Твердость анизотропной горной породы

Горные породы отличаются существенным отклонением прочностных свойств от средних значений. В ряде случаев эти отклонения не имеют на первый взгляд каких-либо явно установленных закономерностей и распределены в объеме образца или массива горной породы достаточно случайно. Этому есть свои причины и объяснения, связанные с процессами при образовании пород, их тектонической напряженностью и др.

Для других горных пород, прежде всего отличающихся наличием слоистой или сланцеватой текстуры, закономерности изменения прочностных свойств, прежде всего твердости, а соответственно и бури- мости, связаны с ориентацией слоев, поверхностей отдельностей, направленной укладкой кристаллов минералов и др. Такие породы характеризуются ярко выраженной анизотропией прочностных свойств.

Анизотропия горных пород существенно влияет на буримость, на формирование ствола скважины.

Она приводит к неоправданному росту объема разрушенной породы из-за появления поперечных, дестабилизирующих работу бурового инструмента сил, что снижает ресурс инструмента. Формирование уступов в стенке скважины под влиянием поперечных сил может приводить к потерям действующей осевой нагрузки.

Анизотропия горных пород создает проблемы при кернообразо- вании.

Таким образом, анизотропия горных пород существенно влияет на эффективность бурения, а поэтому следует учитывать особенности распределения прочностных свойств горных пород.

Как показывают исследования, показатели анизотропии различных горных пород могут варьировать в пределах от 1,05 (слабая анизотропия) до 1,25 (средняя) и 1,8—2,0 (сильная анизотропия горных пород).

Например, работы по определению показателей анизотропии Ле- ниногорского рудного района (Казахстан), выполненные В.Д. Ларионовым, показали, что анизотропия по твердости максимальна в вулканогенных туфах-туффитах — Кт= 1,22—1,83, а средняя и наименьшая — в осадочных т= 1,17—1,27) и магматических (К = 1,06— 1,08) породах[1].

На рис. 3.9 приведены результаты определения твердости анизотропного туфо-дацита. Порода является эффузивной, имеющей флюидальную текстуру, которая определяет анизотропию различной степени, заданную полосчатым чередованием светло- и темно-коричневых субпараллельных слойков[1].

Диаграмма деформирования (а) и полярная диаграмма твердости туфо-дацита (б) в плоскости, перпендикулярной слоям породы

Рис. 3.9. Диаграмма деформирования (а) и полярная диаграмма твердости туфо-дацита (б) в плоскости, перпендикулярной слоям породы

Результаты определения твердости туфо-дацита в плоскости, перпендикулярной флюидальности, приведены на рис. 3.9, согласно которым показатель анизотропии по твердости Кр= 1,65 (соотношение твердостей, замеренных вдоль и перпендикулярно слоям породы), а распределение твердости по отношению к сланцеватости достаточно близко к линии эллипса.

В соответствии с полученными данными породу можно характеризовать как анизотропную упруго-пластичную породу средней твердости.

По диаграммам деформации туфа рассчитаны модули упругости (Е) и коэффициенты пластичности (А^). Для данной породы определены также предельные значения напряжений на сжатие и растяжение по этим направлениям. Указанные значения параметров составили, кПа:^^ 12963,5; а^=21 658; 0^=12 287,2; ахж=15 190. Коэффициент Пуассона (р) для туфо-дацита равен 0,07 и 0,1 при испытании породы вдоль и перпендикулярно флюидальности соответственно.

Полученные экспериментально значения параметров позволили рассчитать комплексный показатель, объединяющий все параметры свойств, удельную контактную работу разрушения^ (формула (3.8)).

Результаты определения параметров физико-механических свойств туфо-дацита и показатели буримости алмазной однослойной коронкой приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Параметры физико-механических свойств и буримости туфо-дацита под

различными углами к плоскостям флюидальности

Угол встречи

индентора и слойков породы у, град

Твердость горной породы р , МПа

Модуль упругости горной породы Е, МПа

Коэффициент

пластичности

горной

породы

Удельная контактная работа разрушения As, Дж/мм2

Механическая скорость бурения

ум, м/ч при Рос, кН и частоте вращения со, мин-1

1,05 кН; 500 мин-1

1,35 кН; 710 мин-1

0

1854

10143

4,2

1,473

-

-

12

1747

9528

3,91

1,303

8,3

15,23

27

1568

7948

3,9

1,254

10,1

19,0

45

1440

7000

3,42

1,058

-

-

72

1162

6285

3,2

0,716

12,6

26,0

90

1123

5836

3,1

0,69

-

-

Как следует из полученных данных, наибольшие твердость, упругость, коэффициент пластичности, удельная контактная работа разрушения получены при испытании горной породы вдоль слоев флюидальности, а наименьшие — перпендикулярно им. Соответственно и буримость горной породы оказалась различной: наибольшие значения механической скорости получены при угле встречи у = 72° (максимальный по условиям эксперимента), а минимальные — при угле встречи 12°.

Таким образом, интенсивность процессов разрушения горных пород задается часто не только параметрами режима бурения — прилагаемыми усилиями, контактными давлениями, формой и размерами породоразрушающих элементов, но и направлением приложения разрушающих усилий относительно расположения структурных и текстурных элементов горной породы.

  • [1] Нескоромных В.В., Калинин А.Г. Направленное бурение: Учеб, пособие. М.:Центрлитнефнегаз, 2008; Нескоромных В.В., Костин Ю.С. Теоретические основы механики разрушения и проектирования техники и технологии направленного бурения анизотропных горных пород. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000.
  • [2] Нескоромных В.В., Калинин А.Г. Направленное бурение: Учеб, пособие. М.:Центрлитнефнегаз, 2008; Нескоромных В.В., Костин Ю.С. Теоретические основы механики разрушения и проектирования техники и технологии направленного бурения анизотропных горных пород. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >