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

ниє прочности пород. Кроме того, при нагревании из пород вы­ деляется адсорбционная, а в некоторых случаях и кристаллизацион­ ная вода, понижающая прочность пород.

Величина этой температуры зависит, по-видимому, прежде всего, от минералогического состава, пористости и структуры пород. При испытании пород в нагретом состоянии критическая температура выше, чем температура нагревания с последующим охлаждением пород перед испытанием. Все это подтверждается также результа­ тами испытания пород при высоких температурах на сопротивлениеодноосному сжатию [20, 126].

Очевидно также, что чем выше скорость охлаждения, тем ниже критическая температура, поскольку резкое охлаждение приводит как бы к динамическому сжатию кристаллов, Особенно быстро сни­ жается температура поверхностных слоев, в результате чего в них возникают трещины, которые приводят к уменьшению прочности, и росту остаточной деформации (росту коэффициента пластичности) пород.

§ 9. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Породы магматического происхождения, механические свойства которых необходимо оценивать вплоть до глубины их залегания 15 тыс. м, были испытаны при температурах 200—1000° С.

Вначале механические свойства магматических пород определили после охлаждения образцов на воздухе и в воде до температуры 100° С. Эта серия опытов должна была дать ответ на вопрос о влия­ нии скорости охлаждения на механические свойства [172] горных пород. Образцы охлаждали на воздухе, в ограниченном количестве воды и в струе водопроводной воды. Наибольшая скорость охлажде­

Как видно пз приведенных данных, предел текучести гранита независимо от скорости охлаждения несколько увеличивается при нагревании до 250° С, тогда как ро лабрадорита лишь снижается. Однако при температуре нагревания менее 250° С также возможно увеличение предела текучести (как и осадочных пород),'поэтому на рпс. 56 кривые проведены пунктирной линией. Несмотря на незна­ чительное различие в расположении кривых при разных скоростях охлаждения, при более быстром охлаждении уменьшение предела текучести происходит на значительно большую величину. Наиболее интенсивно уменьшение предела текучести наблюдается при темпера­ турах нагревания 250—600° С.

Pn,KZc/MMZ 350h

Все крпвые, показывающие изменение предела текучести пород при охлаждении на воздухе, находятся выше линии быстрого охла­ ждения образцов в воде на 10—15%.

Таким образом, испытания показали, что скорость охлаждения оказывает влияние на прочностные свойства пород при вдавливании. Безусловно также и то, что на прочностные свойства влияет вода. Однако в данных опытах трудно отличить физико-химическое воз­ действие воды от влияния скорости охлаждения на механические свойства пород.

Условный коэффициент пластичности гранита с повышением тем­ пературы нагревания увеличивается при всех способах охлаждения, а условный коэффициент, пластичности лабрадорита, испытанного после охлаждения на воздухе, оставался почти постоянным, достиг­ нув своего максимального значения {К — 1,60) при нагреве до 800° С (при комнатной температуре К = 1,45). Радиальные трещины вокруг места внедрения штампа при этом не образовывались.

Были проведены также опыты, при которых различия в скорости охлаждения были более значительными — в ограниченном коли­ честве воды и вместе с выключенной печью (в последнем случае для охлаждения до температуры 100° С требовалось не менее 3—5 ч.).

Эти исследования показали, что скорость охлаждения горных пород оказывает существенное влияние на их механические свойства.

Влияние воды при охлаждении сказывается не только в раскли­ нивающем действии на микротрещины и ослаблении связей между

н вступающие в химические реакции с породообразующими минера­ лами. Этот процесс, как известно, в природе протекает медленно и называется выветриванием, приводя к полному распаду горных пород, часто с изменением их химического состава. Прочность пород при этом снижается. Так, например, в результате взаимодей­ ствия калиевых полевых шпатов с водой образуется малопрочный минерал каолинит, а плагиоклазы преобразуются в серицит и эпидот.

Процессы взаимодействия воды с горной породой, медленно про­ исходящие в природных условиях при низких температурах, уско­ ряются при повышении температуры породы и воды. Для подтвер­ ждения этого были проведены соответствующие опыты [216]. При охлаждении образцов в воде образовался раствор. После его охла­ ждения до комнатной температуры замеряли водородный показа­ тель рН на приборе ЛП-58. Оказалось, что все испытанные магматические породы вместе с водой образуют щелочные растворы, причем с увеличением температуры нагрева пород рН все время увеличивалось. Эти данные показали, что при повышенных темпе­ ратурах активность воды возрастает, и в породах интенсивно про­ текают химические реакции.

При очистке забоя газообразными агентами условия охлаждения пород несколько отличаются от условий охлаждения при промывке скважин. Однако даже при очпстке забоя воздухом в скважине воз­ можны водопритоки, поэтому бывает активное воздействие воды на горные породы. На рис. 57 приведены данные об изменении предела текучести магматических пород при нагревании и последующем охлаждении в воде. Результаты этой серии опытов также показали, что прочность на вдавливание при увеличении температуры сначала

на образцах гранита, кварца, песчаника и микрогаббро. Наблюдае­ мый в начальный период роста рш и р0 при повышении температуры автор объясняет увеличением сил связи между зернами минералов по их границам вследствие увеличения амплитуды колебаний атомов. Последующее уменьшение твердости может быть объяснено как воз­ никновением трещин, так и физико-химическими процессами.

Коэффициент пластичности пород с ростом температуры нагрева­ ния увеличивается, и при 400—600° С вдавливание штампа в образцы почти всех пород, кроме кварцита, практически протекало без хруп­ кого разрушения.

При испытании пород после их нагревания до определенной темпе­ ратуры и охлаждения до комнатной температуры рш и- р0 оказыва­ лись значительно меньшими, чем при измерении показателей на на­ гретых образцах.

чести магматических горных пород. Указанное обстоятельство не­ обходимо учитывать при проектировании параметров режима буре­ ния глубоких скважин.

Рис. 57. Зависимость предела текучести магматических горных пород от тем­ пературы (образцы испытывали после предварительного нагревания и после­

дующего охлаждеипя в ограниченном количестве воды):

Механизм этого явления может быть объяснен следующим обра­ зом [216]. При нагревании происходит анизотропное расширениекристаллов, в результате чего в породе возникают термические на­ пряжения, величина которых зависит от коэффициента термического расширения минералов и первоначальной пористости породы. Если пористость больше объемного расширения кристаллов, то термиче­ ские напряжения малы. Когда же в результате расширения кристал­ лов пористость приближается к нулю, термические напряжения на­ чинают быстро возрастать и, наконец, наступает момент образова­ ния микротрещин, которые приводят к понижению прочности горных пород, несмотря на то, что последние сохраняют монолитность. Мик­ роскопическое изучение структуры гранита показало, что после нагрева до 600° С количество зияющих трещин в 4—5 раз больше*

чем в образцах, нагретых до 300° С. Температуры нагрева до 600е С создают только предпосылки для последующего образования микротрещин после быстрого охлаждения пород.

Прп очень медленном охлаждении образцов горных пород вероят­ ность образовния трещин меньше. Увеличение межкристаллических связей в процессе нагревания до относительно небольших температур {до 250—400° С), частично сохраняющееся и после медленного охла­ ждения, приводит к возрастанию прочностных свойств пород. Даль­ нейшее нагревание до более высоких температур всегда приводит к образованию микротрещин и снижению прочностных показателей.

При быстром охлаждении независимо от среды в породе обра­ зуется множество микротрещин даже при небольших температурах нагрева породы в результате резкого неравномерного уменьшения объема кристаллов.

Еслп быстрое охлаждение производится в воде, то уменьшение прочности пород происходит пз-за того, что вода адсорбируется в микротрещпнах, ослабляя межмолекулярные связи поверхностей раздела,,її вступает в химическое взаимодействие с горной породой.

О росте мпкротрещиноватостн с увеличением температуры кос­ венно можно судпть по величинам условного коэффициента пластич­

и охлаждения их в воде, а также при испытании пород в условиях

высоких К и при t = 600—800° С породы деформируются без хруп­ кого разрушения.

В области высоких температур рост коэффициента пластичности связан с двумя причинами — в пределах 250 -f- (500—600)° С он, вероятно, может быть объяснен преимущественным ростом микротрещиноватости, а при более высоких температурах начинает превали­ ровать истинно пластическое деформирование породы, что подтвер­ ждается состоянием образующейся зоны вдавливания.

Имеется определенный интервал температур, когда при внедрении штампа разрушение породы происходит с медленным выходом ма­ териала на поверхность без резко выраженного скола, а т&кже интервал более высоких температур, при которых вдавливание сопро­ вождается только пластическим деформированием. Эти два явле­ ния — медленное разрушение породы и образование лунки и внедре­ ние штампа без хрупкого разрушения породы зависят от ее разно­ видности и наступают при 400—800° С.

В тех случаях, когда местного разрушения породы под штампом не наблюдалось, на образцах образовывались, как п в мраморе, тре­ щины длиной до 12—14 мм. Количество трещин чаще всего было от 2

разрушения горных пород при разных температурах, зоны разруше­ ния пород растут "в пределах температур до 600 С (т. е. тогда пре­ обладает рост микротрещиноватости), а свыше 600° С наблюдается уменьшение размеров зон и приближение их по объему к объему вда­ вливаемой части штампа. Последнее служит подтверждением пласти­ ческого деформирования породы.

Представляет интерес сравнить размеры зон разрушения, обра­ зующиеся при вдавливании штампа, при нагревании с последующим охлаждением на воздухе и в воде. В табл. 17 приведены размеры зон не только магматических пород (лабрадорита и гранпта), но и мра­ мора (для сравнения).

Из табл. 17 видно, что при охлаждении горных пород на воздухе размеры зон разрушения всегда несколько больше, чем при охлажде­ нии пород в воде.

Таким образом, температура порядка 250—600° С должна оказы­ вать на эффективность разрушения пород положительное влияние, особенно при бурении с очисткой забоя газообразными агентами.

Приведенные данные позволяют сделать ряд выводов об ожидае­ мой эффективности глубокого бурения с очисткой забоя воздухом

в различных породах, имеющих температуры, при которых прово­ дились исследования.

1. При бурении в осадочных породах на глубине, где температуры не превышают 150° С, сопротивление горных пород разрушению (в ча­ стности, твердость при вдавливании штампа) не только не умень­ шается с ростом температуры, но даже несколько возрастает.

На больших глубинах (при температурах около 250° С) можноожидать уменьшения сопротивления пород' разрушению и, следова­ тельно, даже некоторого снижения потребных осевых нагрузок на долото.

Следует, учитывать, что механическая скорость может увеличи­ ваться с ростом температуры, если будут обеспечены условия до­ статочной очистки забоя, поскольку размеры зон разрушения растут во всем исследованном диапазоне температур от 20 до 250° С

2. При проходке скважин с очисткой забоя воздухом в магмати­ ческих породах при температурах 250—600° С сопротивление пород, разрушению уменьшается (по отношению к их прочности при ком­ натной температуре), и потребную осевую нагрузку на долото можно уменьшать по сравнению с нагрузкой при бурении в тех же породах на небольших глубинах. При постоянной осевой нагрузке с ростом' глубины возможно увеличение VM.

В этих же пределах температур, если будет обеспечена достаточная очистка забоя, может наблюдаться рост механической скорости про­ ходки за счет увеличения размеров зон разрушения.

3. При бурении осадочных и магматических пород на глубинах, где температуры и, следовательно, пластичность достигают высоких значений, необходимо переходить на бурение при меньших скоростях вращения для увеличения времени контакта зубьев долота с породой.

4.Учитывая влияние скорости охлаждения на снижение проч­ ностных показателей пород, следует рекомендовать опробование спо­ соба очистки забоя охлажденным воздухом или со специальными добавками к промывочной жидкости, способствующими росту ско­ рости охлаждения.

5.Изменения размеров зон разрушения и прочности пород с ро­ стом температуры необходимо учитывать при проектировании во­ оружения разрушающих инструментов, предназначенных для буре­ ния скважин с очисткой забоя воздухом или газом.

Приведенные выводы, сделанные на основании исследования только влияния температуры на механические свойства пород при вдавливании, показали повышенную эффективность бурения сква­ жин при очистке забоя воздухом по сравнению с промывкой, хотя более обоснованные объяснения можно получить лишь на основании комплекса исследований по изучению влияния температуры и гор­ ного давления.

Здесь показана лишь общая закономерность изменения механиче­ ских свойств пород с ростом температуры. При этом необходима по­ становка исследований как влияния температуры, так и совмест­ ного воздействия температуры и горного давления.

§ 10. СОВМЕСТНОЕ ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ I I ТЕМПЕРАТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОД ПРИ ВДАВЛИВАНИИ

Исследования совместного влияния всестороннего давления до 300 кгс/см2 и температуры до 200° С на механические свойства из­ вестняка показали, что с ростом температуры при постоянном все­ стороннем давлении прочность известняка [51, 47] падает (рис. 58).

роннее давление 30 кгс/см2 ), а при давлении 500 кгс/см2 уменьшение твердости начинается с первых десятков градусов. При этом в послед­