Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Строительство arrow Бурение скважин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕХАНИЧЕСКИХ СПОСОБОВ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Основные физико-механические свойства горных пород

Сопротивление горных пород разрушению в процессе бурения скважин обусловлено их физико-механическими свойствами, поэтому данные о физикомеханических свойствах горных пород являются важнейшими при решении вопроса о выборе способа бурения скважины.

Физические свойства характеризуют физическое состояние породы. К ним относятся: плотность, влажность, пористость, трещиноватость, степень связности, зернистость, структура и текстура.

Механические свойства породы - прочность, твердость, абразивность, упругость, хрупкость, пластичность.

Совокупность физико-механических свойств горных пород задает сопротивляемость горной породы разрушению тем или иным типом бурового инструмента. При бурении сопротивляемость горной породы разрушению оценивают таким свойством, как буримость горной породы.

Буримость - сопротивляемость горной породы разрушению буровым инструментом, задаваемая совокупностью прочностных и абразивных свойств горной породы, способом и интенсивностью породоразрушающего действия, конструктивными параметрами и техническим состоянием бурового инструмента, а также способом и параметрами процесса удаления продуктов разрушения из зоны породоразрушающего действия бурового инструмента.

При вращательном бурении геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые все горные породы подразделены на 12 категорий по буримости (по величине объединенного показателя рм, который учитывает динамическую прочность породы и ее абразивность).

Динамическая прочность горных пород определяет сопротивляемость горных пород разрушению при динамическом внедрении породоразрушающих элементов. Динамическое внедрение может происходить при воздействии на индентор быстро нарастающих по величине нагрузок, например, вследствие удара индентора или инструмента о породу.

Абразивность - способность горной породы как в агрегатном, так и в разрушенном состоянии, вызванном ее разрушением, изнашивать буровые инструменты в процессе трения.

Категория горных пород по буримости по ОСТ 41-89-74 «Породы горные. Метод контрольного определения категорий по буримости для вращательного бурения» определяется на основании значений коэффициента динамической прочности (^д), коэффициента абразивности а б) и объединенного (расчетного) показателя (рм) горных пород.

Метод определения категории по буримости распространяется на горные породы только У-ХП категорий по буримости для вращательного бурения, так как осадочные и другие нетвердые горные породы не позволяют определить динамическую прочность из-за несвязного состояния.

Показатель динамической прочности породы Рл можно определить как

  • 20/г
  • (2.1)

Физический СМЫСЛ коэффициента состоит в определении

относительной удельной работы дробления обломков породы в процессе динамического нагружения.

Коэффициент абразивности КаС) горной породы определяют по формуле

  • 0_
  • 100’
  • (2.2)

где Q - потеря массы свинцовой дроби в результате абразивного износа об испытываемую породу, мг.

Категорию горных пород по буримости при вращательном бурении определяют на основании расчета объединенного показателя рм:

Р.« =*К*КЛ. (2.3)

Объединенный показатель рм и категорию по буримости определяют по специальным таблицам или номограмме. Значение рм соответствует определенной категории горных пород по буримости (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Значения р„ и категории горных пород по буримости при вращательном бурении

Категория пород по буримости

Значение рм

Категория пород по буримости

Значение рм

V

4,5-6,8

IX

22,8-34,2

VI

6,8-10,1

X

34,2-51,2

VII

10,1-15,2

XI

51,2-76,8

VIII

15,2-22,8

XII

более 76,8

Для ударно-вращательного бурения получена иная формула для расчета объединенного показателя рмуд:

0,41

Данная зависимость отражает основное влияние на процесс буримости горных пород под действием ударных импульсов коэффициента динамической прочности, в то время как для вращательного бурения отмечается преимущественное влияние абразивности горных пород.

Повышенное влияние абразивности при вращательном бурении во многом определяется относительно постоянным контактом бурового инструмента с забоем бурящейся скважины и, соответственно, значительным влиянием силы трения инструмента о породу, в том числе с отделяемыми от забоя кусочками породы и мелким шламом, который отличается значительным абразивным действием, особенно при наличии в составе породы твердых минералов.

Для ударно-вращательного бурения на основании показателя рмуд горные породы разделены по буримости на семь категорий (табл. 2.2).

Категории горных пород по буримости предназначены для определения затрат времени и средств на бурение, что позволяет на этапе проектирования геологоразведочных работ составить смету расходов и определить сроки производства работ. Показатели абразивности и динамической прочности могут также использоваться при обосновании способа бурения и выборе наиболее подходящего породоразрушающего инструмента.

Таблица 2.2

Значения р„ и категории пород по буримости при ударно-вращательном бурении

Категория пород по буримости

Значение рм

Категория пород по буримости

Значение рм

I

5,0-7,5

V

25,3-37,9

п

7,5-11,2

VI

37,9-56,9

ш

11,2-16,9

VII

56,9 и более

IV

16,9-25,3

При отсутствии оборудования для определения объединенного показателя и невозможности проведения хронометражных работ для предварительного суждения о свойствах горных пород и ее буримости можно воспользоваться справочными данными.

Кроме классификации горных пород по буримости для вращательного бурения применяют классификации горных пород по буримости для ударноканатного бурения (7 категорий по буримости) и ударно-канатного бурения на россыпях (6 категорий по буримости).

Наряду с категорией по буримости при выборе способа бурения, бурового инструмента и параметров режима бурения важна твердость горной породы.

Твердость - сопротивляемость горной породы разрушению (образование лунки разрушения) или пластической деформации при внедрении в нее другого более твердого, чем горная порода, тела, которое характеризуется определенной формой торца и его размерами.

Для определения твердости горных пород в соответствии с ГОСТ 12288— 66 применяют метод проф. Л. А. Шрейнера, который состоит в реализации внедрения плоского цилиндрического индентора в поверхность горной породы. Твердость определяется как соотношение нагрузки, вызвавшей разрушение (вдавливанию индентора) породы, к площади торца индентора. Работы выполняют на установке УМГП-3, позволяющей производить запись процесса деформирования породы по мере повышения нагрузки на индентор.

Твердость горной породы рш [кг / мм2 = 9,8 МПа] определяется как соотношение предельного усилия, вызвавшего внедрение индентора в породу Рр, к площади торца индентора 5Ш:

Р 4 Ра

(2'5)

где (I - диаметр торца индентора, мм.

За предельное усилие, определяющее твердость горной породы, принимается для твердых упруго-хрупких пород усилие, при котором произошел выкол лунки, для пород пластичных и пористых - усилие, при котором начинается выдавливание породы из-под торца индентора. По твердости горные породы подразделяются на пять групп (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Классификация горных пород по твердости

Номер

группы

Название группы пород

Категория горных пород по буримости

Твердость, МПа

I

Мягкие (М)

I, н, ш

0-480

II

Средние (С)

IV, V

480-1 470

III

Твердые (Т)

VI, VII

1 470-2 900

IV

Очень твердые (К)

VIII, IX

2 900-4 900

V

Весьма твердые (ОК)

X, XI, XII

4 900-6 800

В соответствии с рекомендациями зарубежных компаний каждый тип горной породы рассматривается как неизведанная область с несколькими переменными, оказывающими влияние на буримость породы. Наибольшее влияние, по оценкам специалистов компании Atlas Copco оказывают такие параметры, как размер зерен, крепость породы, выветрелость и трещиноватость.

Крепость породы в данном случае может характеризоваться как совокупный параметр свойств, определяющий сопротивляемость породы разрушению, которые учитывают такие физико-механические характеристики породы, как твердость, упругость, пластичность, то есть основные параметры, определяющие буримость. Очевидно, что крепость горной породы в данном случае каким-либо объективным лабораторным методом не определяется.

В горном деле крепость оценивается шкалой проф. М.М. Протодъяконова через коэффициент крепости /, который рассчитывается с использованием предельной величины прочности породы при сжатии (f= осж / 100), что крайне не точно позволяет оценивать буримость горной породы.

Больший размер зерен и трещиноватость делают породу более абразивной, в то время как мелкозернистая порода менее абразивная, но более крепкая.

Выветрелость снижает крепость породы. В соответствии с рекомендациями по выбору инструмента и технологии бурения компании Atlas Copco, породы сгруппированы и разбиты на пять групп.

К первой группе относятся крупнозернистые, сильнотрещиноватые и сверхабразивные породы типа сланец, аргиллит и известняк. Для бурения этих горных пород рекомендуются импрегнированные алмазные коронки типа Crealius и Hobic с максимально твердыми матрицами.

Вторая группа пород характеризуется как трещиноватые и абразивные породы типа песчаник, доломит, туф, кремнистый сланец. Для бурения этих пород рекомендуются коронки с менее твердыми матрицами.

Третья группа пород среднеабразивна: андезит, базальт, пегматит, диабаз, габбро, диорит. Коронки, рекомендуемые компанией, должны иметь еще менее твердые матрицы.

Четвертая группа пород - крепкие слабоабразивные породы (гнейс, диорит, гранит, кварцит, порфир).

Пятая группа горных пород - очень крепкие и неабразивные породы (кварц, риолит, кремнистый известняк, таконит, лимонит, яшма). Для таких горных пород предлагается инструмент с наиболее мягкой матрицей.

Другим важным физическим свойством горной породы, оказывающим влияние на ее механическую прочность, устойчивость и буримость, является трещиноватость. Трещиноватость даже очень твердых горных пород значительно влияет на выход керна - основное назначение разведочного бурения.

Классификация горных пород по трещиноватости произведена на основании оценки трех параметров:

удельной кусковатости керна Ку, шт./метр;

выхода керна Вк, %;

показателя трещиноватости W, определяющий среднее количество трещин, встречаемых коронкой за один оборот на забое, ед./образец.

На основании этих параметров показатель W рассчитывается по формуле

=

(2.6)

где 7)к - диаметр керна, м;

Ку - удельная кусковатость керна, шт/мстр;

X - опытный коэффициент, учитывающий степень вторичного дробления горной породы (0,7-1,0);

(3 - угол встречи плоскости трещин с осью скважины, градус.

Таким образом, при оценке степени трещиноватости горных пород оценивается и угол встречи трещин с осью скважин.

Все входящие в расчет по формуле (2.6) параметры определяются по

поднятому из скважины керну.

Таблица 2.4

Классификация пород по трещиноватости для вращательною колонкового бурения

Группа горных пород по трещиноватости

Степень трещиноватости горных пород

Удельная кусковатость керна, Ку, шт/м

Показатель трещиноватости IV, ед/ оборот

Выход керна

Вк, %

I

Монолитные

1-5

0,5<

100-70

п

Слаботрещиноватые

6-10

О

Ъэ

т

О

90-60

ш

Трещиноватые

11-30

1,01-2,0

80-50

IV

Сильнотрещиноватые

31-50

2,01-3,0

70^40

V

Весьма и

исключительно

трещиноватые

>51

>3,01

30-60

и менее

На основании разработанных критериев составлена классификация горных пород по трещиноватости применительно к вращательному колонковому бурению (табл. 2.4), с помощью которой можно прогнозировать разработку и эффективность использования буровых коронок и соответствующих режимов бурения, сопоставлять результаты бурения в различных горно-геологических условиях, осуществлять типизацию этих условий для различных задач бурения, решать другие задачи.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Популярные страницы