Физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения, основные закономерности разрушения горных пород.

1.Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на процесс их разрушения при строительстве сква­жин, являются упругость и пластичность, твердость, абразивность и сплошность

1. Складки земной коры:

а — антиклиналь и синклиналь;
6 — сброс и взброс; в — элементы
залегания пластов; 1 — кровля пласта;
2 — подошва пласта

Упругие свойства горных пород. Все горные породы мол воздействием внешних нагрузок претерпевают деформации, исче­зающие после удаления нагрузки или остающиеся. Первые из них называются упругими деформациями, а вторые — пласти­ческими. Большинство породообразующих минералов являются телами упругохрупкими, т. е. они подчиняются закону Гука и разрушаются, когда напряжения достигают предела упругости. При простом растягивании или сжатии упругого тела относительное удлинение или сжатие пропорциональны нормальному напря­жению:

где Е — модуль Юнга; — деформация.

Горные породы относятся к упруго-хрупким телам и подчиня­ются закону Гука только при динамическом приложении нагрузки. Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упру­гости (модуль Юнга) Е и коэффициентом Пуассона ( , где — поперечная деформация; — продольная деформация). Модуль упругости горных пород зависит от их минералогического состава, вида нагружения и величины приложенной нагрузки, структуры, текстуры и глубины залегания пород, состава и строе­ния цементирующего вещества у обломочных пород, степени влаж­ности, песчанистости и карбонатности пород.

Коэффициент Пуассона для большинства пород и минералов находится в пределах 0,2...0,4, и только у кварца он аномально низок — примерно 0,07, что обусловлено особенностями строе­ния его кристаллической решетки.

Пластические свойства горных порол (пластичность). Разруше­нию некоторых горных пород предшествует пластическая дефор­мация, которая начинается при превышении напряжения в по­роде предела 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 поро­ды, содержащие соли. При определенных условиях некоторые горные породы подвержены ползучести. Ползучесть проявляется ч 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 нее (внедрению) породоразрушаюшего инструмента.

В геологии большое распространение имеет шкала твердости минералов Мооса, по которой условную твердость минералов определяют методом царапания. В основу этой шкалы взяты твердости наиболее часто встречающихся и породе минералов, причем менее твердым из них присваиваются меньшие номера:

1 - тальк; 2 - гипс пли каменная соль; 3 - известковый шпат или кальцит; 4 - плавиковый шпат; 5 - апатит; 6 - полевой шпат; 7 - кварц; 8 - топаз; 9 - корунд; 10 - алмаз.

На основании многочисленных исследований Л.А. Шрейнер предложил классификацию горных пород, отличающуюся от шкалы твердости Мооса тем, что она наиболее полно учитывает основ­ные физико-механические свойства горных пород, которые влия­ют на процесс бурения (табл. 1.1).

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 породоразрушающнй 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 недостаточно. На трение существенно влияет 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.Среди горных пород наибольшей абразивностью обладают квар­цевые и полевошпатовые песчаники и алевролиты (сцементирован­ные породы с обломочными зернами размером от 0,01 до 0,1 мм). Разработано несколько классификаций по абразивности горных пород.Сплошность горных пород. Данное понятие предложено для оценки структурного состояния горных пород и их способности передачи внутри породы воздействия, например давления внеш­ней жидкостной или газовой среды. Степень пригодности для такого воздействия определяется внутриструктурными наруше­ниями в породе (трещины, поры, поверхности рыхлого контак­та зерен и т.д.).

Горные породы разрушаются вследствие отрыва (от нормальных на­пряжений) или сдвига, скалывания, среза (от касательных напряжений). При сжатии порода разрушается преимущественно на скалывание, при растяжении – на отрыв. Разрушение горных пород – процесс сложный, и разрушения на скалывание и отрыв сопровождают друг друга.

Процесс разрушения требует времени и происходит постепенно, но с различной скоростью. Разрушение обычно проходит по контактным по­верхностям отдельных минеральных зерен. Продолжительность разруше­ния для одной и той же породы при прочих равных условиях определяется нагрузкой, температурой, активностью среды, напряженным состоянием и т.д.

При бурении скважин разрушение горных пород долотами различного типа может быть поверхностным и объемным. Первый вид разрушения обычно неэффективен – он сводится к дроблению, истиранию, выламыва­нию из массива и проталкиванию в направлении движения инструмента частиц породы. Не вдаваясь в более подробное рассмотрение процесса, связанного с возникновением своеобразного клина из выломанных и пере­двигаемых частиц, создающих распор и способствующих разрушению по­роды, а также механизма их истирания, остановимся на объемном разру­шении горных пород.

Очевидно, разбуривание породы долотом с известным приближением можно рассматривать как процесс вдавливания в породу наконечника (штампа) с плоским и криволинейным основаниями.

Переход от меньшей степени нагрузки на штамп к большей изменяет скорость деформации. При этом различаются три фазы напряженного со­стояния породы под штампом: уплотнение (затухание деформации), пре­дельное равновесие (разрывы и сдвиги) и разрушение.

В первой фазе скорость деформации уменьшается до нуля; в скальных породах при этом деформации являются упругими; в глинистых пластич­ных породах первая фаза – это фаза уплотнения. При разрушении горных пород первая фаза характеризуется поверхностным разрушением.

Во второй фазе скорость деформации не затухает, и при некоторой нагрузке деформация ползучести становится постоянной. Внешним прояв­лением второй фазы деформации, по В.С. Федорову, являются появление скалывания по контуру давления в хрупких породах (появление клинооб­разного углубления) или пластические деформации у пластических пород. При всестороннем сжатии (под штампом сферической формы) порода ха­рактеризуется физико-механической неоднородностью. Любой дефект – вероятный очаг концентрации перенапряжений, вызывающий рост тре­щин.

При увеличении напряжения и росте сети трещин в породе возникают поверхности следующих друг за другом сдвигов, характеризующих дефор­мации. Происходит объемное разрушение породы, причем в реальных гор­ных породах, характеризующихся наличием дефектов, процесс разрушения идет и при нагрузках более низких, чем критические, но медленно. Дли­тельность второй фазы определяется нагрузкой и условиями, в которых происходит процесс разрушения (температура, активность и т.д.).

Третья фаза, по В.С. Федорову, – это фаза прогрессивного роста де­формаций, фаза объемного разрушения. Для скальных пород она длится доли секунды.

Три фазы разрушения составляют полный цикл разрушения горной породы. Ярко выраженный скачкообразный характер наблюдается у хруп­ких прочных пород. У хрупких, но менее прочных пород цикличность по­вторяется, но скачкообразный характер не столь ярко выражен. Мало­прочным породам свойствен еще более плавный характер разрушения. При разрушении пластических глин скачкообразности вообще не наблюдается.

При ударном воздействии горные породы могут разрушаться при на­пряжениях меньше критических, соответствующих пределу прочности. При некотором значении силы порода разрушается после первого удара. Уменьшение силы требует увеличения числа ударов по одной и той же точке. Ниже некоторого значения силы разрушения породы не произойдет при любом числе ударов.

Разрушение породы при циклических напряжениях обусловливается ее усталостью. Число циклов нагружения при напряжениях, близких к пределу усталости, необходимое для разрушения таких пород, как мрамор, известняк, доломит, кварцит, составляет 50–110. Отношение предела уста­лости к прочности для этих пород в зависимости от пластичности колеб­лется в пределах от 1/21 до 1/29.

Установлено, что в процессе вдавливания наконечников разрушение породы наступает при их погружении на 0,10–0,25 мм, а продолжитель­ность цикла разрушения породы составляет около 0,002 с. Таким образом, скальные породы разрушаются без внедрения в них зубцов шарошек. При большей продолжительности контакта зубцов с породой происходит их по­гружение, но не в материнскую породу, а в продукты ее разрушения. Меньшей, но продолжительно действующей силой можно достигнуть боль­шего разрушительного эффекта, чем большей силой, но действующей мгновенно. Следовательно, в реальных условиях при бурении с увеличени­ем частоты вращения долота необходимо увеличивать осевую нагрузку. На эффект разрушения горных пород частота вращения долота оказывает двоякое влияние: эффективность разрушения возрастает, но вместе с тем снижается продолжительность контакта зубцов шарошки с породой, что снижает эффективность разрушения.

При поверхностном разрушении механическая скорость проходки увеличивается пропорционально росту частоты вращения.

Порода разрушается и при действии на нее струи жидкости, которая истекает из отверстий долота, причем следует выполнять следующие усло­вия: поток жидкости должен оказывать на забой давление р;, скорость пе­ремещения струи у относительно плоскости забоя не должна превышать некоторой величины, конкретное значение которой зависит от р1 и прочно­сти породы ,Ксж.

Между этими величинами установлена эмпирическая зависимость р; > > к0Ксж, что справедливо при у = 0,5 м/с (здесь к0 – опытный коэффици­ент, равный 0,25–0,35).

Для конкретных условий бурения максимальная механическая ско­рость проходки будет только при определенном сочетании частоты враще­ния, осевой нагрузки на долото и расхода жидкости. Этот расход – опти­мальный. Рекомендуется подбирать соответствующее сочетание параметров гидромониторной струи, обеспечивающее окончательный отрыв и увлече­ние частиц, преодоление угнетающего их перепада давления, образующе­гося при непрерывном процессе фильтрации жидкости в зону разрушения.

Под буримостью понимают углубление скважины за 1 ч собственно бурения – так называемую механическую скорость проходки ум (м/ч). Эта скорость с течением времени вследствие износа долота экспоненциально уменьшается.

При правильно подобранных режимах бурения, когда обеспечивается объемное разрушение горных пород, механическая скорость изменяется обратно пропорционально твердости. Она зависит также от других свойств (упругости, пластичности и др.).

Если породы определенной группы разбуривают долотами одной и той же модели, одного размера, при постоянных режимах бурения, то по темпу снижения механической скорости проходки можно судить об относитель­ной абразивной способности пород.