствующие сохранению необходимых показателей керна, своевременно не применяются, а это приводит, в свою очередь, к ухудшению качества разведочного бурения.

Отсюда видно, что проблема получения качественного керна заключается в совершенствовании технических средств и технологии отбора керновых проб и создании средств определения момента встречи залежей полезных ископаемых [9].

1.7.2. Направленноебурениескважин

Бурение скважин современными способами всегда сопровождается в той или иной степени их искривлением. Это вызывает целый ряд отрицательных последствий, основными из которых являются снижение качества геологоразведочных работ

иувеличение их стоимости, так как при интенсивном искривлении скважин могут быть: искажение разведочной сетки; пропуски залежей (пластов) полезных ископаемых; увеличение количества скважин, соответственно удлинение срока разведки

иувеличение затрат; искажение мощности залежи и элементов их залегания (углы падения, глубина залегания); усложнение (ухудшение) условий бурения и закрепления стенок скважин обсадными трубами; невозможность работы на форсированных режимах; увеличение аварий и усложнение условий их ликвидации; увеличение износа бурового инструмента и обсадных труб; увеличение расходуемой мощности на

45

вращение и подъем бурового инструмента; уменьшение количества и ухудшение качества получаемого керна.

В конечном итоге сильно искривленные скважины не решают поставленных задач и списываются в брак или на их исправление затрачивается много средств. Однако исследования, проведенные автором, и другие данные показывают что уже сейчас возможно ставить вопрос не столько о борьбе с искривлением, сколько о бурении скважин по заданному, наиболее целесообразному в данных условиях профилю [10, 11]. Действительно, установленное закономерное искривление скважин, усиливаемое или уменьшаемое искусственно, позволяет осуществлять:

1.Бурение скважин с требуемой или допустимой интенсивностью искривления (для устранения перечисленных ранее недостатков и приведения забоя скважины по кратчайшему пути к заданной точке в недрах земли).

2.Бурение дополнительных (слепых) стволов скважин из одного основного без перестановки оборудования, т. е. бурение многоствольных скважин:

а) для повторного перебуривания залежи при ее пропуске или плохом выходе керна, а также при необходимости получения технологических проб полезных ископаемых большого веса;

б) определения геологических структур и элементов залегания слоев пород; в) обхода мест сложных аварий и т. д.

При этом возможно бурить как наклонные, так и вертикально наклонные направленные скважины.

Следует отметить, что направленное бурение многоствольных скважин максимально приближает этот вид разведки к разведке горными выработками, обеспечивая получение вполне достоверных сведений о геологическом строении участка,

омелких геологических структурах (пережимах, раздувах, разрывах и складках). При этом можно получать необходимые данные более оперативно, правильно ориентируя дальнейший ход геологоразведочных работ, т. е. оперативно и рационально направлять разведку при более экономичной и достаточно надежной промышленной оценке месторождений, особенно сложного геологического строения.

Проблема направленного бурения скважин в целом весьма сложна и включает целый комплекс вопросов, требующих решения и совершенствования. Сложность этой проблемы усугубляется в значительной мере большим разнообразием условий бурения скважин (геологического, технического, технологического и экономического характера). Это вполне понятно, так как от характера указанных выше условий зависят: закономерности и интенсивность естественного искривления; количество, последовательность и направление бурения скважин; возможность искусственного искривления, а также регулирование интенсивности искривления скважин в желаемом направлении; конструкция технических средств и технологические режимы направленного бурения скважин; экономическая эффективность.

46

Выводы

Таким образом, эффективность бурения геологоразведочных скважин – производительность труда и качество работ – зависит, прежде всего, от уровня выполнения основных технологических процессов: способа и условий разрушения породы на забое, способа удаления продуктов разрушения из скважины и закрепления стенок ствола скважины, средств и технологии отбора образцов пород (проб), способа направленного бурения скважин.

С другой стороны, выбор способов и средств бурения, отбора керна или крепления стенок скважины, а также назначение технологических режимов определяются геологическими условиями проведения работ и в первую очередь механическими свойствами горных пород. Действительно, от состояния и свойств пород зависят: механическая скорость бурения, устойчивость стенок скважины, формирование и сохранность керна (его количество и качество), интенсивность и направление искривления скважин.

47

Раздел 2 СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД,

ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕССЫ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

2.1.Классификация свойств горных пород

Горной породой является естественное, вполне закономерное скопление минералов, возникшее в результате тех или иных геологических процессов. Поэтому многие свойства горных пород будут зависеть, прежде всего, от свойств самих минералов, их химического состава, формы и размеров минеральных частиц, расположения в пространстве, характера и силы связи между частицами и, наконец, условий формирования пород в целом и их строения.

По характеру проявляемых свойств породообразующие минералы, как и большинство горных пород, относятся к твердым телам, обладающим, прежде всего, механическими свойствами, которые определяют характер поведения этих тел в процессе деформации (изменение формы и линейных размеров под нагрузкой), а также при действии на них тепла, электричества и т. д.

Горные породы, представляющие собой чаще всего твердое тело достаточно сложного состава и строения, обладают довольно значительным количеством свойств, к числу которых относятся: прочность, твердость, упругость, хрупкость, пластичность, абразивность, удельный и объемный веса, плотность, пористость, трещиноватость, делимость, отдельность, сланцеватость, кливаж, сыпучесть, водопроницаемость, водопоглощение, текучесть, теплопроводность, плавкость, электрическая прочность, магнитная проницаемость, радиоактивность и т. д.

В практике горного дела, геологоразведочных работ и инженерногеологических изысканий широко используются или исследуются многие из перечисленных свойств горных пород. Однако до сих пор еще нет достаточно полной и четкой классификации этих свойств, начиная с их наименования. В современной литературе встречается целый ряд определений, в которые вкладываются различные понятия, что вносит путаницу в рассматриваемый вопрос. Действительно, в различных областях пауки и техники употребляется большое количество названий, терминов и определений свойств горных пород, например: физико-механические, физикотехнические, физико-химические, горно-технические, инженерно-геологические, деформационные, горно-технологические, механические и абразивные, плотностные, тепловые, электромагнитные, радиоактивные, физические свойства и т. д. Все приведенные здесь термины и определения не имеют общего основополагающего начала и поэтому смысловые значения их различны, что не способствует пониманию одних и тех же терминов, употребляемых в разных областях науки.

Под определением «физические свойства» одни авторы подразумевают только электрические, магнитные и тепловые свойства, а также плотность, пористость и удельный вес пород, другие же включают сюда и так называемые «механические» свойства (прочностные, акустические, гравитационные, структурные и др.). Многие термины оказываются синонимами и появляются только потому, что отсутствует единый принцип подбора терминов в разных областях науки и техники, где приходится иметь дело с горной породой, представляющей собой твердое тело. Этим, ви-

48

димо, можно объяснить применение ряда терминов-синонимов, характеризующих вполне определенное поведение породы, например: плывучесть – плывунность. Очевидно, основополагающим термином здесь является текучесть – способность массы вещества, находящегося в определенной фазе, перемещаться, в данном случае – течь или плыть. Разница может быть только в том, что скорость этого перемещения или продвижения массы оказывается различной. Но смысл остается один – материал течет, будучи насыщенным жидкостью. Очевидно, должен существовать и один термин – текучесть. Однако с этим термином связывают еще один – «ползучесть» – свойство, имеющее совсем другую природу, чем «текучесть» или «плывучесть» породы, насыщенной водой. Поэтому для первого случая должен быть принят термин «плывучесть» пород, а для второго – «текучесть» (пластическое течение материала при деформациях), синонимом которого является менее удачный термин «ползучесть».

Внекоторых работах последних лет сделана попытка классифицировать свойства горных пород по определенному признаку. В одной из этих работ основным классификационным признаком приняты «внешние поля, во взаимодействии с которыми проявляются те или иные свойства горных пород» [12]. По этому признаку выделяются пять классов физических свойств: плотностные, механические, тепловые, электромагнитные и радиоактивные. Здесь же сделана попытка разбить некоторые классы на группы свойств: гравитационные и структурные; прочностные, акустические, геологические и горно-технологические; свойства состояния и константы фазового перехода; электрические и магнитные свойства.

Идалее приводится наименование свойств, куда попадают не только свойства, но и их показатели, например показатель дробимости, коэффициент линейного расширения, тангенс угла диэлектрических потерь и др.

Вработе В.В. Ржевского и Г.Я. Новика [13] по тому же принципу выделяются четыре группы базовых физических свойств горных пород: плотностные, механические, тепловые и электромагнитные и приводятся их основные параметры (по существу наименования свойств, но не их числовые значения). Кроме того, здесь приводятся в виде отдельной таблицы наиболее часто используемые в горном производстве физико-механические и технологические параметры горных пород, где перечисляются практические показатели свойств, а также некоторые свойства и даются их определения (коэффициент крепости по шкале проф. М.М. Протодьяконова, коэффициент хрупкости и пластичности, твердость, контактная прочность, вязкость, дробимость, влагаемость и т. д.). Причем плотностные свойства авторы этой работы рассматривают в главе «Механические свойства горных пород», правда, с такой оговоркой: «Эти параметры носят общий характер; они связаны с каким-либо внешним воздействием на породу и поэтому не являются механическими. Однако их изучение предшествует изучению всех остальных свойств пород». Вряд ли можно принять эту оговорку в качестве классификационного признака.

Свойства горных пород, по нашему мнению, следует рассматривать, прежде всего, с точки зрения их проявления в тех или иных процессах и с точки зрения их происхождения (природы свойств).

По первому признаку, в принципе, все свойства горных пород можно разде-

лить на три основных класса: физические, химические и физико-химические. Тогда к первому классу будут отнесены все свойства, проявляющиеся при протекании физических процессов: механических, термических, электромагнитных и радиоактив-

49

ных, т. е. все упоминавшиеся ранее и приведенные в различных классификациях свойства. Во второй класс попадут свойства, проявляющиеся при протекании химических процессов. И соответственно к третьему будут относиться свойства, проявляющиеся при протекании физико-химических процессов.

На основании второго признака рассмотренные классы свойств можно разбить на подклассы. К одному подклассу могут быть отнесены природные свойства, всегда присущие породам, связанные с их происхождением (литогенезом) и преобразованиями (диагенезом, тектогенезом, выветриванием и т. д.). Проявление этих свойств не зависит от условий, в которых они определяются, а их показатели для конкретных пород будут иметь постоянные значения. К другому подклассу могут быть отнесены свойства, проявление которых обязательно связано с воздействием на породу тех или иных физических полей (механических, тепловых, электромагнитных, радиоактивных и др.) или какого-либо вещественного поля, например, химически активной среды и т. д. Каждый подкласс будет включать определенную группу свойств, характеризующихся теми или иными показателями (параметрами), количественные значения которых будут зависеть от условий взаимодействия внешних полей или среды с породой. На таком принципе может быть построена более строгая классификация всех свойств горных пород. Учитывая, что в практике геологоразведочных работ наибольшее значение имеют свойства первого класса, здесь предлагается классификация только этих свойств (табл. 2.1). Все физические свойства пород в этом случае разделены на два подкласса по рассмотренному ранее признаку.

Свойства первого подкласса, приобретенные породами в процессе их формирования и преобразования, т. е. связанные с геологическими процессами, можно несколько условно назвать физико-геологическими, так как большинство свойств этого подкласса формируется в результате преобладающего действия физических процессов (гравитационного поля Земли, тектонических движений, физического выветривания и др.), и определяет в совокупности строение горных пород. Сюда относятся свойства, обусловливаемые геолого-структурными признаками. Первый подкласс включает одну группу свойств, приобретенных породой в процессе литогенеза и выветривания. Геолого-структурные свойства характеризуют строение горных пород: слоистость, делимость, трещиноватость, отдельность, кливаж, сланцеватость, рассланцованность, линейность, пористость, кавернозность и закарстованность. Сюда же относятся такие физические свойства, как удельный и объемный веса, плотность, магнитная восприимчивость, радиоактивность и другие, характеризующиеся физическими константами, приобретенными породой при ее формировании.

Во втором подклассе объединены свойства, проявляемые породами только при воздействии на них внешних физических полей или активной среды. Свойства этого подкласса обычно используются в технике геологоразведочных работ. Они определяют основные технологические процессы и режимы и во многом зависят от свойств пород первого подкласса, т. е. являются функцией физико-геологических свойств пород и механизма воздействия на них. Поэтому свойства второго подкласса названы физико-техническими. Сюда входит семь групп свойств.

50