Глава 2. Разрушение горных пород при бурении скважин

 

Процесс разрушения горных пород при бурении является сложным диффузным процессом, в котором задействовано большое число факторов технического характера. Подавляющее число факторов имеет стохастическую природу, - это относится как к показателям механических и технических свойств горных пород, так и к режимным параметрам. Многие факторы коррелированны между собой и с различной степенью воздействуют на выходные критерии, такие, как механическая скорость бурения, скорость износа рабочих органов, удаление продуктов разрушения пород и др.

Указанные обстоятельства поэтому существенно затрудняют всестороннюю оценку процесса разрушения горных пород при бурении, требуют оптимального сочетания использования аналитических, экспериментальных и модельных методов. В последние годы в зону практического рассмотрения и решения поставленной проблемы, помимо традиционных методов теории упругости и пластичности, физики твердого тела, технической термодинамики, гидравлики и др., внедряются новые методы, основанные на рассмотрении процессов с позиции системного подхода и системного анализа, триботехники и энтропийного подхода.

Весомый вклад в развитие отдельных разделов теории и практики разрушения горных пород при бурении внесли отечественные исследователи Н.И.Глушков, Н.С. Успенский, Л.А. Шрейнер, В.С. Федоров, Н.Н. Шацов, Е.Ф. Эпштейн, В.В. Царицын, И.А. Остроушко, А.И. Спивак, Е.В. Александров, Р.Н. Шищенко, Б.И. Воздвиженский, В.С. Владиславлев, А.Ф. Алимов, С.С. Сулакшин, А.Ф. Егоров, В.В. Симонов, Р.М. Эйгелес, Д.Н. Башкатов, Б.Н. Кутузов, Б.А. Катанов, В.Б. Соколинский, Л.К. Горшков, Б.В. Байдюк, В.Ф. Чихоткин, Г.А. Блинов и др. Из зарубежных исследователей отметим исследования, выполненные Х. Вутсом, Е. Гале, Х. Фулертоном, Д. Ламусом, В. Мауэром и др. Отметим, что зарубежные исследования, в отличие от отечественных, характеризуются большей практической направленностью, ведущие зарубежные фирмы основное внимание уделяют качеству и более широкой номенклатуре выпускаемой продукции.

В настоящее время в практике бурения главным образом используется механические способы разрушения в комбинации с гидродинамическим воздействием струи бурового раствора на породу. В относительно небольших объемах применяется огневое бурение для сооружения взрывных скважин в крепких породах на карьерах. Физические способы разрушения горных пород при бурении по существу не используются. Взрывное, эрозионное, кавитационное, ультразвуковое, гидродинамическое и другие способы в свое время прошли широкую апробацию как у нас в стране, так и за рубежом. Однако, они оказались неконкурентоспособными с механическим способом и поэтому не получили практического использования.

Разрушение горных пород тесно связано с двумя другими технологическими процессами: удалением продуктов разрушения породы из призабойной зоны и охлаждением рабочих органов породоразрушающих инструментов. Несвоевременное удаление продуктов разрушения породы с забоя не только затрудняет взаимодействие породоразрушающего инструмента со свежей породой забоя, снижая скорость бурения, но и приводит к дополнительному износу инструмента.

Не менее важно охлаждать рабочие органы, не допуская их перегрева. При температурах более 500-600˚С возможно ослабление металла пайки твердого сплава и снижение прочностных характеристик твердого сплава..

Особенно важно поддерживать оптимальный температурный режим при алмазном бурении. Нагрев алмаза до 400-600˚С снижает износостойкость алмаза примерно в два раза. При температуре более 1000-1100˚С возможен переход алмаза в графит и так называемый прижег алмазной коронки.

Основной вклад в создание эффективных породоразрушающих инструментов и технологии их использования в различных условиях внесли отраслевые НИИ и заводы-изготовители: Институт горного дела имени А.А. Скочинского, Всероссийский институт буровой техники, Специальное конструкторское бюро Министерства природных ресурсов, Всероссийский научно-следовательский институт техники разведки, Государственное научно-исследовательское геологическое предприятие в г. Туле (ТулНИГП), Терекский завод алмазного инструмента, Институт сверхтвердых материалов Национальной Академии Наук (г.Киев), Верхне-Сергинский, Волжский, Саратовский и другие долотные заводы.

 

Горные породы

 

Горные породы – природные минеральные образования, состоящие из однородных или разнородных породообразующих минералов, связанных между собою силами молекулярного взаимодействия, цементирующим веществом или несвязанных.

По происхождению все горные породы подразделяются на три основные группы:

· изверженные или магматические (глубинные и излившиеся);

· осадочные (механические, химические, органические осадки);

· метаморфические, образовавшиеся в результате изменения магматических или осадочных пород под действием больших давлений и температур.

Изверженные или магматические породы образовались из расплавленной магмы. При застывании магмы на глубине образовываются интрузивные горные породы, а при застывании на поверхности – эффузивные породы. Наиболее важным минералом в магматических породах является окись кремния (кремнезема) – SiO₂ и окись алюминия (глинозем) Al₂O₃. Содержание кремнезема определяет состав горных пород (табл. 2.1).

 

Таблица 2.1. Содержание кремнезёма в горных породах

 

Группа горных пород	Содержание кремнезема, %	Характерные представители пород
Ультраосновные	Менее 45	Дуниты, пироксиниты, пиродониты, оливины, кимберлиты.
Основные	45 - 52	Габбро, диабазы, базальты и др.
Средние	52 - 65	Сиениты, андезиты, диориты, плагиоклазы и др.
Кислые	Более 65	Граниты, кварцевые порфиры, гранодиориты, пегматиты, риолиты и др.

 

Большое значение имеет генезис горных пород. Например, диориты – глубинные образования, состоящие из плагиоклаза и примесей амфибола, биотита, или пироксена. Андезиты и порфиры являются их излившимися аналогами. Сиениты относятся к глубинным горным породам, а их излившиеся аналоги образуют трахиты и кератофиты.

Кислые породы относятся к глубинным породам (граниты, гранодиориты и др.), а также их излившиеся аналоги: липариты, кварцевые породы, дациты и пегматиты. В этих породах преобладает значительное содержание кремнезема, в незначительном количестве в них присутствует биотит, амфибол и пироксен. В гранодоритах содержание кварца снижается.

Осадочные горные породы образовались в результате переотложения на дне морей, рек или на поверхности Земли продуктов разрушения коренных горных пород.

Обломочные породы – продукт механического разрушения материнских пород.

Глинистые породы состоят из мягких минеральных частиц менее 0,01 мм. Образование этих пород связано с химическим расщеплением магматических горных пород. Главными составными частями этих пород являются кремнезем и глинозем, а наиболее распространенными минералами – гидрослюды, каолинит и монтморилонит.

Сильно уплотненными глинистыми породами являются аргиллиты.

Химические и биохимические горные породы образовались в результате сложных химических и биохимических реакций. К этим породам относятся: алюминиевые – бокситы; фосфатные – фосфориты; кремнистые – железистые; карбонатные – известняки, мергелит, доломиты; голлоидные – галиты; сульфатные – гипс, ангидрит; каустобиолиты – торф, каменные угли, нефть, горючие сланцы, озокерит, газы.

Метаморфические горные породы образовались в результате воздействия огромное давления и высокой температуры на исходную горную породу, а также в результате привноса в исходную породу высокомагматических газов и водных растворов.

Метаморфические горные породы отличаются от исходных магматических и осадочных пород текстурно-структурными свойствами, минералогическим составом, прочностными свойствами и т.д.

Высокая температура обуславливает перекристаллизацию исходной породы, а высокое давление – сланцеватость. В метаморфических породах присутствуют дополнительно специфические минералы: хлориты, тальк, гранит, серицит и др.

Назовем наиболее распространенные метаморфические горные породы:

- глинистые сланцы, образовались при уплотнении глин;

- хлоритовые сланцы, образовались вследствие метаморфизма основных и ультраосновных пород;

- мраморы – продукты метаморфизма известняков;

- зеленые сланцы – продукт метаморфизма основных и ультраосновных пород;

- измененные пески и песчаники называются кварцитами;

- амфиболиты, образуются при метаморфизме средних и основных магматических пород;

- гнейсы – сильно метаморфизованные осадочные породы (парагнейсы) или магматические породы (ортогнейсы);

- роговики – продукт изменения песчано-глинистых пород;

- скарны, возникают при взаимодействии силикатных и карбонатных пород с магматическими растворами.

Все горные породы по степени связности подразделяются на следующие четыре группы:

- скальные;

- связные;

- рыхлые (сыпучие);

- текучие.

Скальные породы обычно характеризуются высокой твердостью. После разрушения молекулярных сил сцепления между минеральными частицами порода разрушается и в дальнейшем не восстанавливается.

Скальные породы могут содержать кварц и поэтому характеризуются большей твердостью и абразивностью. Скальные породы могут быть монолитными и трещиноватыми. Стенки скважин, пройденных в монолитных скальных породах, устойчивы, в то время как в сильно трещиноватых породах требуют закрепления.

Связные породы (глины, суглинки, мел, бокситы) состоят из глинистых минералов или частиц обломочных пород, связанных преимущественно глинистыми минералами.

Связные породы (глины, суглинки, мел, бокситы) состоят из глинистых минералов или частиц обломочных пород, связанных преимущественно глинистыми минералами.

Рыхлые (сыпучие) породы состоят из несвязанных между собой частиц различного размера и формы (пески, гравий, галька, валуны, щебень). Стенки скважин, пройденных в таких породах, неустойчивы и требуют закрепления.

Плывучие породы (плывуны) состоят из водо-насыщенных песчано-глинистых пород (песок, супеси). Отличительной особенностью данных пород является их способность расплываться; под влиянием горного давления они способны подниматься по стволу скважины.

Горные породы могут находиться в сезонно-мерзлом и многолетнемерзлом состоянии. В восточных и северных районах России мощности мерзлых пород измеряются сотнями метров, а температура достигает – 7 - 12˚С. Обломочные водо-насыщенные рыхлые и слабоцементированные горные породы при замерзании и оттаивании резко изменяют свои свойства: при замерзании цементируются льдом и отличаются относительно высокой прочностью (σ_сж<2,5 МПА) и непроницаемостью. При оттаивании порода переходит в состояние увлажнения. Прочность песчано-глинистых мерзлых пород выше, чем не мерзлых.

Структура горных пород – внутреннее строение породы, определяемое группой признаков:

формой и размером зерен;

взаимным соотношением породообразующих минералов и цемента осадочных пород.

Главнейшими структурами являются: полнокристаллическая или зернистая (гранит), порфировая или неравномерно зернистая (порфирит), стекловатая, обломочная (песчаник).

Зернистость является одним из важнейших признаков структуры пород и определяется размером зерен. Магматические породы подразделяются на грубозернистые с размером зерен более 10 мм, среднезернистые от 2 до 5 мм, мелкозернистые от 0,25 до 2 мм, микрозернистые с размером зерен менее 0,25 мм.

При одном и том же минералогическом составе мелкозернистые породы более прочны, чем крупнозернистые.

Текстура (сплетение лат.) - характеризуется пространственным расположением составных частей породы и их ориентировкой.

Главнейшими текстурами являются:

- массивная, характерная для магматических пород, когда минералы расположены в породе хаотично;

- слоистая, характерная для осадочных пород;

- сланцевая, характерная для метаморфических пород.

Различают первичную сланцеватость, когда поверхность минералов совпадает с направлением основной слоистости. Вторичная сланцеватость с боковым давлением горных пород, вследствие чего порода растрескивается на пластины, не совпадающие с направлением первичной сланцеватости.