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

Таблица 2.1

Схема классификации физических свойств горных пород (по С.С. Сулакшину)

51

52

53

Продолжение табл. 2.1

54

1. Свойства, проявляющиеся при воздействии на породу внешних механических силовых полей. Сюда относятся так называемые механические свойства, характеризующие поведение твердого тела под действием статических или динамических нагрузок: прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость, хрупкость, абразивность, разрыхляемость, сыпучесть, текучесть, пучение, релаксация, устойчивость. Иногда эти свойства делят на три подгруппы: упругие, прочностные, реологические. Все эти свойства характеризуются определенными показателями: пределами прочности, модулем Юнга, коэффициентом Пуассона, сцеплением, коэффициентом хрупкости или пластичности, коэффициентом крепости проф. М.М. Протодьяконова, гранулометрическим составом, коэффициентом внутреннего трения, углом естественного откоса и т. д. Значения одних и тех же показателей могут быть существенно различными в зависимости от условий действия механического поля. Под действием всестороннего давления, например, могут увеличиваться прочность, теплопроводность и другие свойства.

2.Свойства, проявляющиеся при взаимодействии породы с водой, условно названные водно-коллоидными. Сюда относятся влагоемкость, водопроницаемость, набухание, размокаемость, тиксотропность, растворимость и др. Проявление этих свойств, показателями которых являются коэффициенты водонасыщения и фильтрации, водоотдача и водообильность, происходит при воздействии вещественного поля в виде жидкости, заполняющей поры, трещины и каверны.

3.Свойства, проявляющиеся при воздействии на породу упругих колебаний, именуемые обычно акустическими. Эти свойства характеризуют способность породы передавать упругие колебания, которые могут возникать при действии на породу физических полей, возбужденных тем или иным способом, – взрывом, ударом или частыми знакопеременными нагрузками. При этом энергия взрыва или удара трансформируется в энергию различных колебательных процессов – упругих волн, распространяющихся от источника энергии во все стороны с конечными скоростями. По ряду причин энергия бегущих волн постепенно убывает и колебания затухают.

55

Распространение упругих волн, или акустические свойства, зависят как от характера самих волн, так и от упругих свойств пород.

4.Свойства, проявляющиеся при воздействии на породу температурного поля, – термические (тепловые) – характеризуют процессы накопления тепла породой, условия распространения и передачи тепла, изменение объемов нагреваемой породы, температуру плавления породы и др. В соответствии с этим к числу свойств данной группы относятся: температуропроводность, теплоемкость, увеличение объема пород, или расширяемость, плавкость пород и т. д. Все эти свойства проявляются в той или иной степени при разрушении горных пород различными способами и в первую очередь термическими и термомеханическими. Кроме того, с изменением температурных условий связано изменение и ряда других свойств пород.

5.Свойства, проявляющиеся при воздействии на породу электрического поля или высоковольтных разрядов. К числу свойств этой группы относятся: электрическая прочность и сопротивление пород, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и др. Этими свойствами определяется поведение горных пород при их разрушении. В электрическом переменном поле породы нагреваются, что приводит к их разрушению за счет неравномерного расширения минералов, слагающих породу. Электрический высоковольтный разряд, внедренный в породу, может также вызвать ее разрушение. На этих свойствах пород основываются некоторые способы их разрушения.

6.Свойства, проявляющиеся при воздействии на породу магнитного поля или электромагнитных колебаний. Сюда относятся так называемые магнитные свойства: магнитная восприимчивость и проницаемость, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила. В породах, обладающих перечисленными свойствами, под воздействием магнитного поля или электромагнитных колебаний могут происходить существенные изменения, в частности уменьшение прочности вплоть до их разрушения. Это может быть связано с повышением температуры пород и потерей связи между частицами, слагающими породу.

7.Свойства, проявляющиеся при воздействии на породу радиоактивного поля, получившие название радиационных или радиоактивных. Эти свойства проявляются при воздействии на породу потоков микрочастиц или жестких электромагнитных волн – рентгеновских гамма-лучей (эффективное сечение поглощения нейтронов, эффективное сечение рассеяния нейтронов).

Изучение рассмотренных свойств горных пород имеет большое теоретическое

ипрактическое значение, так как знание их позволяет не только совершенствовать способы разрушения, но и создавать новые, более эффективные.

2.2. Значение свойств горных пород для процессов бурения скважин

Одним из основных элементов процесса бурения геологоразведочных скважин является разрушение породы в забое и получение образцов или проб полезных ископаемых с заданных интервалов. В процессе бурения скважин происходит обнажение массива горных пород и воздействие на них различных факторов, с чем могут быть связаны целый ряд явлений, приведенных в табл. 2.2.

В рассматриваемом процессе решается практически две противоположные задачи: с одной стороны, желательно как можно быстрее разрушать породу в забое, с

56

чем связана скорость углубки ствола скважины, а с другой стороны – необходимо получить сохранные неразрушенные образцы пород или пробы полезных ископаемых, отвечающие определенным требованиям. Кроме того, необходимо обеспечить формирование ствола, т. е. сохранение устойчивости пород в стенках скважины. Вполне очевидно, что поведение пород в этом процессе определяется, прежде всего, их свойствами. От степени проявления тех или иных свойств будут зависеть не только скорость бурения и качество работ, но и различного рода осложнения и аварии, а также выполнение дополнительных работ и операций, связанных с креплением стенок скважин или расширением стволов при бурении, а в целом – производительность работ и стоимость проходки скважин.

Очевидно, для решения такого сложного вопроса, как бурение скважин, требуется глубокое знание не только техники и технологических процессов, но прежде всего свойств горных пород и поведения их при бурении скважин. Эти сведения необходимы для выбора способа бурения, типа забойного инструмента, определения усло-

57

вий его работы или режимов бурения, условий получения качественных проб полезных ископаемых, способа крепления стенок скважин, условий приведения скважины в заданную точку и многое другое, в целом определяющее успех бурения скважин. Для этого необходимо представить, как будут вести себя породы при воздействии на них забойного инструмента того или иного типа, как будут изменяться породы при воздействии на них промывочной жидкости, как будет вести себя керн и т. д.

Механические свойства, как было указано, определяют характер поведения горных парод в процессе деформации, с чем связано изменение формы и линейных размеров тела (образца). Как известно, такие деформации могут быть обратимыми или необратимыми, что очень важно при разрушении горных пород. Если напряжения, возникающие в горной породе при ее деформации, не будут превышать предела упругости, то такая деформация будет обратимой или упругой. В этом случае после снятия внешних сил кристаллы, образующие породу, под действием внутренних сил принимают исходное положение, а форма тела остается без изменения. Под действием внешних сил, превышающих силы внутренних связей, т. е. при переходе через предел упругости, может наступить либо пластическая необратимая деформация без нарушения сплошности образца, либо его хрупкое разрушение.

Характер деформации зависит от многих факторов, например: от скорости приложения и направления действия внешних сил, от вида напряженного состояния, анизотропности свойств твердых тел, характера, окружающей среды, температуры и т. д. Это особенно характерно для горных пород, часто слоистых, трещиноватых и, как правило, весьма неоднородных. Отсюда видно, что основные свойства горных пород – упругость, пластичность и прочность или твердость и абразивность – будут определять, прежде всего, успех разрушения их на забое при взаимодействии породоразрушающего инструмента с породой, а от такого свойства, как устойчивость горных пород, т. е. способности их не обрушаться в скважине и не разрушаться в колонковой трубе, зависят такие вопросы, как крепление стенок скважины, выход керна, способ удаления продуктов разрушения и др. Последний момент имеет особо важное значение, так как применение промывочной жидкости, с одной стороны, улучшает процесс разрушения горных пород – жидкость понижает их прочность, снижает коэффициент трения, а с другой – снижает устойчивость пород и создает повышенное гидростатическое давление на забой, что ухудшает процесс разрушения породы.

Ряд физических свойств – термических, электрических, радиоактивных – представляют большой интерес в связи с развитием новых способов разрушения горных пород и являются предметом рассмотрения в специальных работах [12, 13, 14, 15].

Таким образом, для эффективного осуществления процессов механического способа бурения необходимо знание, главным образом, механических и водноколлоидных свойств пород, так как эффект разрушения пород будет находиться в прямой зависимости от их твердости или прочности: чем тверже порода, тем меньше скорость ее разрушения при прочих благоприятных условиях.

Эффективность тепловых и электрических способов разрушения зависит от других свойств пород – термических, электрических и магнитных – и практически не связана с их механическими свойствами – твердостью, абразивностью и др. Наоборот, при использовании некоторых электрических способов эффективность разрушения пород по сравнению с механическими тем выше, чем прочнее, тверже породы. Это связано с тем, что разрушающие напряжения формируются в данном случае внутри самой породы, а не приносятся извне. Чем тверже порода, тем выше в ней возникающие напряже-

58

ния и тем выше эффект разрушения при одинаковом уровне расходуемой энергии. Поэтому при осуществлении теплового способа разрушения пород необходимо знание не только механических свойств горных пород, но и термических, а при осуществлении электрического способа – механических, термических и электрических.

При разрушении горных пород бурением большое значение приобретают некоторые способы понижения их твердости для повышения эффективности процессов разрушения. Понижение твердости горных пород может создаваться за счет ослабления связей между частицами, слагающими породу, за счет образования системы мелких трещин в массиве, за счет увеличения пористости пород и т. д. Достигается это путем воздействия на породу упругих колебаний (вибрации), повышения температуры породы (при трении или подведении тепла), взрывами, действием поверхностно-активных веществ (понизителей твердости), растворением некоторых составных компонентов породы (выщелачиванием) и т. д. Применение этих способов понижения твердости также основывается на использовании определенных свойств горныхпород.

Наконец, сооружение скважин в определенных условиях не может осуществляться без закрепления пород в стенках. Наряду с механическими способами закрепления стенок скважины существуют и физико-химические способы: глинизация, цементация, битуминизация, а также с использованием электролиза, электроосмоса, обменных реакций, требующих знания физико-химических и некоторых химических свойств пород.

Очевидно, для того чтобы учитывать все геологические факторы, которые могут влиять на процессы бурения скважин и качество буровых работ, необходимы достаточно глубокое изучение и оценка тектоники того или иного участка методами, изложенными в литературе по структурной геологии и петрографии [16]. При этом следует учитывать, что горные породы могут характеризоваться проявлением одновременно многих из рассмотренных свойств, наложение которых особенно усложняет условия бурения скважин. Так, например, достаточно точно установлено влияние строения горных пород на закономерности искривления скважин, в частности влияние слоистости. Однако имеют место случаи, когда скважины не следуют этим закономерностям. Это может быть связано с более активным влиянием других структурных элементов, например таких, как делимость пород, кливаж или рассланцованность, не совпадающих со слоистостью пород.

Таким образом, изучение свойств горных пород имеет большое значение, так как накопленные знания в этой области позволяют глубже проникнуть в процессы, протекающие в породе при бурении скважин, и установить связь между этими процессами и действием тех или иных факторов, например, при разрушении горных, пород. Это важно еще и потому, что все свойства горных пород имеют определенный физический смысл и количественные значения в виде констант, применяемых в формулах, описывающих те или иные процессы.

2.3. Основные факторы, определяющие свойства горных пород

Все свойства горных пород определяются довольно сложным комплексом факторов, которые можно разделить на две основные группы.

К первой группе могут быть отнесены факторы, связанные, прежде всего, с происхождением горных пород, их составом и строением, которые они приобрели под

59

действием физико-геологических процессов в период литогенеза, т. е. в период формирования самой породы на протяжении всей истории развития земной коры. Этими факторами, называемыми «внутренними», определяются все физико-геологические свойства, приведенные в классификации. К числу факторов этой группы можно отнести следующие (см. табл. 2.1): физико-геологические условия формирования горных пород и окружающей среды; минералогический состав слагающих породу частиц; структура горных пород; текстура горных пород; строение горных пород (остаточные результаты воздействия геологических процессов). Свойства пород, приобретенные под действием перечисленных факторов, являются в данный момент совершенно конкретными и достаточно постоянными независимо от условий их определения. Это константы, характеризующие состояние горных пород.

Вторая группа факторов определяет проявление физико-технических свойств горных пород, зависящих от условий их оценки, т. е. от действия внешней среды или физического поля в момент оценки того или иного свойства. Поэтому количественные показатели этих свойств, обусловливаемые второй группой факторов, названных «внешними», не являются константами. Их значения зависят от параметров и характера вещественного или физического поля, воздействующего на породу. К этой группе факторов относятся: механическое (силовое) поле (давление, удары); акустическое или ультразвуковое поле; вещественное поле в виде жидкостей или газов; электромагнитное поле.

Поэтому количественные значения свойств, проявляющихся под действием внешних факторов, приводятся обязательно с указанием условий, в которых они определяются: условия действия силового поля, напряженность поля, физикохимическая активность вещественного поля (жидкости или газа), время воздействия поля и т. д.

Основными факторами, или геологическими признаками, определяющими формирование свойств горных пород, как указывалось ранее, являются: физикогеологические условия образования пород, минералогический состав, структура и текстура пород, а также их строение (остаточные результаты воздействия геологических процессов на породу). Здесь следует отметить, что действуют эти факторы в тесной взаимосвязи, и роль того или иного фактора в формировании отдельных свойств может быть весьма различной. Так, например, минералогический состав горных пород, в общем, является одним из важнейших факторов, определяющих их прочность, твердость и ряд других свойств. Однако механическая прочность самих минералов подчас не является решающим фактором. Более важными могут явиться внутренние связи между частицами (минералами), слагающими породу. Причем эти связи часто зависят не столько от минерального состава, сколько от условий образования породы. Так, например, временное сопротивление сжатию кварцевого песчаника колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч килограммов на см2 в зависимости от характера и состава цемента. Также в широких пределах может колебаться сопротивление сжатию у известняков и других осадочных пород. Прочность изверженных пород увеличивается с возрастанием в их составе темноцветных минералов и т. д. Поэтому с точки зрения протекания процессов бурения более важным являются характер и природа связей между минералами, слагающими породу. Это вполне естественно, так как при бурении достаточно разрушить эти связи, т. е. освободить частицы, слагающие горную породу, чтобы получить необходимый эффект ее разрушения и соответствующую скорость продвижения забоя. С другой

60