Механические свойства горных пород

 

В табл 26 приведены свобные характеристики ряда горных пород по твердости и пластичности (табл.26).

 

 

 

Таблица 26

Характеристики твердости  и пластичности горных пород

 

Порода	Твердость, МПа	Коэффициент пластичности
Бентонитовая глина влажная	0–200	8
Высокопластичная глина влажная	0–200	8
Мергель глинистый	0–200	8
Мел	0–200	8
Каменная соль	0–200	8
Песчаник мелкозернистый пористый	200–700	1,3–4,2
Аргиллит	200–750	1,3–3,3
Гипс	250–400	1,8–3,7
Алевролит пористый	300–700	1,5–2,1
Песчаник мелкозернистый глинистый	500–950	1,3–2,4
Известняк пелитоморфный пористый	1200–2000	2,0–5,0
Ангидрит	1050–1400	2,1–4,3
Песчаник с гипсовым цементом	1400	3,1
Песчаник среднезернистый  известковистый	1700–3000	1,7–2,8
Песчаник с ангидритовым цементом	2100	2,2
Доломит мелкозернистый плотный	2500–3200	1,6–3,5
Кремень известковистый	5400–6000	1,6–2,3
Кремень чистый	6000–7000	1,0

 

Следует отметить отличие  механических свойств горных пород, определенных в лабораторных условиях при нормальном давлении и температуре  с их свойствами на забое скважины. В частности, с увеличением всестороннего  сжатия, возрастает твердость горных пород и тем сильнее чем больше их пористость. Оказывает существенное влияние температура, влажность, скорость внедрения зубца в породу и другие факторы.

 

1.6. Абразивность

 

Еще одной важной механической характеристикой горной породы является её абразивность. Под абразивностью понимается способность горных пород изнашивать в процессе трения металл, твердые сплавы, в том числе и буровой инструмент. Понятие абразивности хорошо известно и в быту. С помощью шлифовальных кругов и брусков мы точим ножи и ножницы.

Абразивность горных пород проявляется при взаимодействии с ними долот и других элементов бурового оборудования. Чем больше абразивность, тем выше темп износа инструмента. Поэтому необходимо знать абразивные свойства породы для правильного выбора типа долота. Для определения абразивности горной породы обычно измеряют обьем или массу металла, изношенного в процессе трения в стандартных для выбранного метода условиях. В отечественной практике бурения наиболее известный метод был предложен проф. Л.А. Шрейнером. Он заключается в износе эталонного кольца о испытуемый образец горной породы. Кольцо прижимается боковой цилиндрической поверхностью к горизонтальной поверхности образца и вращается вокруг своей оси. Одновременно образец поступательно перемещается относительно кольца. Продукты истирания удаляются струей жидкости. Об абразивных свойствах породы судят по объему изношенного материала кольца при перемещении образца на один метр.

Эксперименты показали, что  для большинства пород износ  эталонного кольца прямо пропорционален силе прижатия и не зависит от скорости вращения. Установлено что абразивный износ металла зависит не только от абразивности породы, но и от других факторов: соотношения твердости породы (и её минеральных зерен) и металла, шероховатости трущихся поверхностей, контактного давления скорости скольжения, свойств смазки или бурового раствора и др. Абразивность возрастает при наличии в породе зерен кварца, большой шероховатости поверхности, увеличения контактного давления.

Абразивность горных пород связана с твердостью по-разному: у однородных пород они связаны пропорционально, а вот у неоднородных связь иногда оказывается даже обратной. Дело в том, что твердость, например, песчаника сильно зависит от структуры и текстуры цементирующего вещества, но мало от выкрашивающихся зерен. Напротив, при стирании более мягкий цементирующий карбонат изнашивается быстрее и абразивность определяют высокопрочные зерна кварца. При содержании, например, обломков кварца более 20% абразивность известковистого песчаника превышает даже абразивность кварцита.

В табл. 27 приведена характеристика абразивности некоторых минералов и горных пород.

Таблица 27

 

Минералы  и горные породы	Износ стали  эталонного кольца см3/м
Гипс	0,04
Известняк, доломит	0,18-0,27
Халцедон	0,32
Кварц	0,53-0,58
Кварцит	0,60-0,62
Корунд	1,7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. механические свойства горных пород в процессе бурения

 

Земная кора сложена главным  образом изверженными и метаморфическими горными породами, на которых прерывистым  покровом лежат осадочные породы. В строении нефтяных и газовых  месторождений принимают участие  только осадочные горные породы. 

Важными признаками строения осадочных горных пород, имеющими существенное значение при их разрушении, являются их структура и текстура. Под структурой горной породы понимаются те ее особенности, которые обусловлены формой, размерами  и характером поверхности образующих их материалов. Большинство осадочных  пород сложено рыхлыми сцементированными  минеральными обломками различных  размеров, имеющими неправильные очертания. Основная структурная особенность  осадочных пород, характеризующая  их механические свойства, структура  цементов, связывающих отдельные  обломки.

Текстура указывает на особенности строения всей породы в  целом и выявляет взаимное пространственное расположение минеральных частиц. Основные особенности текстуры осадочных  пород слоистость, сланцеватость (способность  породы раскалываться по параллельным плоскостям на тонкие пластинки) и пористость (пористостью называется отношение  объема всех пустот к объему всей породы, выраженное в процентах).

По природе сил сцепления  между частицами осадочные породы подразделяются на три основные группы:

1. скальные
2. связные (пластичные)
3. сыпучие

Силы сцепления скальных пород (песчаников, известняков, мергелей и др.) характеризуются молекулярным притяжением частиц друг к другу, а также наличием сил трения.

Силы сцепления пластичных пород (глинистых) характеризуются  взаимодействием коллоидных частиц, адсорбирующихся на поверхности  обломков, а также наличием сил  трения,

Сыпучие породы (песок) не обладают сцеплением ни в сухом состоянии, ни при полном насыщении водой. Только при ограниченном насыщении водой  у сыпучих пород наблюдаются  силы сцепления, обусловленные трением.

Кроме сил сцепления, всем породам присущи силы внутреннего  трения, зависящие от давления, прижимающего частицы друг к другу. 

 

 

2.1. Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения

 

 

 Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения  – их упругие и пластические свойства, твердость, абразивность и сплошность.

Упругие свойства горных пород. Все горные породы под воздействием внешних нагрузок претерпевают деформации, исчезающие после удаления нагрузки или остающиеся. Первые из них называются упругими деформациями, а вторые пластическими. Большинство породообразующих минералов - тела упруго хрупкие, т. е. они подчиняются  закону Гука и разрушаются, когда  напряжения достигают предела упругости.

Горные породы также относятся  к упруго хрупким телам, но в отличие  от минералов они подчиняются  закону Гука только при динамическом приложении нагрузки.

Упругие свойства горных пород  характеризуются модулем упругости (модуль Юнга) и коэффициентом Пуассона. Модуль упругости горных пород зависит  от их минералогического состава, вида нагружения и величины приложенной нагрузки, от структуры, текстуры и глубины залегания пород, от состава и строения цементирующего вещества у обломочных пород, от степени влажности, песчаности и карбонатности пород.

Пластические свойства горных пород (пластичность). Разрушению некоторых  пород предшествует пластическая деформация. Она начинается, как только напряжения в породе превысят предел упругости. Пластичность зависит от минералогического  состава горных пород и уменьшается  с увеличением содержания кварца, полевого шпата и некоторых других минералов. Высокими пластическими  свойствами обладают глины и некоторые  породы, содержащие соли. При определенных условиях некоторые горные породы подвержены ползучести. Ползучесть проявляется  в постоянном росте деформации при  неизменном напряжении. Значительной ползучестью характеризуются глины, глинистые сланцы, соляные породы, аргиллиты, некоторые разновидности  известняков.

Твердость горных пород. Под  твердостью горной породы понимается ее способность оказывать сопротивление  проникновению в нее (внедрению) породоразрушающего инструмента.

В геологии большое распространение  имеет шкала твердости минералов  Мооса, по которой условную твердость минералов определяют методом царапания; по этой шкале твердость характеризуется отвлеченным числом (номером).

На основании многочисленных исследований Л.А.Шрейнер предложил классификацию горных пород, выгодно отличающуюся от шкалы твердости Мооса тем, что она наиболее полно учитывает основные физико-механические свойства горных пород, влияющих на процесс бурения.

К I группе относятся породы, не дающие общего хрупкого разрушения (слабо сцементированные пески, суглинки, известняк-ракушечник, мергели, глины  с частыми прослоями песчаников, мергелей и т. п.).

Ко II группе относятся упругопластичные породы (сланцы, доломитизированные известняки, крепкие ангидриты, доломиты, конгломераты на кремнистом цементе, кварцево-карбонатные породы и т. п.).

К III группе относятся упругохрупкие, в основном изверженные и метаморфические породы.

Абразивность горных пород. Под абразивностью горной породы понимается ее способность изнашивать контактирующий с ней породоразрушающий инструмент в процессе их взаимодействия.

Абразивность пород проявляется в процессе изнашивания (преимущественно механического) и является его характеристикой. Поэтому показатели абразивности можно рассматривать как показатели механических свойств горных пород.

Абразивность горной породы, как и любой другой показатель механических свойств, отражает ее поведение в конкретных условиях испытания или работы. Понятие об абразивной способности тесно связано с понятием о внешнем трении и износе.

Абразивные свойства горных пород изучены слабо. На величину трения существенное влияние оказывает  среда. Коэффициент трения о породу, поверхность которой смочена  глинистым раствором, меньше, чем  тот же коэффициент при трении о породу, смоченную водой, и значительно  ниже, чем коэффициент трения о  сухую породу. Твердость горной породы, размер и форма зерен, образующих породу, существенно влияют на коэффициент  внешнего трения. Коэффициент трения о породу с более высокой твердостью при прочих равных условиях обычно более высокий, чем о породу с  меньшей твердостью. Это объясняется  тем, что абразивные зерна из такой  породы выламываются трудней, а разрушающий  инструмент царапается зернами этой же породы более интенсивно. По этим же причинам коэффициент внешнего трения выше при трении о мелкозернистые породы с остроконечными зернами, чем  при трении о крупнозернистую  породу со скатанными зернами.