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

при испытаниях малопрочных и высокопористых пород). Отмечен­ ный рост коэффициента пластичности пород и соответствующее уменьшение зон разрушения в этом случае связано с существенным противодействием давления, передаваемого через оболочку на по­ верхность вдавливания, развитию трещин разрушения и отсутствием контакта с жидкостью.

§6. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД ПРИ ВДАВЛИВАНИИ ШТАМПА

ВУСЛОВИЯХ НЕРАВНОМЕРНОГО ВСЕСТОРОННЕГО ДАВЛЕНИЯ

Воздействие давления в условиях свободного контакта образцов с жидкостью вызывает как рост, так и снижение твердости по срав­ нению с результатами испытаний в атмосферных условиях в присут­ ствии той же жидкости. Однако рост твердости (если он имеет место) по сравнению с испытаниями защищенных образцов в этом случае значительно ниже, а ее зависимость от давления выражена более слабо.

В целом результаты проведенных исследований противоречивы. Большой объем исследований был выполнен в УкрНИИПНД.

Опыты проводились на породах Днепровско-Донецкой впадины. Каждой моделируемой глубине соответствовали определенные зна­

Результаты исследований показали, что с ростом глубины залега­ ния происходит сложное изменение твердости пород.

а затем интенсивность роста уменьшается вплоть до уменьшения абсолютных значений твердости.

Характер изменения объемной работы разрушения А0 пород до некоторой глубины возрастает в 6—12 раз, а затем с ростом перепада между горным и гидростатическим давлениями Av снижается. При испытании более прочных пород удельная объемная работа разруше­ ния с ростом глубины возрастает по линейному закону.

Породы Днепровско-Донецкой впадины не дают хрупкого разру­ шения уже при моделировании глубины 1,5—2,0 тыс. м. В то же время при испытании глин (образцы свободно контактировали с мас­

и не дающие разрушения — при испытаниях в условиях давления вели себя как пластично-хрупкие (например, весьма пластичные глины, коэффициент пластичности которых в нормальных условиях равен бесконечности, при рв г = 51—102 кгс/см2 имели К = 1,07— - 4 , 5 8 ) .

При проведении испытаний с мрамором гидростатическое давле­ ние моделировали с помощью воды. Несмотря на свободный кон­ такт образцов с водой, механические свойства при повышенных дав­ лениях значительно изменились. Например, при РГИЛР~

также при динамическом вдавливании штампа в образцы карбонат­ ных пород при моделировании только гидростатического давления. При этом было установлено, что уменьшение объема лунок происхо­ дит главным образом в области давлений от атмосферного до 500— 1000 кгс/см2 .

Несколько другие результаты исследований были получены при проведении испытаний с породами осадочного происхождения Азер­ байджана. Образцы пород покрывали клеем БФ-2, а площадка для вдавливания штампа оставалась открытой. Для примера на рис. 51 приведены результаты исследований при испытании пластичнохрупкого мрамора в различных средах [198].

Таким образом, противоречивость результатов приведенных ис­ следований не позволяет пока сделать конкретных выводов об изме­ нении сопротивления пород разрушению с ростом глубины их залега­ ния для условий бурения с очисткой забоя промывочной жидкостью. По этим результатам можно отметить, что:

1) чем выше вязкость жидкости, с помощью которой создается давление, тем интенсивнее повышается твердость пород при увели­ чении рП1ДР;

2) чем крепче порода в атмосферных условиях, тем меньше влия­ ние оказывает гидростатическое давление на изменение механиче­ ских свойств пород.

Остальные результаты исследований довольно противоречивы. Сделать удовлетворительную количественную оценку изменения со­ противления пород разрушению с ростом глубины бурения пока не представляется возможным, поскольку исследования проводились на породах небольшой разновидности, а методика исследований часто отличается одна от другой.

Известно, что при вдавливании под индентором образуется зона из спрессованного материала породы (клиновидная при вдавлива­ нии клина и коническая или полусферическая при вдавливании цилиндрического или конического штампа с плоским основанием). Спрессованный материал передает давление индентора окружающей среде (матрице). Когда максимальные касательные напряжения превышают сопротивление сдвигу, в породе образуются трещины, распространяющиеся вдоль максимальных касательных напряжений.

Гидростатическое давление увеличивает сопротивление разруше­ нию пород за счет силы трения вдоль трещины. Однако при испыта­ нии высокопористых пород жидкость проникает в поры и тогда РГИДР сжимает не в целом образец, а только его скелет. В результате этого прочность породы не только не увеличивается, но даже может уменьшиться, если поры сообщаются между собой. Жидкость облег­ чает развитие трещин и отделение частиц от массива. Одновременно с ростом прочности условный коэффициент пластичности должен уменьшаться.

При несообщающихся порах порода в результате сжатия уплотняется, и для образования трещин потребуются большие каса-

тельные напряжения. При создании гидростатического давления раз­ меры зон разрушения должны уменьшаться, поскольку давление препятствует отделению частиц от массива (особенно тех, которые расположены дальше от индентора).

Следует учитывать, что жидкость оказывает влияние на механи­ ческие свойства пород даже в атмосферных условиях. Эффективность этого влияния обусловлена, очевидно, как активным ее воздействием на механизм деформации породы, так и воздействием ее на характер напряженного состояния под штампом в результате уменьшения сил трения на площади контакта.

Влияние воды на механизм деформации горной породы заклю­ чается в снижении затрат энергии на зарождение трещин (умень­ шается поверхностная энергия) и в. облегчении развития трещин, в первую очередь, в зоне, расположенной ближе к поверхности [16] образца. При уменьшении поверхностной энергии ускоряется также превращение трещин в неравновесные (они раньше выходят на по­ верхность). В результате уменьшения сил трения на площадке штампа с породой снижается величина всестороннего давления по­ роды под штампом и, следовательно, пластичность. При этом умень­ шается глубина предельной зоны на оси симметрии под штампом, что в свою очередь вызывает уменьшение общего объема разруше­ ния и снижения критических величин контактного давления.

Следует, наконец, отметить, что боковое давление на образец способствует уплотнению горной породы и, следовательно, повыше­ нию ее плотностных свойств.

Таким образом, влияние гидростатического давления на механи­ ческие свойства горных пород носит сложный характер. Это влияние зависит от многих факторов (минералогического состава породы, ее текстурных и структурных особенностей, абсолютной пористости, характера пористости, свойств жидкости и др.), поэтому системати­ ческое проведение подобных исследований имеет большое научное

ипрактическое значение.

§7. ВЛИЯНИЕ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ

НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД ПРИ ВДАВЛИВАНИИ ШТАМПА

Исследования влияния только горного давления проводили на

почти не изменяются, а размеры зон разрушения или незначительно возрастают, или же не изменяются по сравнению с аналогичными показателями пород, испытанных в атмосферных условиях.

Однако бурение глубоких скважин, где на механических свой­ ствах пород может сказаться горное давление, проводится в основном

в осадочных породах, поэтому установление характера этого влияния

иколичественная оценка представляют наибольший интерес.

ВИГнРГИ изучали влияние горного давления на механические свойства некоторых осадочных горных пород, слагающих нефтяные месторождения Украины, методом вдавливания штампа. Для иссле­

тогда как твердость более прочных пород при этом давлении остается без изменений или она незначительно возрастает.

Следует отметить, что твердость пород, рш которых при атмосфер­ ных условиях составляет 100 кгс/мм2 и более, возрастает всего на 2—15% при боковом давлении на образцы 1000 кгс/см2 .

висит прежде всего от исходной твердости (в атмосферных условиях), а также, по-видимому, от пористости и трещиноватости пород.

вого горного давления. Характер изменения диаметра зон разруше­ ния не отличается от характера изменения h3 р , показанного на рис. 53, поэтому здесь эти зависимости не приводятся.

В целом приведенные данные свидетельствуют о том, что при уве­ личении рб г твердость возрастает, однако одновременно возрастают также и размеры зон разру­ шения. Причем интенсив­ ность роста этих показателей зависит от прочности породы при атмосферном давлении.

Это обстоятельство следует учитывать при бурении сква­ жин с очисткой забоя газооб­ разными агентами (в первую очередь при выборе нагру­ зок на долото).

как и вообще рост прочности пород при наложении на образец все­ стороннего давления. При небольших давлениях порода уплотняется по границам зерен и дефектам структуры, и поэтому увеличиваются сопротивления деформации и разрушению. При больших значениях рб г уплотнение как процесс заканчивается и пластическая дефор­ мация протекает за счет внутрикристаллического скольжения (может происходить деформационное упрочнение).

Таким образом, приведенные данные позволили установить об­ щие качественные закономерности "изменения механических свойств осадочных пород при возрастании рб г до 1500 кгс/см2 , что соответ­ ствует глубине 6 тыс. м. В дальнейшем необходимо изучить влия­ ние рб г на механические свойства пород конкретных месторождений,

которые в геологическом и гидрогеологическом отношениях благоприятны для бурения с очисткой забоя воздухом или газом.

§8. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ОСАДОЧНЫХ ПОРОД ПРИ ВДАВЛИВАНИИ

Исследования влияния температуры на механические свойства некоторых осадочных пород при вдавливании цилиндрического штампа были проведены на образцах глины, песчаника, аргиллита, алевролита, известняка и мрамора (мрамор по своему составу и де­ формационному поведению близок к осадочным породам).

В табл. 1 приведены механические свойства мрамора при темпе­ ратурах t от комнатной до 500° С. Поскольку мрамор является ис­ ключительно однородной породой по составу, то полученные законо­ мерности можно распространить на другие карбонатные породы (на­ пример, на известняк) [126, 127].

Как видно из данных, приведенных в табл. 11, при охлаждении в воде изменение механических свойств мрамора происходит более интенсивно, чем при охлаждении на воздухе. Предел текучести мра­ мора начинает уменьшаться при нагревании образцов до 250° С не­ зависимо от способа последующего охлаждения. Размеры зон разру­ шения при нагревании образцов до if = 250° С возрастали, а затем

на фракции больших размеров [64].

Диаграммы деформаций при вдавливании штампа в образцы при комнатной температуре и после нагревания до 500° С с последующим охлаждением в воде существенно различны (рис. 54).

При нагревании мрамора до 150° С с последующим охлаждением как на воздухе, так и в воде существенных отличий в характере раз­ рушения породы под штампом по сравнению с этим процессом при комнатной температуре не наблюдалось, а диаграмма деформаций

качественно ничем не отличалась от диаграммы деформаций при вда­ вливании штампа в образцы комнатной температуры.

При нагревании образцов мрамора до 250° С и охлаждении в воде условный коэффициент пластичности, как это видно из табл. 11, возрос до 6, а при охлаждении на воздухе — до 6,5. При низкой тем­ пературе нагревания в некоторых случаях (один из четырех — пяти образцов) внедрение штампа сопровождалось только пластическим деформированием. В большинстве же случаев разрушение породы при внедрении штампа происходило с медленным выходом материала

грузки на образце часто образовывались зоны разрушения, диаметр и глубина которых при всех способах охлаждения значительно больше диаметра штампа и глубины его внедрения.

В тех случаях, когда деформирование ограничивалось чисто пла­ стическим вдавливанием, вокруг места внедрения штампа наблю­ дались радиальные трещины различной длины, хорошо заметные невооруженным глазом (рис. 55). Максимальная длина трещин достигала иногда 10—12 мм, но чаще всего она колебалась в преде­ лах 4—8 мм. Количество трещин было различным — от 2 до 8. С уве­ личением температуры нагревания количество трещин уменьшалось, но их длина увеличивалась, а при температурах нагрева до 500° С иногда происходило даже раскалывание образцов. /

Глубина трещин при более низких температурах нагревания по­ род, по-видимому, была небольшой, и их появление не нарушало плавности диаграммы деформаций. При более высоких температу­ рах нагрева глубина трещин увеличивалась, причем иногда, как уже отмечалось, происходило раскалывание образцов размером 50 X X 50 X 50 мм (диаметр штампа 1,13 мм).