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

32 мм. Результаты исследований показали, что интенсивность умень­ шения ум при бурении в мягких породах выше, чем в крепких. Прак­ тически уменьшение vM во всех породах прекращается при давле­ нии 250—280 кгс/см2 .

Исследования также показывают, что при бурении в сильнопо­ ристых породах vM с ростом давления вообще не уменьшается. При бурении песчаника при создании давления 100 кгс/см2 водой меха­ ническая скорость не изменилась, а при создании давления глини­ стым раствором — резко упала. Аналогичные результаты были по­ лучены и другими зарубежными исследователями.

Проведенные в небольшом объеме исследования по влиянию гор­ ного давления до 1000 кгс/см2 (моделировали глубину 6000 м) пока­ зали, что оно практически мало влияет на иы при бурении лопаст­ ными, алмазными и шарошечными долотами [ 1 , 260]. Такой же ре­ зультат был получен при изучении влияния горного давления на взрывную податливость бетона и цемента ( а с ж = 180—200 кгс/см2 ). При увеличении глубины моделирования с 200 до 2000 м объем раз­ рушенной породы на взрыв уменьшился всего на 6% [138].

Таким образом, лабораторные исследования подтверждают дан­ ные практики бурения о том, что давление столба промывочной жидкости оказывает влияние на показатели работы долот, а горное (до 1000 кгс/см2 ) почти не оказывает, однако они не раскрывают причин этого влияния. Установить же эти причины можно на осно­ вании исследований влияния глубинных факторов на механические свойства пород, определенных, прежде всего, методом вдавливания штампа.

Если влияние давления на буримость горных пород изучено в условиях стендового бурения, то исследования влияния ВЫСОКОЙ температуры на vM до последнего времени недостаточно проводили. Известны лишь стендовые исследования, проведенные в небольшом объеме, по влиянию температуры на механическую скорость про­ ходки при бурении в блоках мрамора, гранита, лабрадорита и из­ вестняка.

При испытании первых трех пород образцы размером 15 X 20 X X 8 см, завернутые в листовой асбест, нагревали в электрической муфельной печи в течение 3,0—3,5 ч до определенной температуры. Нагретые образцы устанавливали в металлические емкости той же температуры и разбуривали твердосплавными коронками МР-2 диа­ метром 46 мм. Скорость вращения коронки во всех опытах была рав­ ной 41 об/мин. Очистку забоя модельной скважины осуществляли воздухом, расход которого составлял 4,2 м3 /мин.

Мрамор был испытан только при двух температурах — комнатной и 250° С, при осевой нагрузке на коронку 400 кгс. Механическая скорость бурения при этих температурах составила соответственно 12,7 и 19,4 см/мин, т. е. при температуре 250° С она увеличилась в 1,5 раза по сравнению с ум при 20° С. При 400° С бурить по мрамору можно было только при очень малой, трудно измеряемой на­ грузке. .

ских свойств горных пород в условиях высоких давлений, темпера­ туры, насыщающих сред и различных скоростях деформирования, выполненных как в СССР, так и за рубежом. Тело, подвергшееся равномерному трехосному сжатию, когда о1 = а2 = сг3, изменяют лишь свой объем (происходит процесс дилатации) за счет уменьше­ ния норового пространства между частицами, слагающими тело, или же за счет уменьшения расстояния между молекулами или ато­ мами, если приложенные силы являются достаточными для преодо­ ления межмолекулярных (межатомных) сил отталкивания [15, 153, 227 и др.].

При неравномерном трехосном сжатии (например, а 1 > с т 2 = а3 ) тела обычно деформируются. Такая схема нагружения является наи­ более распространенной в практике исследований деформаций гор­ ных пород в условиях всестороннего давления.

В первоначальный момент приближенно зависимость относительной деформации \г от разности между продольным ог и радиальным о , напряжениями подчиняется закону Гука. Когда эта разность пре­ восходит предел упругости, горная порода начинает деформиро­ ваться необратимо (пластически).

Первичные результаты экспериментальных исследований горных пород в условиях всестороннего сжатия обычно представляют в виде графических кривых в прямоугольной системе координат на пло­ скости. По оси абсцисс откладывают относительное продольное уко­

В процессе пластической деформации наклон кривой может быть как положительным, так и отрицательным, причем при положитель­ ном наклоне происходит так называемое деформационное упрочне­ ние горной породы. Как правило, отрицательный наклон кривой на­ блюдается при относительно небольшом гидростатическом давлении. С увеличением последнего кривые сначала выполаживаются до горизонтального положения, а затем принимают положительный наклон.

В конечном итоге увеличение аг приводит к образованию трещин

Для изучения деформационных свойств пород в условиях высо­ ких всесторонних давлений применяют приборы, которые по способу создания бокового гидростатического давления грубо можно раз­ делить на два типа.

Вприборах первого типа образец породы помещают в металличе­ скую цилиндрическую обойму, пространство между стенками ка­ меры и образцом заплавляют и по его оси с помощью поршней и пресса производят продольное ориентировочное сжатие. Всестороннее сжа­ тие обеспечивают за счет давления стальной оболочки на боковую поверхность образца.

Вприборах второго типа гидростати­ &h, мм/см

ния проводили при температурах с большим интервалом. При на­ гревании образцов уже до 250—400° С с последующим их охла­ ждением прочность пород уменьшается [20, 62, 63, 126 и др.].

При глубоком охлаждении образцов (до —100—200° С) без пред­ варительного нагревания прочность породы также уменьшается [20].

При увеличении температуры деформация, пород до момента раз­ рушения образцов при сжатии также увеличивается (рис. 44). Ха­ рактерно, что даже при глубоком охлаждении до — 200° С деформа­ ция пород возрастает (при глубоком охлаждении мрамора она воз­ росла почти в 2 раза) [20].

На рис. 45 представлены деформационные кривые при продоль­ ном сжатии образцов некоторых пород осадочного происхождения в условиях высоких всесторонних давлений и температур [15]. Мак­ симальная прочность (наибольшая ордината) всех пород с увеличе­ нием температуры от комнатной до 300° С уменьшается (за исключе­ нием прочности ангидрита, 0 „ ш которого при увеличении температуры

даже возрастает). Влияние температуры на максимальную проч­ ность песчаника незначительно. Характерно, что при более высоком гидростатическом давлении прочность при повышенных температу­ рах понижается интенсивнее, чем при более низком давлении. Из

Рис. 45. Диаграммы деформаций при продольном сжатии образцов

различной температуры:

а — дшульский мрамор; б — каменная соль; в — ангидрит; г — глинистый

рис. 44 также видно, что при постоянной температуре и повышении гидростатического давления пластичность пород увеличивается. Уве­ личивается она также при повышении температуры горных пород.

На рис. 46 представлены аналогичные деформационные кривые при сжатии образцов пород магматического происхояодения. Как

видно из представленных данных, при увеличении температуры от комнатной до 800° С напряжение начала текучести уменьшается в 3—8 раз, а при 600° С — в 1,5—2,0 раза.

В отличие от осадочных магматические породы проявляют зна­

приведенных данных, прочность почти всех горных пород при сжатии с ростом глубины их залегания увеличивается (за исключением амп каменной соли), при этом интенсивность данного роста, как правило, уменьшается. Прочность джульского мрамора с глубины 5 тыс. м начинает даже медленно уменьшаться, а прочность глинистого сланца практически достигла максимума на глубине 6—7 тыс. м.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что при увеличении глубины залегания прочность и пластичность горных пород при сжа­ тии возрастают и, следовательно, сопротивление их разрушению при бурении увеличивается. Использовать эти данные для количествен­ ных инженерных расчетов применительно к разрушению пород при бурении трудно. Несомненный интерес они представляют для геоло­ гов при изучении механизма образования тектонических структур и образованпя месторождений полезных ископаемых, а также для инженеров-буровиков при расчетах устойчивости стенок скважин в различных геологических и технических условиях. Однако рас­ смотрение этих вопросов выходит за рамки настоящей книги.

§ 4. МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА ОБРАЗЕЦ ПРИ ИСПЫТАНИИ ПОРОД ВДАВЛИВАНИЕМ ШТАМПА

Методика и аппаратура для проведения исследований влияния горного и гидростатического давлений на твердость горных пород подробно освещены в ряде литературных источников [12, 55, 168,

187и др.].

ВСССР большую часть исследований проводили с помощью спе­ циальных приставок (камер) высокого давления к автоматическому прибору УМГП-3 для испытания пород вдавливанием цилиндриче­ ского штампа с плоским основанием (работы ГрозНИПИнефть, ИГиРГИ, БашНИПИнефть, АзНИПИнефть, института сверхтвердых материалов, Института геологии и геофизики МГ СССР.

За рубежом (в США) аналогичные исследования единичного акта вдавливания проводили главным образом при вдавливании клино­ образного зуба долота как при статическом, так и при динамическом нагружении.

Основные схемы создания давлений на образец, применяемые в настоящее время для моделирования забойных условий, показаны на рис. 48. Следует подчеркнуть, что, несмотря на большое коли­ чество проведенных исследований, не всегда достаточно обоснованно моделировали забойные условия. Так, некоторые исследования проводили в условиях равномерного всестороннего сжатия (рис. 48, а) образцов пород, т. е. как бы при равенстве гидростатического и гор­ ного давлений и при изоляции от жидкости, создающей давление, боковой поверхности образцов и площадки и для вдавливания

В условиях бурения забой всегда соприкасается с промывочной жидкостью, которая оказывает на горную породу физико-химическое влияние. Следовательно, подобные исследования весьма прибли­ женно моделируют лишь условия бурения скважин с промывкой глинистым раствором достаточно высокой вязкости и минимальной водоотдачей.

Не совсем точно моделируют забойные условия при проведении исследования влияния горного давления на твердость пород. Это объясняется тем, что до настоящего времени не решен вопрос о вели-

чине коэффициента бокового распора Кр цри вертикальном давлении. В связи с этим обычно принимают граничные условия, т. е. Кр = 0,5 (см. рис. 48, в) или Кр = 1 (см. рис. 48, г).

И, наконец, при исследованиях образцы горных пород, как пра­ вило, находятся при комнатной температуре и, кроме того, часто не моделируют поровое (пластовое) давление.

Несмотря на это, результаты проведенных исследований имеют большое значение для дальнейшего развития науки и техники в об­ ласти бурения глубоких скважин. Результирующее действие всех забойных условий на процесс бурения известен, однако знание «чи­ стого» влияния каждого фактора позволяет, во-первых, на основании

полученных результатов совершенствовать методику проведения дальнейших исследований, во-вторых, судить о возможной буримости пород, залегающих на глубинах порядка 10—15 тыс. м, в-третьих, совершенствовать породоразрушающий -инструмент и проектиро­ вать рациональные параметры режима бурения.

§5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД ПРИ ВДАВЛИВАНИИ ШТАМПА

ВУСЛОВИЯХ РАВНОМЕРНОГО ВСЕСТОРОННЕГО СЖАТИЯ

Исследования влияния равномерного всестороннего сжатия на механические свойства при вдавливании проводили главным обра­ зом на осадочных горных породах [48, 55, 213, 214 и др.].

Согласно методике проведения исследований образец [55, 215, 224] породы покрывали непроницаемым, создающим. всестороннее давление, материалом (например калькой или пластилином) и затем помещали в камеру высокого давления. Незащищенной от жидкости оставляли только площадку для вдавливания штампа, которую также изолировали с помощью тавота или солидола. Если эта пло­ щадка оставалась незащищенной, то даже вязкие среды (глицерин,

масла и другие) глубоко проникали в породу и снижали эффект всестороннего сжатия.

На рис. 49 показано влияние равномерного всестороннего давле­ ния на твердость глинисто-карбонатных пород (исследования пока­ зали, что характер изменения твердости алевролитов и песчаников

в зависимости от давления до 1000 кгс/см2 не отличается от харак­ тера изменения />ш , показанного на рис. 49). Характерно, что с умень­ шением твердости пород при атмо­

где ро — предел текучести породы в атмосферных условиях в кгс/мм2 ;

текучести определяется, как уже отмечалось, результатом суммар­ ного влияния гидростатического давления промывочной жидкости и ее физико-химического воздействия. Кроме того, для каждой по­ роды следует устанавливать опытный коэффициент Кг, и поэтому проще определить предел текучести породы при данном всестороннем давлении. Формула может быть применена для практических целей

только после накопления достаточного количества материалов экс­ периментальных исследований.

В условиях равномерного всестороннего давления даже относи­ тельно небольшой величины (до 300 кгс/см2 ) условный коэффициент пластичности К глинисто-карбонатных пород становится равным

Рпс. 50. Зависимость отношения твердости пород при давлении 1000 кгс/см2 (рш 1 0 0 0 ) и твер­ дости при атмосферном давлении ( р ш г ) от вели­ чніш твердости породы прп атмосферных усло­ виях.

Для всех испытанных глинисто-карбонатных и песчано-алеврито- вых пород оказалось характерным резкое уменьшение площадей зон разрушения S3 р с ростом давления. При росте условного коэффи­ циента пластичности до значений, близких к бесконечности (К = оо), S3 р становились равными площади штампа, но вокруг точечного поражения образовывались радиальные трещины.

Таким образом, влияние равномерного всестороннего давления (при изоляции образцов от жидкости) на механические свойства пород заключается в росте твердости, предела текучести и пластич­ ности и резком уменьшении размеров зон разрушения. Особенности состава и структуры испытанных пород оказывали влияние лишь на количественное выражение качественно одинаковых для всех пород зависимостей рш, р0, К и S3 р от всестороннего давления.

Основной причиной роста рш и р0 с увеличением равномерного всестороннего давления являлось уплотнение этих пород (большее