Способность горных пород

В начале мы уже отмечали основные факторы, влияющие на абразивный износ, т. е. на абразивную способность горных пород.

К основным факторам, влияющим на абразивность горных пород, относятся такие свойства горных пород, как их строение, минералогический состав, форма поверхности, ее характер, механические свойства изнашиваемых материалов, окружающая среда, давление соприкасающихся материалов, скорость скольжения, условия охлаждения и другие.

В практической деятельности при бурении скважин наиболее часто приходится решать вопросы, связанные с абразивностью горных пород, как кристаллические, обломочные, а также вопросы абразивности штамма, т. е. раздробленной породы при бурении. Поэтому, в первую очередь, представляют интерес в этом плане именно эти категории горных пород.

Установлено, например, что абразивность кристаллических горных пород по отношению к закаленным сталям прямо пропорциональна микротвердости минералов, из которых состоит горная порода, т. е. с увеличением твердости минералов, входящих в состав данной породы, увеличивается ее абразивная способность.

Зависимость износа твердых сплавов ВК6, ВК15 идентична. Разница лишь в том, что абсолютная величина износа этих материалов меньше, чем для закаленной стали.

Сульфатные породы, такие, как гипс, барит, обладают меньшей абразивной способностью. Далее, по мере возрастания абразивной способности, кристаллические породы можно распределить следующим образом: карбонатные породы (известняки, доломиты), кремнистые (халцедон, кремний), железисто - магнезиальные полевые шпаты, кварц и кварциты.

Полиминеральные кристаллические породы по абразивным свойствам оцениваются по средней абразивности всех минералов, входящих в данную породу. Следует отметить, что при разбуривании таких пород возникает дополнительная шероховатость, которая способствует увеличению абразивности, а, следовательно, и более быстрому износу породоразрушающего инструмента в случае низких механических свойств материала этого инструмента.

Оценка абразивных свойств горных пород по износу металлаявляется определяющей, т. к. такая оценка характеризует стойкость вооружения буровых долот. Процесс бурения, как правило, ведется в присутствии бурового раствора. В качестве промывочной жидкости может быть использована и техническая вода. Поэтому представляет интерес износ горной породы в присутствии воды (см.рис.43).

На этом графике приведена зависимость относительного износа от микротвердости минералов и кристаллических горных пород при взаимном износе и охлаждении водой При рассмотрении вопроса абразивного износа может быть два случая:

Рис.43

1. Если величина микротвердости породы (Р_м) меньше микротвердости изнашиваемой стали (Р_ст) и равна примерно половине ее, то относительный износ можно определить по формуле .

2. Если величина микротвердости горной породы (Р_м) равна больше половины микротвердости изнашиваемого металла ,то величину относительного износа можно определить по следующей зависимости:

или ,

где w₀₁ и w₀₂ - относительный износ для первого и второго случая;

Р_м - микротвердость минералов и кристаллических горных пород, в кг/мм²( 10⁷ Н/м²);

Р_ст - микротвердость изнашиваемого металла в кг/мм² (10⁷ Н/м²),

К₁ и К₂ - коэффициенты пропорциональности, зависящие от твердости изнашиваемого металла;

С - коэффициент, равный 0,5-0,6.

Поверхностный слой поликристаллических тел, металлических и не металлических, характеризуется пониженными механическими свойствами. Кристаллы, образующие поверхностный слой, находятся в полусвободном состоянии, так как они не окружены со всех сторон другими кристаллами, подобно залегающим более глубоко под поверхностью. Существование ослабленного поверхностного слоя оказывает, по-видимому, основное влияние на характер износа, происходящего при взаимном истирании двух тел.

На графике можно различить две области. Первая область(1) характерна тем, что здесь твердость минералов и пород меньше микротвердости изнашиваемых ими сталей и твердых сплавов. В этой области происходит интенсивный износ минералов и пород. Такой износ характерен для гипса, мрамора, доломита и др.

Вторая область(II) характеризуется тем, что здесь твердость минералов и пород почти равна или больше твердости изнашиваемых сталей и сплавов.

Разрушение пород, относящихся к этой области, с увеличением их твердости становится более трудным. Наблюдается значительный износ стали. Такой износ может наблюдаться при бурении полевых шпатов, кварца и других горных пород.

На основании этого можно сделать вывод, что величина абразивного износа зависит от соотношения твердости горной породы и твердости изнашиваемого металла (сталь, твердый сплав). Зависимость между этими величинами прямо пропорциональная.

По оценке абразивных свойств обломочных горных породв качестве основной механической характеристики необходимо принимать твердость по штампу, которая определяет прочность связи между отдельными обломками, т. е. прочность цементирующего вещества, т. к. прочность этих горных пород зависит от прочности и структуры цементирующего вещества. У малопрочных обломочных пород абразивность более высокая за счет постоянной смены поверхности.

Например, по отношению к закаленным сталям абразивность обломочных кварцевых пород с небольшой твердостью по штампу во много раз больше, чем, например, кварцитов, которые считаются высоко абразивными горными породами.

Как мы уже знаем, горные породы состоят из зерен различной формы и различных размеров. (Какое влияние оказывают эти факторы на абразивные свойства этих пород?).

Как правило, для одного и того же материала с увеличением размера зерен увеличивается и абразивный эффект. На этом факте основаны все процессы поверхностной обработки.

При жидко-абразивной обработке металлов износ металла также увеличивается по мере увеличения размеров зерен, хотя иногда бывает и наоборот.

Форма зеренабразива существенно влияет на износ металлов лишь в том случае, когда твердость зерна горной породы выше твердости изнашиваемой поверхности металла.