Основные физико - механические свойства горных пород. Основные закономерности разрушения горных пород при бурении.

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 упругохрупкие, т. е. они подчиняются закону Гука Горные породы также относятся к упругохрупким телам, но в отличие от минералов они подчиняются закону Гука только при динамическом приложении нагрузки.

Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости (модуль Юнга) Е 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.

Коэффициент Пуассона для большинства пород и минералов находится в пределах 0,2—0,4, и только у кварца он аномально низок, что обусловлено особенностями строения его кристаллической решетки.

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.

Как правило, по твердости породы, участвующие в сложе­нии нефтяных залежей, относятся к первым восьми категориям.

Абразивность горных пород. Под абразивностью горной по­роды понимается ее способность изнашивать контактирующий с ней породоразрушаюший инструмент в процессе их взаимо­действия. Абразивность пород проявляется в процессе абразивного (преимущественно механического) изнашивания 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 с окатанными зернами. Среди горных пород наибольшей абразивностью обладают кварцевые и полевошпатовые песчаники и алевролиты (сцемен­тированные обломочные породы с обломочными зернами разме­ром от 0,01 до 0,1 мм),

В настоящее время разработано несколько классификаций по абразивности горных пород.

Сплошность горных пород. Понятие «сплошность горных по­род» предложено для оценки структурного состояния горных по­род, которые, исходя из степени пригодности внутриструктурных нарушений (трещин, пор, поверхностей рыхлого контакта зерен и т. д.), передают внутрь породы давления внешней жидкостной или газовой среды.

Разделяют четыре категории сплошности: к первой категории сплошности относятся породы, внутрь кото­рых может проникнуть исходный глинистый раствор; ко вто­рой — породы, внутрь которых проникает не только жидкость, но и твердые (глинистые) частицы; к третьей — породы, внутрь которых передается давление только маловязкой жидкости (типа воды); к четвертой — породы, внутрь которых внешнее гидрав­лическое давление не передается. Основной вид деформации, под действием которой породы в процессе бурения разрушаются,— вдавливание. Рассмотрим явления, происходящие в породе при действии постепенно воз­растающей местной нагрузки, передающейся через штамп. Пер­воначально порода уплотняется в непосредственной близости от площадки контакта. Затем, когда нагрузка достигает некото­рого критического значения, в породе образуется конусообразная трещина, вершина которой обращена к раздавливаемому телу. При дальнейшем увеличении нагрузки трещина продолжаем развиваться в глубину; при этом образуется система хаотически расположенных трещин, порода в вершине конуса раздавлива­ется в порошок, передающий давление во все стороны. Под влиянием этого давления порода продолжает разру­шаться до образования лунки. Описанный процесс внедрения штампа составляет один полный цикл разрушения. При дальнейшем нагружении штампа процесс во всех трех фазах повто­ряется. Такая цикличность разрушения свойственна хрупким, прочным горным породам. В хрупких, но менее прочных горных породах разрушение также носит цикличный, но менее скачкообразный характер. Разрушение малопрочных пород носит плав­ный характер. Рассмотрим действие динамического вдавливания (ударов) на породу. Исследованиями установлено, что в результате уда­ров горные породы могут разрушаться при напряжениях, мень­ших, чем критические, соответствующих пределу прочности. Сам механизм разрушения аналогичен описанному выше. Число уда­ров по одному и тому же месту может быть значительным. С увеличением силы удара число их уменьшается, и при неко­тором значении силы разрушение наступает после первого же удара. Таким образом, горная порода может разрушаться как при действии статических, так и динамических нагрузок. Сила удара в процессе динамического разрушения зависит от на­грузки и скорости ее приложения. Эффект разрушения в значи­тельной мере зависит от формы твердого тела, которым разру­шают горную породу. Все эти и некоторые другие факторы ока­зывают влияние на объемную работу разрушения. Объемная работа разрушения при динамическом вдавлива­нии в несколько раз выше, чем при статическом. Порода, составляющая поверхность забоя и подлежащая разрушению, находится в условиях неравномерного всесторон­него сжатия, создаваемого давлением столба бурового раствора, заполняющего скважину, и боковым давлением горных пород. Сама поверхность забоя неоднородна и не представляет глад­кую поверхность: отдельные частицы породы возвышаются над общим уровнем поверхности. При действии разрушающего инструмента на породу эти ча­стицы, первыми воспринимают давление и передают его другим соседним частицам. Некоторые из них дробятся, другие выламываются, третьи почти прямолинейно проталкива­ются в направлении движения разрушающего инструмента. При бурении нефтяных и га­зовых скважин основным инстру­ментом, при помощи которого разрушается горная порода, яв­ляется долото. Долото прони­кает в породу и разрушает ее вследствие перемещения: 1) поступательного сверху вниз под действием нагрузки на долото, создаваемой массой нижней части колонны бурильных труб (эта нагрузка называется осевой нагрузкой); 2) вращатель­ного, осуществляемого гидравлическим забойным двигателем, электробуром или ротором посредством бурильных труб. Горная порода разрушается долотом посредством резания, скалывания или дробления. При резании осевая нагрузка дей­ствует непрерывно и ее можно считать статической. В процессе скалывания и дробления приложенное усилие действует на за­бой прерывно, что вызывает дополнительные динамические на­грузки на забой (удары). Резание может осуществляться лопа­стными долотами. Скалывание происходит при использовании лопастных или шарошечных долот. Дробление может осуществ­ляться только шарошечными долотами. Алмазные долота разру­шают породу путем истирания и резания. Наибольшее распространение получили шарошечные долота, которые используют при бурении пород различной твердости (от мягких до самых крепких). Рассмотрим процесс разрушения забоя скважины шарошеч­ным долотом. Работа долот протекает в растворе или газе (в том случае, если в качестве бурового раствора применяется воздух или природный газ), содержащих обломки выбуренной породы. Шарошки долот вращаются вокруг своей оси и вокруг оси вращения бурильных труб (при роторном бурении) или вала гидравлического забойного двигателя (электробура). Вращаясь вокруг своих осей, шарошки попеременно упираются в забой то одним, то двумя зубьями. Иначе говоря, шарошка при своем вращении то поднимается, то опускается, производя при этом частые удары по забою. Благодаря такому характеру пе­ремещения зубья шарошки оказывают на породу не только статическое, но и динамическое воздействие. В зависимости от формы шарошек и положения их осей относительно оси долота происходит или чистое дробление, или дробление со скалыва­нием Вооружение шарошечных долот характеризует коэффициент перекрытия - представляющий собой отношение суммы длины зубьев, одновременно воздействующих на породу, к длине ли­нии контакта шарошки с забоем. Этот коэффициент для различных долот неодинаков и колеблется в пределах: общий ко­эффициент— от 1,10 до 1,7, а для зубьев, расположенных на основных конусах шарошек,— от 0,6 до 0,96. Коэффициент пе­рекрытия для двухлопастных долот равен 2. Интенсивность проскальзывания зубьев для данного шаро­шечного долота оценивают коэффициентом скольжения, кото­рый равен отношению суммы площадей, описываемых за один оборот долота кромками зубьев, скользящих по породе, к пло­щади забоя скважины. В том случае, когда образующие ко­нуса шарошки будут лежать на мгновенной оси вращения и, следовательно, пересекаться на оси долота, коэффициент сколь­жения равен нулю. Во всех других случаях он равен 0,01— 0,15. Буровой раствор, подаваемый на забой скважины через от­верстия в долоте, должен обеспечить очистку шарошек долота, вынос разбуренной породы, охлаждение долота и очистку за­боя, исключающую вторичное дробление породы долотом. Увеличение гидравлической мощности, превращаемой в про­мывочных отверстиях долота в кинематическую энергию струи жидкости, ведет к увеличению проходки на долото и механиче­ской скорости бурения. Гидростатическое давление столба бурового раствора умень­шает механическую скорость бурения, так как оно стремится удерживать частицы породы на первоначальном месте и тем самым помогает породе сопротивляться разрушению.