2. Основные свойства горных пород

Геологоразведочные скважины бурят в самых разнообразных геологических условиях. Поэтому и способ разрушения горных пород, тип породоразрушающего инструмента, режим его работы, крепление стенок скважины выбирают в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород, которые определяются комплексом геологических признаков (минералогическим составом, структурой и текстурой) и зависят от свойств основного минерального вещества, размера зерен, минерального цемента, пустотности, трещиноватости и др. Наиболее существенно на процесс бурения влияют следующие свойства пород:

• прочность,	• хрупкость,	• водопроницаемость,
• твердость,	• абразивность,	• трещиноватость,
• упругость,	• устойчивость,	• слоистость,
• пластичность,	• пустотность,	• плотность,
		• анизотропность.

Прочностьюназывается способность горных пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, растяжении и других видах деформации. Прочность горных пород зависит от многих факторов и колеблется в широких пределах.

Испытание на прочность при сжатии проводится в лабораторных условиях на гидропрессах с определением сжимающего усилия в момент разрушения образцов горной породы, изготовленных в виде куба с ребром 5 см или цилиндров диаметром и высотой 5 см.

Для определения прочности горных пород на скалывание изготавливают пластинку из породы поперечным сечением 30×15 мм и длиной 120–150 мм помещают в прибор между ножами, на один из которых действует гидравлический пресс.

Временное сопротивление горной породы растяжению определяют на образце горной породы в форме прямоугольной призмы длиной 80 мм, шириной 20 мм и толщиной 10 мм на гидропрессе, имеющем специальное приспособление.

Прочность горных пород на скалывание и растяжение значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при сжатии за 1,0, то предел прочности ее на скалывание равен 0,2–0,08, а на растяжение 0,07–0,04. Поэтому горные породы легче разрушать скалыванием, чем смятием или раздавливанием.

Сопротивление горных пород разрушению при динамических нагрузках существенно отличается от сопротивления при статическом воздействии. В связи с этим при выборе способов бурения предпочтение следует отдавать таким, при которых преобладает динамическое воздействие на породу. Динамическая прочность горных пород определяется несколькими способами: ударом на изгиб, толчением и дроблением, определением ударной вязкости. Испытание ударом на изгиб проводят на маятниковом копре Шоппера. Обычно породы, обладающие высокой твердостью, имеют сравнительно невысокую ударную вязкость. Эту зависимость необходимо учитывать при определении рациональной области применения различных способов бурения.

По коэффициенту динамической прочности F_д горные породы делят на шесть групп; к горным породам одной группы по динамической прочности могут относиться породы с различной прочностью на статическое сжатие.

Твердость есть свойство тела оказывать противодействие проникновению в него другого тела – сопротивление горной породы вдавливанию в нее другого, более твердого тела. Бурение сопровождается внедрением в породу рабочих элементов породоразрушающего инструмента, поэтому твердость существенно влияет на скорость бурения.

Существуют различные методы оценки твердости горных пород: вдавливание в породу наконечников, царапание породы; метод фиксации затухания колебаний маятника, на конце которого укреплена игла, царапающая шлифованную поверхность образца; истирание или резание породы. В геологии большое распространение имеет шкала твердости минералов Мооса, по которой условную твердость минералов определяют методом царапания; по этой шкале твердость характеризуется отвлеченным числом (номером). Для практических целей важно знать не условную или относительную твердость горной породы, а абсолютную твердость, измеряемую, как правило, в МН/м² (кгс/см²).

В настоящее время механические свойства горных пород определяются методом, предложенным Л. А. Шрейнером. По этому методу твердость горных пород определяют путем вдавливания в шлифованную поверхность образца породы штампа с гладким торцом (пуансона) площадью 1×2 мм (для твердых пород) и 5×2 мм (для пород малой твердости) с замером нагрузок, деформации до разрушения, параметров зоны разрушения и в вычислением показателей механических свойств.

На рис. 2.1 приведены типовые диаграммы разрушения горных пород, полученные на приборе УМГП-3. По диаграмме деформации горных пород определяются также их упругость, пластичность, хрупкость.

Упругость– свойство горных пород изменять свою форму и объем под действием внешней нагрузки и восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействия.

Хрупкость – свойство горных пород разрушаться без заметной пластической деформации.

Пластичность– свойство горных пород необратимо деформироваться от действия внешних сил или внутренних напряжений, т. е. претерпевать пластическую (остаточную) деформацию без нарушения сплошности материала.

Д

Рис. 2.1. Диаграмма разрушения горных пород (по Л. А. Шрейнеру):

а – хрупких; б – пластично-хрупких; в – высокопластичных; Р – усилие на штампе; ε – деформация образца

иаграмма, показанная на рис. 2.1,а, получена при испытаниях хрупких пород (гранита, кварцита). Участок OD характеризует упругую деформацию породы. На диаграмме рис. 2.1, б участок ОА соответствует упругой деформации, АВ – пластической. В точке В наступает хрупкая деформация.

Абразивность – способность горной породы изнашивать при трении разрушающий ее инструмент. При бурении абразивных горных пород за счет износа инструмента сокращается время его работы на забое. Абразивность в значительной степени зависит от твердости породообразующих минералов: повышенной абразивностью обладают породы, состоящие из зерен очень твердых минералов, связанных менее твердым цементом. Для оценки абразивности предложены различные методы, в основу которых принят один принцип – истирание эталонного предмета. На практике обычно применяют метод и прибор для определения абразивности пород по износу свинцовых шариков.

Пустотность (пористость), характеризуемая наличием в горной породе пустот, усложняет процесс бурения; пустоты могут образовываться и за счет растрескивания породы.

Трещиноватость горных пород также влияет на процесс бурения; наиболее существенно она снижает эффективность алмазного бурения.

Устойчивость– способность пород сохранять первоначальное положение при вскрытии их в массиве и не обрушаться со стенок скважины без дополнительного их крепления. В неустойчивых породах требуется закреплять скважину и принимать меры по сохранению разрушающегося керна; устойчивость зависит от характера связей в горной породе.

Водопроницаемостьгорных пород зависит от размера и характера пор и трещин, влияет на потери промывочной жидкости в скважине.

Плотностьгорных пород определяет условия транспортирования разрушенной породы на поверхность.

При определении физико-механических свойств горных пород необходимо помнить об анизотропности пород, т. е. различии значений свойств в зависимости от направления воздействия на образец.

Слоистость, сланцеватость также создают анизотропию свойств горных пород. Механические свойства многих горных пород связаны с их текстурой. Для осадочных пород характерна слоистая текстура, для метаморфических – сланцеватая, причем значения свойств породы в направлении, параллельном плоскостям напластования или сланцеватости, отличны от значений тех же свойств в перпендикулярном направлении (анизотропия). Магматические горные породы также могут быть анизотропными по механическим свойствам, если имеют текстуру, характеризующуюся ориентированным расположением кристаллов породообразующих минералов. Анизотропные горные породы при пересечении их скважиной под углом к плоскости напластования или сланцеватости (т. е. к плоскости наименьшего сопротивления породы разрушению при бурении) разрушаются на забое неравномерно, что приводит к искривлению скважины.

Совокупность физико-механических свойств горных пород определяет их буримость, т. е. способность горных пород сопротивляться проникновению в них породоразрушающего инструмента. Буримость горной породы характеризуется механической скоростью бурения – значением углубления скважины за единицу времени. Этот показатель очень важен, так как по буримости пород планируются и нормируются буровые работы.