книги из ГПНТБ / Воздвиженский Б.И. Физико-механические свойства горных пород и влияние их на эффективность бурения

Б.И. ВОЗДВЙЖЕНСКЩ,

И.П. МЕЛЬНИЧУК,

10.А. ПЕШАЛОВ

ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД И ВЛИЯНИЕ ИХ

НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ БУРЕНИЯ

ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А» М о с к в а 1 9 7 3

ВВЕДЕНИЕ

Основой современной технологии бурения разведочных и эксплу­ атационных скважин является механическое разрушение горных пород различными породоразрушающими инструментами. В связи с этим уже давно назрела необходимость разработки достоверных инженерных методов расчета процесса разрушения горных пород с учетом.физико-механических свойств для использования их в прак­ тике буровых работ.

Уже относительно давно исследователям стало ясно, что физикомеханические свойства горных пород являются одним из главней­ ших природных факторов, оказывающих непосредственное влияние на показатели работы породоразрушагощего инструмента при буре­ нии скважин. В связи с этим для определения свойств пород было предложено много способов и методов, с помощью которых исследо­ ватели пытались и пытаются решать многие инженерные задачи в области горного дела и в области бурения скважин различного назначения.

При освоении бурения скважин на новых площадях первоочеред­ ными задачами являются — выбор наиболее производительных типов породоразрушающих инструментов и разработка рациональной тех­ нологии бурения. Обе эти задачи решаются на основании опыта бу­ рения в аналогичных по названию и категориям породах и на осно­ вании общих теоретических положений о бурении скважин. Однако автоматически перенести технологические параметры бурения из одного района в другой без знания конкретных геологических усло­ вий нельзя, поэтому технико-экономические показатели могут быть улучшены лишь после проведения определенного комплекса иссле­ довательских работ.

Разбуривание нефтяных и газовых площадей может вестись в те­ чение десятилетий, поэтому обобщение статистических данных при­ носит большую пользу. При разведке же большинства твердых полезных ископаемых после накопления достаточного количества

можностью их использования с некоторым приближением на других объектах (лишь некоторые месторождения твердых полезных иско­ паемых могут разведываться в течение многих десятилетий —

ко-механических свойств горных пород, которые можно определить по кернам уже первой пробуренной скважины, имеет большое прак­ тическое значение, поскольку сраэу более обоснованно можно выби­ рать наиболее подходящий способ бурения и рациональный тип коро­ нок, а также проектировать параметры режима бурения.

При внедрении в производство новых породоразрушающих ин­ струментов необходимо затратить много сил и средств для разработки параметров режима бурения почти на каждом месторождении полез­ ных ископаемых. Обусловлено это значительным разнообразием горных пород по составу и, следовательно, по физико-механическим свойствам.

Если бы эти свойства можно было определять по породообразу­ ющим минералам, слагающим породу, то задача упростилась бы. Однако, несмотря на многочисленные попытки, решить этот вопрос применительно ко всем породам и месторождениям до сих пор не удается.

Показатели физико-механических свойств пород можно разделить на две группы.

В первую группу входят скалярные показатели — удельный и объемный веса. Удельный вес полностью определяется лишь ми­ нералогическим составом, а объемный вес — минералогическим со­ ставом и пористостью горных пород.

Во вторую группу входят векторные показатели — упругие, пластические, прочностные и абразивные свойства, обусловленные не только вещественным составом горных пород, но и их текстурноструктурными особенностями. Во второй группе имеются некоторые показатели свойств, которые по своей физической сущности зависят от структуры и текстуры пород (т. е. и от направления приложенной

абразпвность раздробленных горных пород, хотя абразивный износ инструмента зависит и от угла встречи скважины со слоями напла­ стования.

Состав горных пород, безусловно, оказывает существенное влия­ ние на их физико-механические свойства. Например, твердость рш или предел текучести, р о магматических пород фундамента Русской платформы при вдавливании штампа [231 ] возрастает, а деформация (условный коэффициент пластичности уменьшается при увеличении

. содержания в породе кварца.

Однако определить свойства пород по содержанию различных минералов почти невозможно и объясняется это тем, что на прочност­ ные и деформационные свойства горных пород существенно влияют вторичные процессы, катаклаз, а также характер сцепления между зернами породообразующих минералов. Достаточно, например, ска­ зать что вторичные процессы серпентинизации, каолинизации, серицитизации, эпидотизации и хлоритизации пород с содержанием светлых минералов (кварца, полевого шпата) от 35 до 95% умень­ шают ро и увеличивают К, а при содержании светлых минералов

менее 35% вторичные процессы, наоборот, увеличивают ро и умень­ шают К. Этот пример достаточно убедительно показывает, что фи­ зико-механические свойства горных пород необходимо .определять на каждом конкретном месторождении полезных ископаемых и только в исключительных случаях следует пользоваться данными определе­ ния свойств пород, образцы которых отбирали на других месторо­ ждениях.

В целом же использование показателей физико-механических свойств горных пород в бурении пока что находится в начальной стадии, причем обусловлено это рядом объективных и субъективных причин.

Установить удовлетворительную корреляционную количествен­ ную зависимость между показателями физико-механических свойств горных пород и показателями производственного процесса довольно сложно. Эта сложность определяется тем, что до настоящего времени не полностью раскрыты закономерности разрушения пород и нет единого мнения о характере напряженного состояния пород при бурении. Вопрос о том, какой показатель свойств горных пород наиболее полно характеризует их буримость,остается дискуссионным.

Следует отметить, что горные породы являются весьма непостоян­ ными по своему составу, структуре и текстуре, поэтому величины показателей их свойств сильно варьируют. Так, коэффициент вариа­ ции временного сопротивления горных пород растяжению составляет 20—60%, временного сопротивления одноосному сжатию — 1 5 — 4 0 % , абразивности методом истирания стержня — 15—40%, твердости (контактной прочности) — 6—25% и буримости — 10—20% [32] (величина коэффициента вариации показателя буримости занижена).

Кроме того, показатели физико-механических свойств пород зависят также от технических условий испытаний горных пород — размера образцов, соотношения линейных размеров образцов, раз­ мера и формы инденторов при вдавливании и др. Такое разнообразие факторов, влияющих на показатели свойств пород, часто обусловли­ вает получение противоречивых результатов.

В связи с этим иногда даются необоснованные рекомендации по практическому использованию показателей физико-механических свойств пород. Это приводит нередко к отрицательному отношению инженеров-производственников к весьма важному по своей значи­ мости вопросу.

Большое практическое значение данного вопроса сомнения не вызывает. Не случайно, например, что в нефтегазодобывающей промышленности вопросами разрушения и исследования физико-ме­ ханических свойств горных пород занимаются многие отраслевые, академические и учебные институты: ВНИИБТ, БашНИПИнефть, ТатНИПИнефть, СевКавНИПИнефть, институт нефти АН АзССР и др. При этом при бурении нефтяных скважин применяются в основ­ ном лопастные и шарошечные долота. Кроме того, буровики-нефтя­ ники встречают породы сравнительно небольшого разнообразия как по составу, так и по диапазону изменения их-свойств.

Большие исследовательские работы в данной области проводят институты горнодобывающей промышленности во главе с ИГД им. А. А. Скочинского, а Московский горный институт готовит даже инженеров по специальности «Физика горных пород».

Значительно в меньшем объеме проводятся эти исследования применительно к бурению разведочных скважин на твердые полезные ископаемые. Следует учесть, что при бурении колонковых скважин применяется значительно большее разнообразие средств для разру­ шения горных пород, чем при бурении на нефть и газ (дробовые коронки, алмазные коронки и долота, твердосплавные коронки, ко­ ронки и долота для бурения скваяшн с применением гидро- и пневмоударников, шарошечные долота малого диаметра).Кроме того,твердые полезные ископаемые залегают во всех породах, которые только встречаются в природе (известно несколько тысяч петрографических разностей пород, не считая многочисленных и различных состояний). В соответствии с этим диапазон изменения показателей физико-ме- ханических свойств горных пород здесь значительно шире.

В горном деле создано много методик по определению физико-ме- ханнческих свойств горных пород и по практическому их использо­ ванию (особенно за последние 15—20 лет). Достаточно сказать, что, по данным М. М. Протодьяконова и Е. С. Ватолина [151], по иссле­ дованию физико-механических свойств горных пород и по смежным вопросам к 1968 г. было опубликовано более 3000 работ.

Целью настоящей работы является привлечение технической общественности к вопросу, оказывающему огромное влияние на со­ стояние техники и технологии разведочного бурения. Кроме того, материалы по практическому использованию показателей физикомеханических свойств горных пород в бурении до настоящего вре­ мени рассредоточены в многочисленных литературных источниках. В связи с этим авторы книги поставили перед "собой следующую за­ дачу: сделать обзор литературных источников по использованию физико-механических свойств горных пород в бурении. В результате этого обзора авторами сделан ряд выводов, разработаны общие принципы и намечена методика проведения дальнейших исследова­

Г Л А В А I

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ РЕШЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ,

СВЯЗАННЫХ С ПРОЦЕССАМИ РАЗРУШЕНИЯ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

Интенсивное наращивание объемов добычи полезных ископаемых неразрывно связано со своевременной разведкой новых месторожде­ ний и, следовательно", с увеличением объема разведочных буровых работ. Для снижения стоимости проходки скважин необходимо совер­ шенствование существующего и конструирование нового породоразрушающего инструмента, совершенствование параметров режима бурения, установление рациональных областей применения породоразрушающих инструментов различных типов в конкретных горно­ геологических условиях, правильное нормирование буровых работ

ит. д.

Внастоящее время существуют три основных способа решения этих задач:

1) на основании математического анализа сил, действующих на породоразрушающий инструмент;

2)на основании результатов испытаний инструмента в лабора­ ториях и на производстве в различных горно-геологических условиях;

3)на основании показателей физико-механических свойств гор­ ных пород путем установления простых эмпирических зависимостей для прямых расчетов процесса разрушения или же путем проведения испытаний коронок или долот в породах различных механических свойств.

§ 1. РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ДЕЙСТВУЮЩИХ СИЛ

Основным видом деформации при механическом разрушении горных пород является деформация вдавливания. При бурении процесс вдавливания всегда в большей или меньшей степени соче­ тается .с процессом сдвига или скола породы при горизонтальном смещении разрушающего элемента долота или коронки (при сколь­ жении, вращении и т. д.). Однако, учитывая, что порода при этом

находится в условиях высокого всестороннего давления (зона все­ стороннего сжатия породы образуется непосредственно под индентором), величина ее сопротивления вдавливанию всегда превышает сопротивление скалыванию.

При ударно-вращательном бурении колонковых скважин и при бурении скважин шарошечными долотами в хрупких и малопластич­ ных крепких породах величиной прочности на вдавливание опре­ деляются основные затраты энергии на их разрушение. Именно поэтому при изучении механизма разрушения горных пород, прежде всего, рассматриваются процессы, происходящие при вдавливании в породу инденторов различной формы.

Впервые теория ударного бурения предложена Н. С. Успенским. На основе равновесия сил, возникающих при взаимодействии клино­ видного острого бура и породы, было найдено, что для разрушения

где d — длина лезвия бура; h — глубина внедрения бура в породу;

В приведенных уравнениях использованы два показателя физи­ ко-механических свойств горных пород — коэффициент трения пары

недостаточен для характеристики сопротивления породы разруше­ нию при вдавливании.

Позже теория разрушения горных пород развивалась и уточня­ лась [141, 222] и в наиболее законченном виде с теми или иными особенностями приводится в ряде работ советских и -зарубежных исследователей.

В качестве примера ниже кратко излагается теория разрушения горных пород, разработанная И. А. Остроушко [140, 142]. Сущ­ ность этой теории заключается в следующем.

На рис. 1 приведены схемы разрушения породы при вдавливании штампа с плоским основанием, сферы и острого клина. Если к штампу с плоским основанием (рис. 1, А) приложить некоторую осевую на­ грузку Ру, то порода начнет деформироваться. При достаточной нагрузке в ней образуются смещения и трещины, распространяющи­ еся в направлениях ао и bo, которые смыкаются в точке о, и в напра­ влениях ас и Ъс, распространяющиеся к той же точке о и в сторону свободной поверхности к точкам т и п. Образуется объем смятия

породы аоЪ (главный объем давления) и объем скалывания топ, причем объем топ.выталкивается объемом аоЪ, после чего нагрузка резко уменьшается.

C i ~ 7

Л

Рис. 1. Схема разрушенияпороды при вдавливании цилиндрического пуансона А, сферы В и острого клиновидного зуба С.

При дальнейшем увеличении нагрузки Ру цикл повторяется снова, при этом для разрушения породы при втором скачке требуется зна­ чительно большая нагрузка, чем при первом цикле разрушения.

Качественно процесс разрушения горных пород идентичен неза­ висимо от формы породоразрушагощего инструмента (рис. 1, В и С).

Угол наклона трещин по направлениям ао и bo к поверхности образца а 0 и угол наклона трещин по направлениям оплот — ф0 (угол