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

вая корреляционная связь. Это обусловлено тем, что при наличии пор энергия при деформации передается главным образом через ми­ неральный скелет. Увеличение пористости уменьшает истинную площадь контакта минеральных частиц породы и, следовательно, увеличивает истинные напряжения в минеральном скелете, умень-

Такое же положение наблюдается при установлении аналогич­ ных зависимостей для других пород, при этом теснота корреляцион­ ной связи между показателями прочностных и плотностных свойств бывает довольно слабая. Так, на рис. 18 приведена зависимость временного сопротивления одноосному сжатию третичных конкре­ ционных кварцитовидных песчаников с кремнистым цементом [87] от их пористости. График показывает, что теснота связи а с ж с пори­ стостью довольно слабая. Достаточно, например, сказать, что асж =^

-2500 кгс/сма при В = 1,5—5,5%.

Однако эти связи бывают более устойчивыми. Для примера на рис. 19 приведен график зависимости асж от пористости пород,

было показано, имеет некоторые корреляционные связи с плотностными свойствами. С другой стороны, прочность на вдавливание рш (твердость) пород имеет некоторые корреляционные связи с времен­ ным сопротивлением раздавливанию. Следовательно, по мнению ав­ торов, существует зависимость между р ш и у или р ш и В.

Приняв безоговорочно тезис о том, что сопротивление пород раз­ буриванию OQ. при применении шарошечных долот и твердость пород являются свойствами идентичными, авторы устанавливают ряд кор­ реляционных зависимостей между плотностными свойствами пород и глубиной их залегания.

Между о с ж и рш корреляционные связи довольно слабые. Сами же авторы [176, 203], ссылаясь на то, что, по теоретическим вычисле­

отмечают, что, по данным ряда советских исследователей (В. С. Фе­ дорова, Е. Ф. Эпштейна, П. Ф. Рощина), это соотношение при испы­ тании глин и глинистых сланцев колеблется от 3 до 18, при испыта­ нии песчаников — от 2 до 20 и при испытании карбонатных пород — от 5 до 12. Поэтому проще установить прямые связи между рш и у или В в конкретных условиях.

Плотностные свойства (например, пористость) являются крите­ рием, который при прочих равных условиях определяет величину истинных напряжений, возникающих в породе при ее деформации, в значительной степени определяют прочность пород и сопротивля­ емость их разрушению.

Несмотря на то что использовать показатели пористости и плот­ ности для прямых расчетов процесса разрушения пород при буре­ нии скважин в настоящее время не представляется возможным, зна­ ние корреляционных связей между этими свойствами и глубиной залегания осадочных пород представляет как научный, так и прак­ тический интерес. Эти связи позволяют приближенно судить о харак­ тере изменения механических свойств пород при увеличении глу­ бины их залегания.

Основными факторами, влияющими на пористость и плотность, являются тектонические силы и вес вышележащих пород. С увеличе­ нием глубины залегания плотность увеличивается, а пористость уменьшается. Такая же закономерность наблюдается при увеличе­ нии возраста пород, что объясняется продолжительностью действия сил, обусловливающих уплотнение отложений. Однако единой обще­ принятой закономерности между плотностными показателями пород и глубиной их залегания не установлено, что обусловлено рядом причин.

На плотность оказывает влияние действие тектонических сил, которые по величине могут достигать огромных значений. В связи

с этим порода, подвергшаяся механическому воздействию тектони­ ческих сил и залегающая на меньшей глубине', может иметь более высокую плотность, чем порода, не испытавшая на себе тектониче­ ского воздействия. В верхней части антиклинали плотность пород уменьшается вследствие растяжения, в нижней части — возрастает вследствие сжатия, а в средней остается без изменений. Плотность пород в верхней части синклинали более высокая, чем в нижней.

Важную роль играет и возраст осадочных пород (более древняя порода будет более плотной, так как в данном случае большое зна­ чение имеет время, в течение которого горная порода подвергалась механическому воздействию), а также степень их метаморфизма.

увеличении глубины их залегания пытаются также выразить мате­ матическими зависимостями. Например, Е. И. Стеїюха в одной из своих последних работ приводит ряд уравнений корреляционных связей между сопротивлением разбуриванию, плотностными свой­

O.6L = O ( 0 + А2(В0—В с),

где индексы О и L обозначают соответственно показатели пород, залегающих на дневной поверхности и на глубине L ; Тш — твердость пород по Шору; А, Аг ж Az ш с — опытные коэффициенты.

При увеличении глубины пористость и объемный, вес тех же пород изменяются по следующим зависимостям:

(Ш.23)

фициенты.

При увеличении давления интенсивность изменения плотностных свойств горных пород уменьшается. Эта закономерность подтвер­ ждается лабораторными экспериментальными данными. Отличие за­ ключается лишь в том, что в лабораторных условиях пористость достигает почти минимума, а плотность — максимума при давле­ ниях, соответствующих глубинам залегания 4—5 тыс. м, а в есте­ ственных условиях эти свойства почти постоянны на значительно меньшей глубине (см. рис. 20). Такое различие легко объясняется, если учесть время действия давления при проведении лабораторных исследований и в природных условиях.

Позже для глинистых пород Восточного Предкавказья были уста­ новлены несколько иные зависимости В и у от L . Окончательные формулы для изменения сопротивления глинистых пород разбури-

Аналогичные формулы установлены для других разновидностей пород. Во все эти формулы входит много опытных коэффициентов. Численные значения этих коэффициентов приводятся в указанных работах, а значения других (например, коэффициенты Ах, А2 и т. д.) могут быть определены лишь в промышленных условиях при про­ ведении экспериментальных работ в заданном районе.

Известны попытки использовать плотностные свойства для непо­ средственного определения буримости пород. Так, А. А. Даниэлян,, изучая буримость туфов месторождений Армянской ССР на уста­ новке ОБ-2М, установил, что время проходки 1 м шпура

Однако применить формулы (III.20) на практике почти невоз­ можно, так как коэффициенты колеблются в очень широких преде­ лах — от отрицательных до положительных величин даже при испытании пород одного наименования.

Обилие коэффициентов в приведенных формулах, величина K O T O J рых зависит от разновидности пород, района их залегания и от тех­ нических условий бурения, затрудняет их применение для практи­

коэффициенты установлены и если известны данные по буримости пород, залегающих на дневной поверхности, то нетрудно сделать приближенные расчеты при планировании проходки более глубоких скважин, чем бурили ранее на данной площади. Учитывая име­ ющийся опыт бурения скважин в аналогичных по петрографическому составу породах, можно рассчитать буримость пород и выбрать породоразрушающие инструменты.

Результаты предварительных расчетов по показателям плотностных свойств горных пород весьма приближенные, поэтому их следует использовать только в том случае, когда отсутствуют данные по ме­

ства при увеличении глубины изменяются незначительно (по край­

на показатели механического каротажа, на кривые самопроизволь­ ной поляризации, сопротивлений и кавернометрических измерений. Имея данные геофизических исследований [79], можно разбить геологический разрез на ряд пачек. Тогда специалист по бурению скважин имеет дело не со стратиграфическим делением пород (по­ роды одного возраста могут иметь различную буримость), а с пач­ ками пород с одинаковыми физико-механическими свойствами. В этом случае абсолютные значения механических свойств пород могут быть неизвестны, но установленные рациональные параметры режима бурения и тип породоразрушающего инструмента в данной пачке можно использовать в других пачках пород с аналогичными показате­ лями геофизических исследований.

амплитуды отклонения кривой ПС против исследуемого пласта к ам­ плитуде-против пласта опорного), Б. А. Жлобинский и Е. Г. Лозгачев [86] установили формулу для определения твердости пород исследуемого пласта

Следовательно, зная твердость пород одной из литологических пачек ( р ш _ 0 ) , по кривым ПС приближенно можно найти твердость пород любого другого пласта.

Г Л А В А I V

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ДЛЯ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

§1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Внастоящее время пока не существует единой научно обоснован­ ной методики расчета рациональных параметров режима бурения, обеспечивающих эффективное разрушение горных пород. Основной метод их определения все еще остается таким, каким он был более полвека назад, изменяя осевую нагрузку и число оборотов, находят такие величины механической скорости бурения и проходки за рейс, которые соответствуют максимальной производительности бурения.

Такой метод требует больших затрат времени и сил при разведке почти каждого месторождения полезных ископаемых, так как пере­ нести опыт бурения из одного района в другой трудно из-за большого разнообразия горных пород по петрографическому составу, зерни­ стости, степени метаморфизма и т. д. Учесть все эти особенности можно лишь с помощью показателей физико-механических свойств пород, которые в геологоразведочных организациях применяют в ис­ ключительно редких случаях.

При бурении нефтяных и газовых скважин вопросу использова­ ния механических свойств пород в практике уделяют значительно большее внимание. В 1967 г. ИГиРГИ подготовил специальное «Ме­ тодическое пособие по использованию результатов испытаний меха­ нических свойств горных пород при вдавливании штампа» [229], утвержденное Министерством нефтедобывающей промышленности

СССР в качестве единого временного пособия. Особенно широко ис­ пользуют данные механических свойств 'пород при вдавливаний штампа при бурении нефтяных скважин в Башкирской и Татарской АССР.

Не меньше вопросами практического использования физико-ме- •ханических свойств пород занимаются специалисты горнодобыва­ ющей промышленности. За последнее десятилетие вышло в свет не­ сколько интересных работ (монографий и сборников), освещающих

новые методики определения свойств пород и их практического ис­ пользования в горнодобывающей промышленности [22, 25, 29 и др. 1. Результаты этих исследований явились большим вкладом ученых в развитие науки по разрушению горных пород.

§2. РАСЧЕТ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО

ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ТВЕРДОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Твердость пород, определенная методом вдавливания штампа в шлифованную поверхность образца, специалистами по бурению

Оптимальную осевую нагрузку на шарошечное долото, при кото­ рой происходит объемное разрушение горных пород, рекомендуется

бойных факторов на твердость горных пород. Его можно представить как