Физико-механические свойства горных пород

 

Рис. 5.3. Диаграмма разрушения высокопластичных пород

 

 

В результате изучения горных пород путем вдавливания штампа разработана их классификация по твердости для нужд бурения. Все  породы делятся на 12 категорий. В  категориях 1–4 оказались высокопластичные глины и аргиллиты, в 5–8 – пластично-хрупкие алевролиты, песчаники и известняки и в 10–12 – упруго-хрупкие кварциты, кремнистые и изверженные породы. В табл. 25 приведена классификация основных горных пород по твердости.

Таблица 25

Классификация горных пород по твердости  

 

Породы	Категории	Твердость, МПа
Глина, глинистые мергели  и сланцы	1	<100
	2	100–250
Аргиллиты, гипсы, ангидриты	3	250–500
	4	500–1000
Алевролиты, песчаники, известняки, доломиты	5	1000–1500
	6	1500-2000
	7	2000-3000
	8	3000-4000
Кварциты, кремнистые породы	9	4000-5000
	10	5000-6000
	11	6000-7000
	12	>7000

 

 

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.

 

 

 

5.6. 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

Сравнительная характеристика абразивности 

 

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

 

 

                                       

                                                  Проницаемость

            В процессе бурения скважин с промывкой их буровым раствором возникают сложные явления взаимодействия раствора с горными породами на стенках ствола. Это, прежде всего, явления фильтрации, диффузии, теплообмен и капиллярная пропитка. Самым значительным элементом воздействия бурового раствора на породы является фильтрация, которая служит причиной возникновения таких процессов, как поглощения бурового раствора, нефтегазоводопроявлений пластовых флюидов в скважину, кольматация стенок призабойной зоны пласта, суффозия (разрушение) пород в зоне перфорации во время освоения скважины и ее эксплуатации [4]. В результате фильтрации глинистые горные породы при первичном вскрытии пласта набухают и теряют  устойчивость. Все расчеты по добыче нефти и газа основаны на теории фильтрации пластовых флюидов.

В теории фильтрации рассматриваются модели течения флюида, которые связывают  потери напора его при движении в  пористой среде со свойствами и параметрами  флюида. Общепризнанным является линейный закон фильтрации Дарси, в котором скорость фильтрации жидкости в порах породы пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна динамической вязкости. Закон Дарси записывается следующей формулой [4]

                                                                                                     (2.6)

 

где Q – объемный расход жидкости в единицу времени, м³/с;

       - динамическая вязкость жидкости, Па·с;

       F – площадь поперечного сечения пористой среды, м²;

       ΔP – перепад давления, Па;

       L – длина пористой среды, м;

       к_пр – коэффициент проницаемости, м².

Коэффициент фильтрации является количественной мерой  проницаемости, то есть способности  горных пород фильтровать сквозь себя жидкости или газы под воздействием градиента давления. В практике работ обычно применяют размерность коэффициента проницаемости равным (мкм²). В технической системе использовалась размерность в виде «дарси (Д)» и «миллидарси (мД)». Известны следующие виды проницаемости: абсолютная, эффективная и относительная. Абсолютная (физическая) проницаемость представляет собой проницаемость пористой породы для единственной фазы, которая физически и химически инертна к породе. Под эффективной (фазовой) проницаемостью понимают проницаемость при наличии в породе более одной фазы. Как известно, в продуктивных пластах поры могут вмещать как жидкость (нефть, вода), так и газ. Проницаемость любой из этих фаз не будет равна абсолютной проницаемости. Относительная проницаемость это отношение эффективной проницаемости к абсолютной. Существует ряд классификаций горных пород по проницаемости. Наиболее простая классификация разработана Кобрановой В.Н. [2], предложившей разделить породы на проницаемые, полупроницаемые и практически непроницаемые. К проницаемым отнесены грубообломочные осадочные породы, включая галечники и гравий, песчано-алеврито-глинистые  и трещинноватые  и кавернозно-трещинные карбонатные породы с коэффициентом проницаемости к_пр > 10^-2 мкм². Сюда же относят и трещиноватые магматические и метаморфические породы, в которых наблюдаются проницаемые разности. Полупористые породы (10^-4 < к_пр < 10^-2 мкм²) включают менее отсортированные глинистые пески, алевриты и песчаники с пористостью < 10 – 15 %, микротрещиноватые карбонатные породы с субкапиллярными каналами. Практически непроницаемые породы включают глины, аргиллиты, глинистые сланцы, мергели с субкапиллярными каналами, а также сильно сцементированные алевролиты, известняки, песчаники и плотные магматические и метаморфические породы (к_пр < 10^-4 мкм²). Некоторые специалисты к трем описанным типам пород относят еще один. Это породы-экраны нефти и газа с коэффициентом проницаемости к_пр < 10^-6 мкм². Они имеют такую низкую проницаемость, что служат ловушками для мигрирующих по геологическому разрезу скоплением нефти и газа. К ним относятся глины пластичные слабопесчанистые, ангидрит, каменная соль, многолетнемерзлые породы. На проницаемость песчано-алевролитовых пород существенно влияет размер обломков. Чем крупнее обломки, тем больше размер пор и выше проницаемость. В породах, сложенных из неоднородных частиц проницаемость уменьшается по сравнению с породами, состоящих из относительно однородных по размеру обломков. Цемент осадочных горных пород оказывает большое влияние на проницаемость. Занимая пространство между частицами породы цемент перекрывает пути фильтрационных потоков. Рассматривая влияние минерального состава глинистых цементов, необходимо отметить то, что наиболее резко уменьшает проницаемость монтмориллонит. Экспериментально установлено то, что в осадочных породах содержащих 20-25 % карбонатного цемента, проницаемость близка к нулю [3]. Для определения абсолютной проницаемости используется ряд приборов. Все они имеют близкие по составу узлы. Это, прежде всего кернодержатель, в котором находится керн горной породы, проницаемость которого определяют, узлов для замера давлений на входе и выходе кернодержателя, расходомер и механизм для подачи жидкости или газа в кернодержатель [4].

 

 

  

 

 

 

9. Крепость горных пород 

 

Крепость горных пород - общепринятое условное понятие, символизирующее  совокупность механических свойств  горных пород, проявляющихся в различных  технологических процессах при  добыче и переработке полезных ископаемых. Крепость возрастает с увеличением  сил связей между частицами и  отдельностями горных пород и  содержания прочных минералов в  породе и снижается, как правило, при увлажнении (особенно в связных  горных породах). М. М. Протодьяконовым (старшим) первоначально для оценки крепости была предложена классификация, основанная на предположении, что разрушение горных пород происходит в основном путем преодоления прочности пород на сжатие. По этой классификации, получившей затем широкое практическое применение, все разрабатываемые горные породы подразделяются на 10 категорий от f=0,3 для слабых плывучих пород до f=20 для крепких и вязких базальтов, кварцитов и т.п., где f10-3 scж, кгс/см2 (Па). Метод экспериментальной оценки коэффициента крепости, предложенный М. М. Протодьяконовым (младшим), основан на относительной оценке работы, затраченной на дробление горных пород свободнопадающим с высотой 0,6 м грузом массой 2,4 кг (ГОСТ 21153.1-75).

Современные методы разработки полезных ископаемых при  воздействии на породу включают более  целесообразные сжимающие, скалывающие  и растягивающие усилия. При этом крепость для относительной технико-экономической  оценки разрабатываемости принято  классифицировать 5 классами по 5 единиц крепости в каждом (табл.).

Для характеристики крепости в этом случае служит показатель трудности  разрушения пород Пр:

Пр=5•10-2(scж + sp + tcдв) + 5•10-5g, 

где 5•10-2 —  эмпирический коэффициент (МПа-1);

5•10-5 — эмпирический  коэффициент (м3/Н);

scж, sp, tcдв —  соответственно, пределы прочности  на сжатие, растяжение и сдвиг  (МПа);

g — объёмный  вес (Н/м3). 

 

 

 Для целей  нормирования и расчёта машин  и механизмов в практике горного  дела используют частные, преимущественно  ведомственные, критерии: буримость,  взрываемость, экскавируемость, дробимость, измельчаемость горных пород и т.п.

Показатели крепости горных пород представлены на рис. 6.