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

скалывания) зависят от свойств горных пород и связаны они между собой соотношением (см. рис. 1, А)

стичности уменьшается. Например, угол а 0 в мягком глинистом слан­ це 58°, в мелкозернистом мраморе 64° и в крепком кварците 75°.

Характерно, что при вдавливании острого клина И. А. Остроушко угол а о принимает равным углу заточки инструмента и уже не связывает его с физико-механическимн свойствами пород. Считая, что инструмент пирамидальной или клиновидной формы в связи с износом и с пластическими деформациями породы имеет сфериче­ скую форму контакта, главный объем давления а'оЪ' как бы является продолжением индентора (см. рис. 1, С, в).

На основе математического анализа сил, действующих на вда­ вливаемый наконечник, И. А. Остроушко нашел, что условие, не­

скалыванию. Поскольку разрушение породы происходит в условиях

/тр.в — коэффициент внутреннего трения на поверхности скола. Далее он считает, что если инструмент имеет форму конуса или пирамиды, то лунка разрушения будет получена конусная, поверх­

Аналогичным образом И. А. Остроушко поступает, определяя необходимые усилия для разрушения породы при вдавливании клино­ видного инструмента, а также усилия резания при вращательном бурении с применением коронок, армированных резцам из твердого сплава и алмазными зернами.

Математическое решение задач в области механического разруше­ ния горных пород при бурении скважин приведено в работах многих исследователей. Однако ни одна из них по существу не позволяет установить четкие количественные оптимальные силовые и энерге­ тические параметры, подводимые к инструменту, а также соотно­ шения между этими параметрами и результатами буровых работ (механической скоростью бурения и проходкой за рейс или общей •проходкой на породоразрушающий инструмент).

Это объясняется прежде всего весьма сложными процессами, , имеющими место при механическом разрушении горных пород, и, следовательно, практически непреодолимыми в настоящее время математическими трудностями. Для преодоления этих трудностей исследователи в каждом конкретном случае упрощают задачу, счи­ тая, что упрощения изменяют незначительно физическую сущность данного явления. Однако во всех случаях для математических расче­ тов физическая сущность задачи разрушения горных пород механиче­ ским способом оказывается искаженной настолько, что использование ее на практике становится затруднительным. Если же физическую сущность оставить такой, какая имеет место в действительности, то задача становится неразрешимой или же с исключительно слож­ ными выкладками.

В расчетах И. А. Остроушко идеализация и упрощение процесса разрушения выражены довольно отчетливо. Прежде всего следует обратить внимание на то, что во всех расчетных формулах имеются показатели угла скалывания фо и угла направления первичных трещин а о (см. рис. 1). Величина этих углов для некоторых пород зависит от многих природных и технических факторов, поэтому расчет только из-за незнания величин данных углов может быть несостоятельным.

Кроме того, механизм разрушения горных пород до конца пока не выяснен и в настоящее время все еще остается дискуссионным. И. А. Остроушко принял, что при вдавливании в породе под инстру­ ментом образуется главный объем разрушения конической формы. В то же время ряд исследователей (Л. А. Шрейнер [231], Б. В. Байдюк и Н. Н. Павлова [16], Э. И. Эдельштейн, Р. М. Эйгелес и др. [233, 234, 235]) выделяют два механизма разрушения пород — хрупких и пластичных, при этом они не исключают открытие новых механизмов разрушения [234].

Для применения аппарата теории упругости принимается, что порода при воздействии на нее породоразрушающего инструмента монолитна, изотропна и несжимаема, что она не испытывает пласти­ ческих деформаций, а поверхность, на которой производится вдавли­ вание, является плоской. Для таких условий установлена структура

поля напряжений, возникающих в породе при вдавливании инструмента, и на основании расчета поля напряжения все полу­ пространство разбивается на три зоны [234, 235] в зависимости от знака главных нормальных напряжений а. Зоны разделены между

собой полусферу, в которой все три главные нормальные напряжения

тивление скалыванию ас к , рекомендуемое И. А. Остроушко.

Следует также отметить, что в большинстве случаев при вдавли­ вании состояние породы можно приближенно описать уравнениями обобщенного закона Гука лишь в первоначальный момент повышения нагрузки. При дальнейшем повышении нагрузки в породе появляются области, которые находятся в условиях высокого неравномерного всестороннего давления, и, следовательно, в таких случаях возникает истинная пластическая или псевдопластическая деформация. Пла­ стическое течение материала приводит к перераспределению напря­ жений в полупространстве.

Характерно, что во всех расчетных формулах, выведенных на основе математического анализа сил, обязательно введен показатель прочности горных пород на скалывание или сжатие. Иногда вместо показателя, характеризующего сопротивление разрушению при кон­ кретном виде деформаций, авторы теорий рекомендуют в расчетные формулы подставлять расплывчатое название «временное сопроти­ вление разрушению». Тем самым они молчаливо соглашаются с тем, что прямое использование какого-либо показателя, полученного при простых видах деформаций, лишено смысла. Авторы формул обычно указывают, что при вдавливании породы под индентором

находятся в условиях всестороннего сжатия, поэтому прочность по­ роды, определенную в лабораторных условиях, для расчета рекомен­ дуют увеличивать в несколько раз. Однако известно, что при все­ стороннем сжатии возрастание прочности зависит как от величины давления, так и от самой породы. Теоретически отношение, например, твердости пород рт при вдавливании штампа к временному сопро­ тивлению пород сжатию о"с ж равно примерно 7, однако практически оно может достигать 20. Корреляционная связь рщ с сгс ж весьма сла­ бая. Следовательно, использование показателей сгск или стсж в рас­ четных формулах объективно приведет к значительным погрешностям.

В расчетные формулы входят также другие показатели свойств горных пород (модули Юнга и сдвига, коэффициент Пуассона, ко­ эффициент объемного сжатия, коэффициент трения инструмента о породу, угол скалывания, глубина погружения инструмента при определенной нагрузке, размеры линейные и объемные лунок разру­ шения и т. д.).

Довольно часто многие из этих показателей рекомендуют брать как некоторые средние для всех пород. Следовательно, в расчетных" формулах появляется много постоянных, которые не являются кон­ стантами, а зависят от состояния породы в массиве.

В то же время нельзя отрицать положительного научного значения попыток аналитического решения задач в области разрушения гор­ ных пород. Особенно большую ценность представляют исследования по выяснению механизма разрушения горных пород, поскольку решение этой задачи позволяет достоверно установить показатели физико-механических свойств горных пород, характеризующих ее сопротивление разрушению различными породоразрушающими ин­ струментами.

Однако на современном этапе наших знаний о горных породах, как объектах разрушения, аналитические методы расчета всегда приводят к большим расхождениям с практическими данными, по­ этому они могут применяться лишь для качественного описания процесса. Несмотря на это, в настоящее время, как уже неоднократно нами отмечалось, имеет место излишнее увлечение математическими решениями многих задач с привлечением теории упругости и идеали­ зированием условий.

§2. РАЗРАБОТКА ТЕХНИКИ

ИТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЛАБОРАТОРНОЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ОТРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТА

Трудность практического использования чисто аналитических решений в области разрушения горных пород сохраняет длительный и трудоёмкий способ, при котором многие задачи при бурении сква­ жин решаются путем проведения большого количества эксперимен­ тов с определенными породоразрушающими инструментами в лабо­ раторных и производственных условиях. При этом закономерности

бурения устанавливают в большинстве случаев для конкретных месторождений полезных ископаемых.

В процессе бурения о его эффективности представляется возмож­ ным судить по показателям работы породоразрушающего инстру­ мента — механической скорости бурения и величине проходки за рейс. В зависимости от применяемых техники и технологии бурения эти показатели изменяются в широких пределах, даже при бурении

водной и той же породе.

Втечение многих десятилетий (в том числе и в последние годы) исследователи ищут оптимальные условия разрушения горных пород

Найти оптимальные условия разрушения горных пород, как из­ вестно, довольно трудно, поскольку при изменении параметров режпма бурения один из показателей буримости пород (например, механическая скорость бурения) может возрастать, а другой (про­ ходка за рейс) — уменьшаться и, наоборот. В этом случае задача заключается в том, чтобы найти такие параметры режима разрушения, которые обеспечили бы максимальную производительность бурения.

Для решения этой задачи необходимо проводить исключительно большие экспериментальные лабораторные и производственные ис­ следования почти на каждом месторождении. Обусловлено это рядом причин, но главная из них заключается в неудовлетворительной клас­ сификации горных пород применительно к бурению скважин.

Так, например, в качестве основы классификации горных пород по буримости, используемой в настоящее время для нормирования работ в организациях Министерства геологии СССР, лежат данные показателей отработки алмазных, твердосплавных и дробовых коро­ нок вполне определенного типа при некоторых параметрах режима бурения.

В дальнейшем даже при незначительном изменении конструкций коронок того же типа (например, твердосплавных) рациональные режимы бурения снова нужно искать почти на каждом месторожде­ нии полезных ископаемых.

Если -же создаются принципиально новые конструкции породоразрушающих инструментов (например, новые алмазные коронки) или применяется принципиально новый способ разрушения горных пород (например, ударно-вращательный с применением забойных гидро- и пневмоударных машин), то существующая классификация пород становится малопригодной как для нормирования буро­ вых работ, так и для переноса передового опыта по оптимальному разрушению пород из одного района работ в другой. В этом случае необходимо изменять шкалу буримости, так как эффективность раз­ рушения пород с различными свойствами при изменении формы по­ родоразрушающего инструмента, режима бурения или принципа разрушения может изменяться по-разному.

Именно поэтому часто бывает так, что какие-либо закономерности бурения, установленные в одном районе, не могут быть использо-

ваны в другом, хотя категории пород по буримости, установленные ранее, одинаковы.

Таким образом, рациональные области применения различных способов бурения, оптимальные параметры режима бурения и другие вопросы приходится решать каждый раз в конкретных горно-геоло­ гических условиях, поэтому для данной цели затрачивается много сил и средств.

§ 3. ЭМПИРИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

Практическая неприменимость на' производстве аналитических решений в области механического разрушения горных пород и дли­ тельный путь решения этих вопросов при лабораторных и производ­ ственных испытаниях привели к попыткам изучения физико-меха­ нических свойств горных пород, и на основе этого изучения в горном деле вообще, и в- бурении, в частности, делаются попытки решения многих задач технологического и конструктивного характера.

Методы решения этих задач можно разделить на две группы, Первая группа методов заключается в том, что все технологические вопросы при бурении скважин решаются применительно к горным породам определенной группы (класса), при этом классификацию пород ведут не по показателям производственно-технологического процесса (например, по буримости), а по показателям физико-ме-' ханических свойств горных пород.

Для решения задач исследователь выбирает те показатели физи­ ко-механических свойств, которые, по его мнению, наиболее полно характеризуют процесс разрушения горных пород при данном тех­ нологическом процессе. Порядок использования показателей фи­ зико-механических свойств пород заключается в следующем.

Сначала находят удовлетворительные корреляционные связи между каким-либо одним или группой показателей физико-механи­ ческих свойств пород и показателями результатов технологического процесса (при бурении — с механической скоростью и величиной проходки за рейс). Затем для. определенных значений показателей физико-механических свойств горных пород путем проведения ла­ бораторных и производственных испытаний находят рациональные параметры технологии их разрушения по максимальным показателям результатов бурения, проектируют лородоразрушающий инструмент и т. д.

Такой путь решения инженерных задач кажется более предпоч­ тительным, чем проведение аналогичных исследований в породах различных категорий по буримости, поскольку установленные зако­ номерности для пород любого района и состава, но имеющих опре­ деленные значения физико-механических свойств, будут справедливы для всех пород, имеющих те же значения свойств.

Однако этот путь также имеет недостатки. Они заключаются в том, что, во-первых, определенные показатели физико-механических

свойств характеризуют породы при каком-то конкретном способе разрушения и, во-вторых, показатели физико-механических свойств пород в производственных условиях в настоящее время не опреде­ ляются.

Вторая группа этих методов заключается в использовании физи­ ко-механических свойств горных пород для прямых расчетов буримости пород, параметров режима бурения и по установленным эмпирическим формулам.

Эта группа кажется перспективной, хотя данная методика реше­ ния инженерных задач также не лишена недостатков. Заключаются они главным образом в том, что эмпирические формулы часто уста­ навливаются недостаточно обоснованно, без учета многих природ­ ных и технических факторов, влияющих на процесс разрушения пород. В этом случае точность получаемых расчетов бывает выше точ­ ности аналитических расчетов.

Объектом рассмотрения в данной работе является именно эта группа методов практического использования физико-механических свойств горных пород. Достоинства и недостатки эмпирического ме­ тода расчета технологического процесса при бурении скважин изло­ жены в соответствующих разделах настоящей книги.

Г Л А В А I I

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ГОРНЫХ ПОРОД

Подробно аппаратура и методы определения показателей физи­ ко-механических свойств горных пород приводятся в специальной литературе [32, 74, 113, 130, 190], поэтому в настоящей главе лишь кратко излагается сущность наиболее известных методов определе­ ния показателей физико-механических свойств горных пород.

§1. ПЛОТНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Важнейшими показателями плотностных свойств с точки зрения механического разрушения горных пород при бурении являются минералогическая плотность (удельный вес), объемный вес и пори­ стость. Эти три свойства в значительной степени определяют проч-^ ность горных пород и сопротивление их разбуриваншо.

По данным пористости, удельного и объемного весов трудно или даже невозможно вести прямые расчеты технологических процессов бурения, однако знание этих свойств горных пород дает первые представления о характере разбуриваемых пород и особенно о ха­ рактере изменения свойств при увеличении глубины их залегания.

Удельный А и объемный у веса определяют по следующим извест­ ным формулам

Параметром вещества (в том числе породы) в чисто физическом смысле является плотность р, как объемная масса единицы его

Поскольку объемный вес

Y = РёГ, (П.З)

где g — ускорение силы тяжести, то в дальнейшем в книге говорится только об объемном весе горных пород.

Пористость горных пород В, как суммарный относительный объем содержащихся в ней пустот (пор), слагается из пористости отдельных -кристаллических' зерен и пористости, обусловленной межзерновым пространством. Отличают открытую пористость горных пород, за­ крытую (или изолированную) и общую (совокупность двух первых).

Взаимная связь между пористостью, удельным и объемным весами

Показатели временного сопротивления разрушению при элемен­ тарных видах деформаций (одноосном сжатии, растяжении, сдвиге, изгибе) считаются основными прочностными характеристиками твер­ дых тел и широко используются для практических расчетов во мно­ гих отраслях техники.

В горном деле (в том числе в бурении) показатели сопротивления элементарным видам напряжений могут служить лишь для общей оценки поведения горных пород при механическом воздействии на них инструмента. Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что использовать эти характеристики в практических расчетах бурового процесса не удается, поскольку реальные забойные усло­ вия весьма далеки от условий испытания породна одноосное сжатие, растяжение, сдвиг и изгиб.

Несмотря на это, показатели временного сопротивления элемен­ тарным деформациям обобщенно оценивают прочность горной породы. К настоящему времени накопился большой фактический материал по определению этих показателей свойств пород й поэтому как в на­ учном, так в практическом отношении рассмотрение путей оценки прочности горных пород, а также путей их использования на прак­ тике представляет несомненный интерес.

Наиболее распространенным методом общей оценки прочностных свойств горных пород является испытание их на одноосное сжатие. Максимальная удельная нагрузка, приходящаяся на единицу пло­ щади сжимаемого образца в момент его разрушения, является времен­