Глава 4. Физико-механические свойства горных пород
Одним из основных объектов внимания, то, с чем сталкивается персонал при строительстве скважины, это горные породы, знание свойств горной породы позволяет правильно оценивать текущую обстановку, прогнозировать подбор и поведение долота в тех или иных случаях.
§ 13. Понятия о горной породе
Горными породами называются плотные или рыхлые агрегаты, слагающие земную кору. Горные породы состоят из зерен, кристаллов, обломков различных минералов, а также вещества, связывающего (цементирующего) эти частицы и поры. Во многих породах содержится вода, которая оказывает влияние на взаимосвязь минеральных частиц. Основными породообразующими минералами являются: группа кварцевых (кварц, кремень, халцедон и др.), силикаты (полевые шпаты, амфиболы, пироксены и др.), карбонаты (кальцит, доломит), гидрофильные землистые (каолинит, монтмореллонит и др.) и водорастворимые (гипс, галит и др.). [9] Горные породы по происхождению делятся на:
1) Магматические;
2) Осадочные;
3) Метаморфические.
Магматические породы образуются в результате охлаждения и затвердевания магмы. В зависимости от места ее затвердевания они делятся на интрузивные (извегшиеся); эффузивные (изменившиеся). К первым относятся: гранит, сидерит, диорит, габбро; ко вторым – диабаз, андезит, базальт и др.
Осадочные горные породы образуются в результате разрушения земной коры (воздействия воды, ветра, солнца), к ним относятся: песчаники, сланцы, известняки, торф, уголь, каменная соль и др. При бурении на нефть и газ наиболее часто встречаются породы, состоящие из следующих минералов: глинистых, сульфатных, карбонатных.
Метаморфические породы образуются в результате изменения внутреннего строения, химического состава и физических свойств под влиянием высокой температуры и давления (кварциты, мрамор, слюдяные сланцы и др.).
С происхождением пород связаны их петрографические свойства, в том числе структура (строение) и текстура (сложение).
Под структурой понимают особенности строения, обусловленные формой, размерами и способом сочетания зерен. Различают кристаллическо – зернистую и обломочную структуры. Под текстурой понимают расположение и распределение различных по структуре минеральных агрегатов. Различают:
• Массивную;
• Слоистую;
• Сланцевую;
• Полосчатую и др. текстуры.
Основной признак текстуры – слоистость, в некоторых породах она выражена сетчатостью. По строению горные породы подразделяются на кристаллические, аморфные, обломочные. Кристаллическими могут быть осадочные и магматические породы. Осадочные кристаллические породы образуются в результате выпадения солей из водных растворов или в результате химических процессов, происходящих в земной коре. К ним относятся: соль, гипс, ангидрид, известняки, мел, доломиты и органогенные породы. Горные породы аморфного состояния встречаются реже. К ним относятся естественные стекла – обсидианы, кремни. Важную группу составляют обломочные породы, которые образуются в результате выветривания, переноса под действием воды или ветра. Горные породы могут быть однородными, неоднородными, изотропными, анизотропными. Однородные имеют одинаковые свойства во всех точках, неоднородные – разные. Горные породы неоднородные – полиминеральны, в основном. Изотропные породы обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях, анизотропные – неодинаковые. [9]
В механике горных пород по характеру связи между частицами породы разделяются на три основные группы:
1) скальные;
2) нескальные;
3) сыпучие.
У прочных пород частицы связаны цементирующим материалом, у нескальных – частицы связаны коллоидными пленками. Сыпучие – между собой не связаны. [9]
Под механикой горных пород, применительно к процессам строительства скважин, может пониматься:
• Во-первых, основные положения механики разрушения горных пород, использование которых обеспечивает эффективное разрушение горных пород при минимуме затрат времени и материальных средств;
• Во-вторых, ее законы в целях сохранения устойчивости уже сформированного или формирующегося ствола скважины. [9]
1. Механическими свойствами называется способность горных пород реагировать на внешние воздействия изменением размеров, формы и целостности.
2. Деформацией называется способность горных пород изменять без разрушения свою форму и размеры в результате направленного на них силового воздействия.
3. Прочностью называется способность горных пород воспринимать силовые воздействия без разрушения.
4. Упругостью (релаксацией) называется способность горных пород восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействия.
5. Пластичностью называется способность горных пород изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и сохранять остаточные деформации после устранения воздействия.
Горные породы при нагружении, могут характеризоваться одновременно всеми вышеперечисленными свойствами. Но в основном ведут себя как упруго-хрупкие тела, когда напряжения достигают предел упругости, следуют закону Гука, но связь между напряжением и деформацией сложна. [9]
Упругое поведение тел, в том числе горных пород, может быть охарактеризовано модулем Юнга (Е), коэффициентом Пуассона (μ) или модулем сдвига (G):
Е = 2G(1 + μ) (3.3.)
где:
Е – 107 н/м2 , G – 107 н/м2 ;
Породы одного и того же минералогического состава по разной степени уплотненности имеют разные модули упругости, с увеличением напряжения модуль упругости возрастает, следовательно, с увеличением глубины увеличивается горное давление, увеличивается модуль упругости. На модуль упругости значительно влияет минералогический состав, структура, текстура, условия залегания, природа вещества, заполняющая поровое пространство, температура, при увеличении которой многие минералы ведут себя как вязкоупругие тела.
По твердости горные породы можно разделить на пять групп: 1 – мягкие; 2 – средние; 3 – твердые; 4 – крепкие; 5 – очень крепкие.
По пластичности разделяются на 6 групп: 1 – хрупкие горные породы; 2–5 – малопластичные, среднепластичные, пластичные.
Графически процесс нагружения горной породы можно показать на графике, Рис. 4.1.
Рис. 4.1. Процесс нагружения горной породы
ρо = Ро/ Sш кгс/мм2 (3.2)
где:
• ро – твердость по штампу, вдавливаемого в породу;
• Ро – нагрузка, при которой начинается пластическое течение, кгс;
• Точка А – начало разрушения образца горной породы;
• Sш – площадь штампа, мм2.
Абразивная способность горных пород – это способность изнашивать разрушающий их инструмент. Главная причина абразивного износа твердых тел – неровности на соприкасающихся поверхностях. Поверхности касаются только в точках контакта. В общем случае абразивный износ – процесс очень сложный. В одних участках обеспечивается механическое сцепление, в других – молекулярное сцепление. Коэффициент трения о породу тем больше, чем выше ее твердость при одинаковом минералогическом составе. При сухой породе трение выше, смоченной – ниже. Повышение температуры выше 200 °C повышает коэффициент трения. [9]
Горные породы разрушаются вследствие отрыва или сдвига, скалывания, среза. При сжатии порода разрушается преимущественно на скалывание, при растяжении – на разрыв. Разрушение горных пород процесс очень сложный и разрушение на скалывание и отрыв сопровождают друг друга. Процесс разрушения происходит по-разному: в одном случае требует времени, в твердых породах разрушение истиранием или раздавливанием; в другом – с большой скоростью, где разрушение происходит резанием в мягких породах. Продолжительность разрушения для одной и той же породы при прочих равных условиях определяется величиной нагрузки, температурой, активностью среды, напряженным состоянием пород.
Наибольшая эффективность при разрушении горных пород достигается оптимальном сочетанием нагрузки на долото, числом оборотов, параметров промывочной жидкости.
В соответствии с вышеизложенным можно прийти к выводу, что для различных пород, имеющих разные физико-механические свойства, необходимо применять разные способы разрушения. Это дробление, скалывание, резание, истирание, комбинирование. Это достигается применением различных типов долот и конструкций долот. Эффективность работы долота (применимо к мягким или разрушенным породам) повышается также за счет увеличения скорости истечения струи (~ 110 л/с) из насадок долота, использования асимметричной промывки (неравномерное омывание забоя), увеличения мгновенной фильтрации бурового раствора, вызывающая проникновение фильтрата между зернами и трещинами пород слагающих забой. При этом увеличение числа оборотов оказывает отрицательное воздействие на скорость углубления за счет уменьшения времени контакта зуба с породой. Эффективность работы долота так же улучшается, если вибрациям, возникающими в процессе работы управлять или их устранять.