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

уточнения в шкалу ЕНВ на основании показаний прибора и быст­ рого и широкого внедрения нового метода в производственные орга­ низации.

Предпосылки для пх выводов и сам. вывод об уточнении шкалы буримостп по ЕНВ противоречивы. Действительно, пригодность прибора проверяли по буримостп, п поэтому уточнение той же шкалы по буримостп (но теперь уже по данным показаний прибора) лишено смысла.

Методу, предназначенному для объективного определения кате­ горий буримостп пород, присущ ряд недостатков, главным пз кото­ рых является непостоянство площади соприкосновения круга с об­

в каждый момент времени значительно больше в более прочных породах.

Опыт эксплуатации и освоении этого прибора в Казахстане по­ зволил выявить ряд других недостатков [77].

1. Сложность конструкции, настройки, тарировки прибора (до­ пустимый бой абразивного круга составляет всего 0,06—0,08 мм)

иработы на нем; трудоемкость операции по доводке круга вручную,

атакже трудность установки свободного хода прибора.

мощность и направление прожилков, сланцеватость позволяют полу­ чить разные категории (исключает объективность, вопреки данным ВИТР).

3.На точность определения категории пород оказывает большое влияние характер поверхности испытуемого образца керна. Авторы цитируемой работы [77] приводят результаты определения буримости по пяти резам, показывающих, что с ростом шероховатости разброс данных резко увеличивается (табл. 27).

4.Нельзя определить буримость 2,0-

тивном определении категорий пород для технического нор­ мирования. С его помощью можно лишь подтвердить (не всегда верно) годами сложившееся мнение специалистов-геологов и бурови­ ков о категории пород по ЕНВ, но нельзя решить проблему класси­ фикации по существу.

По-новому подошел к вопросу классификации горных пород по механическим свойствам Н. И. Любимов [113]. Предложенный ме­ тод в настоящее время применяют в опытном порядке в некоторых геологоразведочных организациях МГ СССР для решения той же задачи, что и метод ВИТР. Сущность метода заключается в том, что горные породы I I I — X I I категорий буримости по ЕНВ определяют по объединенному показателю физико-механических свойств, най­ денному эмпирически [рм = 2>F°„'sKa6?], т. е. по показателям дина­ мической прочности Рд и коэффициенту абразивности раздроблен­ ных горных пород Кабр.

Категории же с І по I I I определяют по показателю твердости рш горных пород ( I I I категория может быть определена по рш и рм ).

Н. И. Любимов горные породы разделил таким образом, чтобы определенные группы по рм соответствовали, как и по методу ВИТР, определенным категориям буримости по ЕНВ 1963 г. Следовательно, способ составления новой классификации заранее предопределял ошибки ЕВН и добавлял новые которые неизбежно присущи в боль­ шей или меньшей степени каждому методу. Кроме того, из результа­ тов исследований Н. И. Любимова не видно преимущества выбора показателя FA перед другими показателями физико-механических свойств пород.

Аналогичным образом поступили Н. И. Сидоренко и В. А. Котов [164], выбрав для определения объединенного показателя коэффи­ циент крепости / по.М. М. Протодьяконову и никак ие обосновав необходимость выбора именно этого показателя.

Между тем, основным критерием для выбора показателей физикомеханических свойств пород должна служить в первую очередь теснота корреляционных связей между vM п этими показателями. Такое обоснование отсутствует.

Сопротивление пород разрушению характеризуется теми показа­ телями механических свойств, при определении которых происходит моделирование процесса разрушения породы при бурении. Следо­ вательно, даже на основании механизма разрушения пород нетрудно предположить, что, во-первых, показатели Рл и / выбраны неудачно п, во-вторых, не может быть единого показателя прочности, пригод­ ного для характеристики породы применительно ко всем способам бурения.

Для решения многих инженерных задач в горном деле и при бу­ рении часто идут как по пути упрощения методов определения пока­ зателей физпко-механических свойств горных пород, так и по пути упрощения их методики использования. Такое положение обосновы­ вается обычно тем, что при испытаниях на различные виды прочности коэффициент вариации, как общепринятый критерий стабильности различных показателей, весьма большой и в ряде случаев достигает 40 и даже 60% . Поэтому для решения многих горнотехнологических задач используют один показатель, причем считается, что такой по­ казатель характеризует сопротивляемость пород различным видам разрушения.

Такое стремление к упрощению является неоправданным и в на­ учно-методическом отношении несостоятельным, поскольку оно при­ водит к большим неточностям, которые особенно нежелательны при нормировании труда и расхода материалов. Использование про­ извольных характеристик затрудняет также инженерные рас­ четы.

Н. И. Сидоренко и В. А. Котов, а затем Н. И. Любимов попыта­ лись пойти по пути усложнения, однако упрощения они также не избежали. Известно, например, что при ударно-вращательном и ша­ рошечном бурении на механическую скорость проходки оказывает влияние пластичность пород, которая при определении объединен­ ных показателей не была учтена совсем. Упрощение заключается

также, как уже отмечалось, в выборе / и FR вместо других показате­ лей, более точно характеризующих процесс разрушения пород при бурении.

Особо следует сказать об абразивности пород. Обычно в литера­ туре лишь констатируется, что абразивные свойства оказывают влияние на износ' породоразрушагощего инструмента, но скольконибудь приемлемая оценка этого влияния отсутствует.

Это особое свойство пород использовано при определении объ­ единенных показателей Кк и рм . Следовательно, классификации по­

дах, объединенный показатель р м которых изменяется от мини­ мальных значений до максимальных. В процессе эксперименталь­

Все эти недостатки присущи в большей или меньшей степени каж­ дой классификации пород по их физико-механическим свойствам. Глав­ ный их недостаток заключается в неправильном научно-методиче­ ском подходе к составлению классификаций. В принципе можно вы­ брать несколько таких показателей физико-механических свойств, которые при всех прочих равных условиях (технических и технологи­ ческих) будут полностью определять буримость пород. В этом случае

по своему научному уровню такая классификация будет близкой к из­ вестным классификациям по буримости.

§ 4. СМЕШАННЫЕ КЛАССИФИКАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД

Эти классификации включают в себя как показатели физикомеханических свойств пород, так и показатели производственных процессов. Из этих классификаций известны группы пород Г. Лареса, Союзвзрывпрома [183], Наркомстроя [183], КузНИУИ [6], Ю. Ф. Алексеева [9], ВИМС [69], Н. И. Любимова [ИЗ] и некоторые другие.

Принцип составления смешанных классификаций заключается в том, что породы группируют по категориям (например, по показа­ телям фпзико-механпческпх свойств горных пород), а затем записы­ вают значения показателей бурения, соответствующих породам дан­ ных категорий.

При составлении смешанных классификаций предполагается, что между производственными показателями (применительно к буре­ нию скважин обычно используется механическая скорость проходки) и показателями физико-механических свойств пород имеется удо­

по определению механических свойств пород вдавливанием штампа (определяли твердость, коэффициент пластичности, удельную объем­ ную работу разрушения и диаметр зон разрушения, образующихся прп вдавливании штампа). На основании полученных результатов были составлены карты пород по литологическому и стратиграфиче­ скому признакам по отдельным районам Башкирии, в которых ука­ зывались все перечисленные показатели механических свойств по­ род и их буримость, принятая на практике. Были даны рекоменда­

Смешанные классификации представляют наибольший интерес, поскольку показатели буримости дают возможность нормировать труд буровых бригад, а показатели механических свойств — объек­ тивно определять категории пород, выбирать наиболее эффективные способы бурения в конкретных геологических условиях и проекти­ ровать на их основании параметры режима бурения. Однако недо­ статком всех смешанных известных классификаций, предложенных до настоящего времени, является необоснованный выбор показателей физико-механических свойств пород, поэтому при определении кате­ гории пород возможны крупные ошибки. Многие из недостатков классификаций по физико-механическим свойствам пород присущи также смешанным классификациям. Не могут один или два показа­ теля физико-механических свойств характеризовать сопротивление пород разрушению при всех способах бурения.

Окончательно

(ІХ.4)

Кв ар

при этом верхний лимит вычисляется путем подстановки в фор­

щей абразивности пород 10 мг, получили верхний предел I I I класса (10—18 мг) и т. д. В результате была получена шкала абразивности пород, состоящая из 8 классов.

Принципиально не трудно построить классификационную шкалу по любому показателю физико-механических свойств пород или по показателю производственно-технологического характера.

§ 6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Краткое рассмотрение известных классификаций горных пород показывает, что они имеют существенные недостатки. Эти недо­ статки приводят к ошибкам при повседневном нормировании, кото­ рые вредно сказываются на совершенствовании техники и техноло­ гии бурения, установлении областей применения различных породоразрушающих инструментов и на производительности труда.

Следует отметить, что каждой из четырех групп классификаций присущи общие недостатки. Это объясняется тем, что все классифи­ кации каждой группы составлены почти по одинаковой методике, поэтому каждый раз ошибки повторялись.

Из всех классификаций, известных в настоящее время, наиболь­ шее предпочтение следует отдать смешанным классификациям, в ос­ нове которых лежат физико-механические свойства буримых пород и производственные показатели. Однако даже к составлению этих классификаций следует относиться с осторожностью. Это объяс­ няется тем, что на механическую скорость проходки при бурении влияет ряд факторов природного, технического и технологического характера, в результате чего классификации по одному или даже нескольким показателям физико-механических свойств горных по­ род и применительно даже к одному какому-либо способу бурения для повседневного нормирования в научно-методическом отношении недостаточно состоятельны.

Очевидно, что для разработки классификаций горных пород, которая отвечала бы современным требованиям науки и техники в области бурения скважин, необходим новый научно-методический подход.

Г Л А В А X

УСТАНОВЛЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

§1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Критериями рациональных областей применения кал<дого породоразрутающего инструмента при данном способе бурения являются, как известно, производительность труда, стоимость 1 м проходки и качество выполняемых работ (выход керна, удовлетворяющий гео­ логическую службу, и сохранение заданного направления скважин). Производительность труда и стоимость 1 м проходки, в свою очередь, зависят от горно-геологических, технических и технологических усло­ вий бурения.

При прочих равных условиях стоимость 1 м проходки опреде­ ляется производительностью буровых работ, которая зависит от интенсивности разрушения горных пород — механической скорости бурения vu и проходки за рейс hp. Важнейшими факторами, влия­ ющими на ум и hp, являются показатели физико-механических свойств горных пород.

Наиболее просто и быстро предварительно определить рацио­ нальные области применения породоразрушающего инструмента можно по величине механической скорости бурения. В этом случае критерием выбора инструмента для бурения в данных геологиче­ ских условиях служит максимальная vK, получаемая расчетным путем.

Безусловно, что величина механической скорости бурения слу­ жит приближенным критерием эффективного разрушения пород, однако она является критерием недостаточным. Если vM определяют при оптимальных параметрах режима бурения, то в. этом случае часто считают, что будет получена также максимальная рейсовая проходка, однако выбор инструмента лишь по ум может привести к грубым ошибкам.

Второй метод определения рациональных областей применения инструментов заключается в следующем. Опытным путем устанавли­ вают величины механической скорости бурения и проходки за рейс или величины общей проходки на породоразрушающий инструмент в породах различных физико-механических свойств. По величинам

иы и hp приближенно можно рассчитать производительность труда

пород. В качестве примера решения задачи этим методом в табл. 30, по данным Н. И. Любимова и С. В. Шаравина [114], приведены меха­ ническая скорость бурения и величина проходки за рейс при твердо­ сплавном, дробовом, алмазном и гидроударном бурении в породах различной абразивности и динамической прочности.

Однако этот метод имеет также существенный недостаток, кото­ рый заключается в том, что в данном случае нельзя определить ра­ циональное время механического бурения в течение рейса. Опре­ деление этого времени имеет большое, значение для достижения мак­ симальной рейсовой скорости бурения при бурении выбранным породоразрушающим инструментом в связи с его износом и с уменьше­ нием механической скорости проходки во времени.

Анализ многочисленных данных по отработке породоразрушающих инструментов показывает, что на процесс их изнашивания

Механическая скорость бурения и проходка за рейс при прочих равных условиях зависят от износа породоразрушающего инстру­ мента (при колонковом бурении величина hp в некоторых случаях ограничивается длиной колонковой трубы и самозаклинкой керна). Интенсивность же износа породоразрушающего инструмента при большинстве современных технологических процессов в горном деле определяет эффективность механического разрушения горных пород (она уменьшается, если при износе увеличивается площадь контакт­ ной поверхности). Кроме того, интенсивность износа влияет также на величину проходки за рейс при бурении скважин.

Поэтому неудовлетворительные корреляционные связи показа­ телей механических свойств горных пород с их буримостыо, помимо прочих причин, объясняются неравномерной отработкой породоразрушающих инструментов. В связи с уменьшением механической скорости во времени максимальная рейсовая скорость бурения может быть получена лишь при оптимальном времени механического буре­ ния. Таким образом, если учесть, что при бурении скважин основное время затрачивается на механическое разрушение пород и на спускоподъемные операции, то большое значение изучения износа инстру­ мента сомнения не вызывает.

Изменение механической скорости в течение рейса исследова­ лось на примере бурения скважин в ЦНИГРИ пневмоударником РП-112 при скорости вращения 40 об/мин и статической нагрузке 100 кгс. Результаты работ показали, что как по интервалам времени, так и по интервалам проходки буримость постоянно уменьшается. При бурении пневмоударником 2,5-м скважины в течение 49 мин работы скорость бурения снижается почти в 2 раза (табл. 31).