18 Свойства горных пород

Горная порода представляет собой соединение минералов постоян­ного состава, связанных силами молекулярного взаимодействия, которые возникают либо в местах непосредственного контакта мине­ралов друг с другом, либо в местах контакта их с минеральными частицами посторонних цементирующих веществ.

Упругость. Большинство породообразующих минералов являются телами упруго-хрупкими, т. е. они подчиняются закону Гука и разрушаются, когда напряжения достигают предела упругости.

Горные же породы по характеру зависимости деформации от на­пряжений при статическом нагружении можно подразделить на три группы (рис. 7): 1) упруго-хрупкие, подчиняющиеся закону Гука; 2) пластично-хрупкие, разрушению которых предшествует зона пла­стической деформации; 3) высокопластичные и сильнопористые, упругая деформация которых незначительна.

Прочность. Величина напряжений, при которых разру­шается порода, характеризует ее прочность. Наибольшее сопроти­вление породы оказывают сжатию; прочность на растяжение обычно не превышает 10% прочности на сжатие (табл. 2). Это объясняется хрупкостью пород, большим количеством локальных дефектов и неоднородностей в них, слабыми силами сцепления частиц.

Прочность породы существенно зависит от ее минерального со­става. Наиболее прочным породообразующим минералом является кварц; его прочность превышает 500 МПа, тогда как прочность же- лезистомагнезиальных силикатов и алюмосиликатов составляет 200— 500 МПа, кальцита — 10—20 МПа. Поэтому прочность породы обычно возрастает с увеличением содержания кварца. На рис. 5 видно, что наибольшей прочностью обладают породы, плотность которых при­мерно равна плотности кварца (около 2700 кг/м³). Прочность моно­минеральной породы обычно выше прочности полиминеральной, так как в последней почти всегда присутствуют слабые минералы.

Пластичность зависит от минерального состава горных пород и уменьшается с увеличением содержания кварца, полевого шпата и других жестких минералов. Высокими пластическими свойствами обладают влажные глины и некоторые хемогенные породы.

Пластичность скальных пород (граниты, кристаллические сланцы, песчаники) проявляется в основном при высоких температурах.

Пластичность. Как было уже сказано ранее, разруше­нию некоторых горных пород предшествует пластическая деформа­ция. Она начинается, как только напряжения в породе превысят предел упругости. В случае идеально пластичного тела такая дефор­мация развивается при неизменном напряжении. Реальные горные породы деформируются с упрочнением: для роста пластической де­формации необходимо увеличивать напряжение, причем скорость роста деформации больше скорости увеличения напряжения.

19 Долото режуще-скалывающего действия, разрушающее породу лопастями, наклоненными в сторону вращения долота. Предназначено для бурения мягких пород. долота режуще-скалывающего действия (лопастные долота). Предназначены для разбуривания пластичных пород небольшой твердости (глина, глинистые сланцы) и малой абразивности;

В настоящее время выпускают двухлопастные 2JI (рис. 14) и трехлопастные 3JI (рис. 15, а) долота, верхняя часть которых имеет муфту с замковой резьбой предназначенную для соединения с бурильной колонной или забойным двигателем, а нижняя — две и три лопасти, расположенные по отношению друг к другу под углом соответственно 180° и 120°.

Долота 2JI изготавливают цельноковаными, а долота ЗЛ — свар­ными. Штампованные лопасти приваривают к цельнокованым корпу­сам по всему контуру касания.

Современные конструкции лопастных долот имеют два (долота 2Л) и три (долота ЗЛ) промывочных отверстия, направляющих промы­вочную жидкость из бурильной колонны непосредственно на забой скважины. При этом отверстия просверлены так, чтобы их оси пере­секались с поверхностью, описываемой при вращении долота кром­ками лопастей, на расстоянии 2/3 радиуса долота от центра долога. Такое расположение промывочных отверстий отклоняет струи про­мывочной жидкости несколько вперед от плоскостей лопастей долота, что создает условия для хорошей очистки забоя от выбуренной по­роды, удовлетворительного омывания лопастей промывочной жидко­стью для охлаждения и удаления с них налипающей породы.

При бурении лопастными долотами можно получить значительное увеличение скорости проходки, применяя долота с промывочными отверстиями, обеспечивающими истечение жидкости из них со ско­ростью 60—125 м/с. Такие долота, называемые гидромониторными.

В процессе проходки скважины не всегда удается обеспечить необходимый расход промывочной жидкости для получения нужной скорости истечения жидкости из промывочных отверстий. Поэтому созданы и поставляются с долотами сменные насадки, подбор кото­рых позволяет обеспечить требуемую скорость истечения жидкости из насадок.

20 Долото дробяще-скалывающего действия, разрушающее породу зубьями или штырями, расположенными на шарошках, которые вращаются вокруг своей оси и вокруг оси долота. При вращении долота наряду с дробящим действием зубья шарошек, проскальзывая по забою скважины, скалывают и разрезают породу. Это повышает эффективность разрушения пород. Эти долота предназначены для разбуривания неабразивных и абразивных, средней твёрдости, твёрдых, крепких и очень крепких пород.

За историю развития конструкций шаро­шечных долот в практике бурения применяли долота с одной, двумя тремя, четырьмя и шестью шарошками. Однако самыми распростра ненными на протяжении всех лет были и остаются трехшарошечные долота (рис. 16). В зависимости от конструкций шарошек, формы _и размещения породоразрушающих элементов на них, схемы расположения осей шаарошек, по отношению к оси долота, конструкции и расположения промывочных отверстий создано много типов долот, эффективно разрушающих породы самых разнообразных механиче­ских свойств.

Из шарошечных долот других типов в настоящее время применяют двухшарошечные (рис. 17) и одношарошечные (рис. 18), а за рубежом — и четырехшарошечные долота.

Условия работы многоконусных шарошек аналогичны.

Для усиления скалывающего воздействия породоразрушающих элементов на породу все больше применяют трехшарошечные до­лота с положительным смещением осей.

Интенсивность проскальзывания породоразрушающих элемен­тов шарошек по забою оценивается коэффициентом скольжения, получаемым в результате деления суммы площадей, описываемых за один оборот долота зубьями (штырями), на всю площадь забоя скважины. При оценке эффекта скалывания породы необходимо также учитывать и неровную поверхность забоя, неизбежно обра­зующуюся в результате перекатывания по нему шарошек, имеющих не гладкую, а зубчатую (штыревую) поверхность. В результате при перекатывании шарошек их зубья (штыри) будут соскальзывать с имеющихся на забое выступов и тем самым усиливать скалыва­ющее воздействие долота на разрушаемую породу. Поэтому даже те долота, у которых оси и образующие шарошек пересекаются с осью вращения долота (рис. 23, а), будут разрушать породу дробле­нием со скалыванием, несмотря на то, что у них коэффициент сколь­жения равен нулю.