Механические и технологические свойства горных пород

 

Пористость пород - характеризует суммарный объем пустот (каверн, трещин, пор), содержащихся в горной породе, и выраженный в долях единицы или в процентах от общего объема породы.

Коэффициент пористости К_п - отношение объема пор V_пор к общему объему породы, выраженное в процентах

                                                ,                                      (2.1)

где V_ск ~ объем твердого скелета породы.            

Пористость ослабляет прочность горных пород. Осадочные породы обладают повышенной пористостью, например, в песках К_п достигает 50 - 55 %, в известняках 40 - 45 %.

С увеличением глубины залегания пористость пород уменьшается.

Трещиноватость горных пород главным образом связана с геодинамическими процессами. Различают открытую и закрытую трещиноватость. В последнем случае трещина заполнена песчано-глинистым материалом, кальцитом и т.д. Интенсивность трещиноватости определяется размерами трещин и их числом, отнесенных к единице площади.

Гранулометрический состав породы характеризуется количественным содержанием разных по размеру зерен (в % для каждой фракции). Гранулометрический состав породы определяет ее пористость, проницаемость и капиллярные свойства.

Гранулометрический состав обломочных горных пород приведен в табл. 2.2

 

Таблица 2.2. Гранулометрический состав обломочных горных пород.

 

Порода	Размер обломков, мм	Порода	Размер обломков, мм
Валуны	500-100	Песок:
Галька (щебень):		крупный	2-0.5
крупная	100-50	средний	0.5-0.25
средняя	50-25	мелкий	0.25-0.1
мелкая	25-10	тонкий	0.1 -0.05
Гравий:		Алеврит	0.25-0.05
крупный	10-5	Глина	0-0.005
мелкий	5-2

 

Пористость и трещиноватость горных пород определяют способность пропускать через себя пластовые флюиды (жидкость, газ, ГЖС) под действием градиента давления. Большинство осадочных пород, кроме глин, аргиллитов, каменной соли, проницаемы.

Коэффициент проницаемости К_пр оценивается в м²:

                                                       ,                                         (2.2)

где μ -динамическая вязкость, Па-с; l — длина образца, м; Q - объемный расход жидкости, P₁, P₂ - соответственно, давления на входе в образец и на выходе, Па; S- площадь фильтрации.

В практике проницаемость обычно измеряется в дарси (Д), 1м² = 10¹² Д.

Проницаемость нефтяных и газовых коллекторов изменяется от нескольких мД до 3÷4 Д.

В гидрогеологии единицей измерения проницаемости считается коэффициент фильтрации К_ф (м/сутки). Связь между коэффициентом проницаемости и коэффициентом фильтрации:

                                                 ,                                            (2.3)

где γ_ж -удельный вес жидкости.

Для воды, находящейся при температуре 26-27°С, значение К_пр и К_ф равны.

Значения коэффициента фильтрации для различных коллекторов колеблется в широких пределах (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Коэффициенты фильтрации горных пород.

 

Горная порода	Кф (м/сутки)	Горная порода	Кф (м/сутки)
Песок:		Гравий	31-70
пылеватый	0.5-0.1	Галечник:
мелкозернистый	2-5	мелкий	71-300
среднезернистый	6-15	средний	301 -400
крупнозернистый	16-30	крупный	400 - 500
		Известняк трещиноватый	20-60

 

Плотность - отношение массы m тела к его объему V

,                                                                                                               (2.4)

Удельный вес - отношение веса G (сила тяжести) к его объему V:

,                                                                                                                (2.5)

В международной системе единиц удельный вес выражают в Ньютонах на кубический метр (Н/м³)

,                                                                                                              (2.6)

Плотность горных пород обычно измеряется в (кг/м³) и варьирует в пределах от 2200 до 3000 кг/м³: 

Значения ρ (кг/м)³ некоторых пород приведены ниже:

Алевролит                 2650 - 2730

Ангидрид                 2300 - 2400

Гипс                             2200 - 2300

Глинистые сланцы       2800 - 3000

Глины                                   2620 - 2750

Известняк                 2700 - 2740

Пески                             2640 - 2680

Песчаники                      2600 - 2880

Кремень                    2460 - 2750

Плотность и удельный вес горной породы существенным образом определяют показатели буримости и горное давление.

 

Прочность и крепость горных пород обычно оценивается показателем прочности при разрушении образцов по схеме одноосного сжатия – σ_сж.

Испытания проводятся на гидравлических прессах. Образцы горных пород выпиливаются в строго определенных размерах; поверхности, по которым происходит вертикальное нагружение, шлифуются.

                                     ,                                                               (2.7)

где Р_max - вертикальная нагрузка, при которой происходит разрушение образца; S - площадь сечения образца.

Значения σ_сж (МПа) некоторых пород приведены ниже:

Весьма крепкие и вязкие кварциты                 294 - 490

Крепкие базальты, мелкозернистые граниты       235

Крепкие граниты, диабазы, диориты                    216

Базальты, порфиры, амфиболиты                              196

Гнейсы, сиениты, порфириты                               177

Песчаники, известняки, сланцы                        118 - 137

Мраморы, доломиты, известняки, сидериты        98

Известняки, песчаники                                           78.5

Гнейсы                                                                        49

Песчаные сланцы                                                       39

Каменная соль                                                        20 - 40

Каменный уголь                                                         20

Прочность на одноосное сжатие неполно определяет прочностные свойства горных пород, особенно для условий их глубокого залегания, когда порода находится в режиме трехстороннего сжатия.

Прочность горных пород в условиях трехосного сжатия выше, чем прочность, определяемая в условиях одноосного сжатия. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании режимов разрушения горных пород, при бурении, особенно в глубоких скважинах.

Горные породы значительно легче разрушаются при деформациях изгиба, скалывания и растяжения. Относительная прочность пород к различным видам деформации приведена в табл. 2.4

 

Таблица 2.4. Относительная прочность пород

 

 

Горные породы	Относительная прочность пород при деформации
	Одноосного сжатия	Растяжения	Изгиба	Скола, сдвига
Известняк	1	0.04 - 0.10	0.08 - 0.10	0.09
Песчаник	1	0.02 - 0.05	0.06 - 0.2	0.1 - 0.12
Гранит	1	0.02 - 0.04	0.08	0.15

 

Наибольшее сопротивление породы оказывают сжатию. Предел прочности скола или сдвига у большинства скальных пород составляет около 10% от предела прочности на одноосное сжатие. Поэтому в скальных породах целесообразно использовать динамические способы разрушения и соответствующие типы породоразрушающих инструментов.

Горное давление (геостатическое) от выше залегающих пород передается не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении

,                                                                  (2.8)

где σ_X,Y - горизонтальная составляющая горного давления; σ_Z - вертикальное горное давление; ξ - коэффициент бокового распора.

В крепких горных породах ξ =0.9 - 0.7, в глинистых породах ξ =0.3 - 0.2, в водонасыщенных песках ξ =1.

Для упруго-хрупких горных пород имеется теоретическая зависимость:

,                                                                             (2.9)

где μ - коэффициент Пуассона.

Показатель ξ определяет устойчивость горных пород, слагающих стенки скважин, против осыпей и обрушения.

М. М. Протодьяконов ввел показатель - коэффициент крепости пород f:

                                                                              (2.10)

Под крепостью горных пород понимается ее сопротивляемость внешним усилиям при сжатии, сдвиге, изгибе и растяжении.

В отличие от прочности, определяемой при различном виде деформации (сжатие, растяжение, сдвиг), крепость породы характеризует сопротивляемость породы под действием комбинации нескольких видов деформации.

Для супесей, суглинков и глин f ≈ 1.

Коэффициент f используется для сравнительной оценки крепости горных пород, сопротивляемости разрушению и для характеристики устойчивости горных пород против их обрушения.

Твердость - способность породы сопротивляться вдавливанию в нее другого более прочного тела (индентора). Твердость характеризует прочность породы на вдавливание, и зависит от состава и размеров минеральных зерен, состава цементирующего вещества, пористости, влажности, температуры, горного давления и др.

Параметр твердости достаточно полно характеризует процесс внедрения рабочих органов породоразрушающего инструмента в горную породу, вслед за внедрением или одновременно с ним происходит скалывание породы; сколоть породу после внедрения резца или алмаза легче, поэтому твердость породы при бурении является главным параметром прочности.

Твердость определяется на специальной лабораторной установке (рис. 2.1), в качестве вдавливающего элемента используется металлический пуансон (штамп).

Рис. 2.1. Схема установки для определения механических свойств горных пород вдавливанием пуансона

 

1 – манометры образцовые;

2 – стрелочный индикатор;

3 – траверса гидравлического пресса;

4 – колонка; 5 – оправа индикатора;

 6 – упор; 7 – пуансон; 8 – образец породы; 9 – стол поршня гидравлического пресса; 10 – манжета; 11 – цилиндр гидравлического пресса; 12 – стержень направляющий;

13 – манометр технический;

14 – компенсатор давления;

15 – регулировочный кран; 1

6 – спускной кран; 117 – запорный кран.

 

 

Цена деления манометра зависит от предельного давления в гидравлической системе. Например, для предельного давления 6 МПа, цена одного деления равна:

                                          

 Для площади нижнего торца индентора, имеющего площадь S = 26.4 мм² цена одного деления манометра в единицах силы равна:

                                  

Гидравлический пресс развивает максимальное давление Р, равное:

,                                                           (2.11)

где n - число делений;

Р₀ – цена одного деления.

Твердость горной породы по методу вдавливания пуансона - предел прочности породы на вдавливание, равна:

,                 [Па]                                          (2.12)

    где Р_max - нагрузка в момент разрушения породы под пуасоном, Н;

S – площадь сечения пуансона, м².

Между твердостью по штампу и пределом прочности на одноосное сжатие имеется устойчивая корреляционная связь, причем определяемая прочность на одноосное сжатие ниже, чем параметр твердости.

Например, для гранита предел прочности на одноосное сжатие σ_сж=200 МПа, в то время, как твердость Р_ш=6000 МПа. Для скальных пород между твердостью и пределом текучести σ_Т установлена следующая зависимость:

,                                                              (2.13)

Горные породы по твердости разделены Л.А. Шрейнером на три группы и двенадцать категорий (табл. 2.5).

 

Таблица 2.5. Твёрдость горных пород по штампу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Группа пород	Категория	Рш, МПа	σт, МПа
I Мягкие	I	<100	<40
	II	100-250	40-110
	III	250-500	110-250
	IV	500-1000	250-550
II Средней твердости	V	1000-1500	550-850
	VI	1500-2000	850-1200
	VII	2000 - 3000	1200-1900
	VIII	3000-4000	1900-2500
III Твердые	IX	4000 - 5000	2500-3500
	10	5000-6000	3500-4200
	XI	6000 - 7000	4200-5100
	XII	>7000	>5100

 

Примечание:

I группа - высокопластичные и сильнопористые породы (глины, аргиллиты, пористые разновидности алевролитов, суглинков, известняков, песчаников, мел).

II группа - преимущественно пластично-хрупкие породы (алевролиты, известняки,    ангидриты, доломиты, песчаники).

III группа - преимущественно хрупкие, изверженные и метаморфические породы (кремни, кварциты, граниты, окремнелые известняки и доломиты, яшмы, диабазы, сиениты).

 

Исследования выполненные Л. А. Шрейнером, показали, что при увеличении площади штампа от 1 мм² до 3 мм², определяемая прочность уменьшается примерно на 5%, а для штампа площадью 10 мм², на 10-12%. На основании этого сделан вывод о том, что введение поправки на масштабный фактор при измерении твердости породы необязательно. Из-за неравномерной структуры, анизотропии и других свойств пород между твердостью Р_ш и сопротивлением на одноосное сжатие σ_сж существует связь:

 

                                                                                              (2.14)

 

ВНИИБТ предложен метод определения твердости горных пород (керна, шлама) - ТТА. Твердость Т определяется усилием, с которым надо прижать к породе торец игольчатого индентора, чтобы при его сдвигании в породе образовался след шириной не менее диаметра индентора (0.6мм).

Прибор TTA-I (рис.2.2) состоит из двух отдельных динамометров (10 и 14). В нижний торец вертикального динамометра запрессован стальной упорный стержень, в качестве индентора используется стальная игла диаметром 0.6 мм. Вертикальное усилие на пластину 7 передается на пружину 8. Отчет нагрузки осуществляется по шкале корпуса 10 и фиксатора 9.

 

Рис. 2.2. Схема определения теста на твердость и абразивность

1 – порода; 2 – игольчатый видентер; 3 – направляющая втулка; 4 – стержень стальной; 5,7 – пластины упорные; 6 – вилка; 8 – пружина; 9 – фиксатор; 10, 14 – пружинные динамометры; 11 – шламодержатель; 12 – три шламники породы; 13 – стеклянная пластина

 

Испытания на твердость производятся не менее чем на шести шламинках, которые отбираются из бурового шлама в процессе бурения.

По классификации ВНИИБТ все горные породы по показателю твердости подразделяются на двенадцать категорий.

Деформационные свойства горных пород - свойства пород изменять свою форму под действием внешних нагрузок. Главными деформационными свойствами горных пород являются упругость и пластичность.

Упругость и пластичность горных пород изучается на гидравлическом прессе. Для чего дополнительно на упоре 6 с помощью оправы 5 закрепляется прибор - стрелочный индикатор 2, фиксирующий деформацию породы при вдавливании в нее пуансона (рис 2.1).

В начале опыта стрелку индикатора устанавливают на нуль шкалы путем поворота циферблата. Включением насоса стол 9 и образец 8 поднимаются вверх, пуансон 7 вдавливается в породу, мерительный стержень перемещает стрелку индикатора. Нагрузку на индикатор увеличивают до момента хрупкого разру­шения породы. По результатам опыта строятся графики деформации (рис. 2.3).

 

 

Рис. 2.3. График деформации при вдавливании пуансона

а – для упруго-хрупких пород (кварцит); б – для упруго-пластичных пород (мрамор); в – для высокопластичных пород (каменная соль); Р – нагрузка на пуансон; Ро – нагрузка, соответствующая переходу упругих деформаций в пластические; Рmax – нагрузка, соответствующая хрупкому разрушению породы под пуансоном; δ – упругая деформация, образовавшаяся под действием силы Р в образце породы под пуансоном; dδ – приращение деформации; δуп – упругая деформация; δпл – пластическая деформация; δп.уп. – полная упругая деформация с учетом накопления дополнительной упругой энергии в пластической зоне; δоб = δуп + δпл – общая деформация; α – деформационный угол

 

Приборы УГМП-3 и УГМП-4 позволяют автоматически вычерчивать на бумажной ленте кривую зависимости деформации породы от нагрузки.

Все горные породы, за исключением рыхлых и плывучих, в зависимости от их деформационных свойств подразделяются на три класса:

- Упруго-хрупкие породы (гранит, джеспилит, сиенит, кварцит и др.). В этих породах происходят только упругие деформации, завершающиеся хрупким разрушением породы под пуансоном. Пуансон внедряется на величину δ под действием осевой нагрузки Р_max после чего происходит хрупкое разрушение породы на глубину h (рис. 2.4, а). Лунка разрушения существенно больше глубины погружения пуансона в породу, h: δ > 5.

- Упруго-пластичные породы (известняк, мрамор, песчаник, и др.). Эти
породы характеризуются тем, что вначале происходят упругие деформации, а

затем пластические деформации, завершающиеся разрушением породы под пуансоном. При этом h: δ= 2.5-5. (рис. 2.4, б).

- Высокопластичные породы (каменная соль, глина и др.) и сильнопористые породы (пемза, пористый мрамор и др.) отличаются от двух предыдущих классов тем, что при вдавливании пуансона не происходит хрупкого     разрушения (рис. 2.4,в).

Рис. 2.4. Зоны контакта и лунки разрушения при вдавливании пуансона

а – для упруго-хрупких пород; б – для упруго-пластичных пород; в – для высокопластичных и сильнопористых пород; δ – наибольшая деформация породы; h – глубина лунки разрушения

Деформационным углом α называется угол между линией АО и горизонтальной осью деформации Оδ.     

Для различных горных пород деформационные углы могут быть существенно отличны, в то время как их твердость одинакова (рис. 2.5). Следовательно, два образца горных пород при равной твердости могут иметь различные упругие свойства.

Рис. 2.5. График деформации пород равной твердости, но имеющая разную жесткость

α₁ и α₂ - деформационные углы;  и  - упругая деформация

 

Жесткостью породы G называется отношение нагрузки Р, действующей на пуансон при его вдавливании, к величине деформации породы δ

,              (2.15)

 

B.C. Владиславлев величину G назвал жесткостью пары: пуансон - горная порода.

 

Упругость горных пород - способность пород под действием внешних сил изменять и полностью восстанавливать первоначальную форму и объем после снятия нагрузки. Такие деформации называются обратимыми. Упругие свойства принято оценивать модулем продольной упругости Е.  

 

                .                                                                          (2.16)

 

 

где ε - относительная деформация; σ - нормальное напряжение при растяжении или сжатии;  - абсолютная деформация (удлинение, укорочение);  - первоначальный размер (длина, ширина, высота).

 

Модуль упругости по методу Л.А. Шрейнера может быть вычислен по формуле:

(2.17)

 

где Р - нагрузка на экспериментальной кривой, соответствующая упругой деформа­ции; d_ш - диаметр штампа; ε - упругая деформация породы при данной нагрузке.

Модуль упругости Е характеризует способность материала сопротивляться упругой деформации при растяжении; чем больше деформация, там меньше Е. Для стали  Н/см², для горных пород Н/см².

Коэффициент Пуассона при растяжении представляет отношение:

            (2.18)

При сжатии:

        (2.19)

Коэффициент Пуассона для стали μ = 0.25 ÷ 0.33, для каучука μ = 0.47, для горных пород μ = 0.1÷0.45(табл.2.5).

 

Таблица 2.5. Коэффициент Пуассона горных пород

 

 

Горные породы	Коэффициент Пуассона, µ	Горные породы	Коэффициент Пуассона, µ
Глинистые сланцы	0.1-0.2	Известняк	0.28-0.33
Глины плотные	0.25-0.35	Песчаник	0.30-0.35
Граниты	0.26-0.29	Каменная соль	0.44

 

Чем выше упругие свойства горных пород, тем больше сопротивление она оказывает породоразрушающему инструменту при бурении.

Пластические свойства характеризуются тем, что деформации растут при постоянной нагрузке, а после снятия нагрузки в породе остаются остаточные деформации.

В упруго-пластичных породах при вдавливании пуансона график деформации состоит из участка упругих деформаций ОА и участка пластических деформаций АВ (рис. 2.3, б). Точка В соответствует значению нагрузки Р_max, при которой происходит хрупкое разрушение породы под пуансоном. Отношение нагрузки Р_max к площади штампа S (P_max/S) характеризует твердость породы.

Условным пределом текучести Р₀ горной породы называется напряжение материала пород под вдавливаемым пуансоном, при котором упругие деформации переходят в пластичные. Нагрузка Р₀ характеризует условный предел текучести. Для упруго-пластичных горных пород твердость определяется по формуле:

 

           ,                                                                            (2.20)

где S - площадь опорного основания пуансона.

На диаграмме (рис 2.3, а) работа упругой деформации А_уп вдавливания пуансона измеряется площадью прямоугольного треугольника OAF, и затрачивается на деформацию сжатия породы и пуансона. Работа, затрачиваемая на упругую деформацию пуансона А_ш:

,                                                                              (2.21)

где  - деформация пуансона.

Коэффициент пластичности принимается равным отношению общей работы, затраченной на разрушение породы под штампом, к работе упругих деформаций.

Коэффициент пластичности горных пород К_пл:

                                            (2.22)

где А_об - общая работа, затрачиваемая на деформацию и разрушение породы, измеряется площадью фигуры ОАВС за вычетом работы, затрачиваемой на деформацию пуансона А_ш; А_П.Р.У.Д - полная работа упругих деформаций, измеряется площадью треугольника ODE за вычетом работы, затрачиваемой на деформацию пуансона –А_ш (рис. 2.3, б).

Значения К_пл для некоторых горных пород приведен ниже

Глины                              0.5 - 0.9

Глинистые сланцы            1.5-2.5

Песчаники                           3.3-7.8

Известняки                           1.3-8.5

Мрамор                            3.9-9.2

Доломиты                           1.5-6.0

Кремни                            1.0-2.0

Для упруго-хрупких пород К_пл = 1, для упруго-пластичных К_пл = 1÷6 и более. Для пластичных пород деформация растет постоянно под действием внешних сил, поэтому коэффициент пластичности условно принят равным бесконечности.

Удельная работа A_v разрушения горной породы объемом V равна:

                                         ,                                                                 (2.23)

 

где А_об - общая работа, затрачиваемая на деформацию и разрушение; V - объем лунки, определяется объемом расплавленного парафина, заливаемого в лунку

                                                     ,                                                                 (2.24)

 

где Q - масса расплавленного парафина; ρ - плотность расплавленного парафина, ρ = 890 кг/м³.

Удельная контактная работа разрушения A_s:

                                                                 (2.25)

где S - площадь опорного основания пуансона.

Средние значения основных механических свойств некоторых горных пород приведены в табл. 2.6.

 

Таблица 2.6. Средние значения основных механических свойств горных пород

 

Горные породы	Твердость Рш, МПа	Предел текучести σт, МПа	Модуль упругости Е·10-4, МПа	Коэффициент пластичности Кпл	Удельная контактная работа As·105, Дж/м2
Аргиллиты и сланцы глинистые	480	280	0.7	2.3	0.2
Мрамор	1120	680	3.5	2.6	1.3
Гранит	3350	2600	4.5	1.6	2
Сиенит	5700	4800	8.5	2.2	14.5
Роговик	8000	5800	10	2.5	8.5

 

Хрупкость горной породы - свойство пород разрушаться без заметных пластических деформаций под действием внешних сил.

Хрупкость горных пород характеризуется коэффициентом хрупкости К_хр:

                                                   (2.26)

где А_уп - работа упругих деформаций породы, измеряется площадью треугольника OAF за вычетом работы А_ш упругой деформации пунсона; А_об - общая работа, затрачиваемая на деформацию и разрушение породы, измеряется площадью фигуры ОАВС за вычетом упругой деформации пуансона.

Для упруго-хрупких пород К_хр = 1, для упруго-пластичных К_хр < 1, для идеально-пластичных К_хр = 0.

Хрупкость горных пород оказывает существенное влияние на процесс ее разрушения, особенно, если используются ударные и ударно-вращательные породоразрушающие инструменты.

Динамическая прочность характеризует способность горной породы дробиться на отдельные куски.

Динамическая прочность определяется методом толчения на приборе ПОК (прибор определения крепости) (рис. 2.6).

 

Рис. 2.6. Прибор для определения динамической прочности породы метод толчения

а – трубный копер; б – трубка с поршнем; 1 – упор; 2 – груз; 3 – труба; 4 - стакан

 

 

Образец горной породы разбивается молотком на куски крупностью 1.5-2.0 см в поперечнике. Из разбитых кусков отбирают пять проб объемом 15-20 см³ каждая. Каждую пробу высыпают в трубчатую ступку (рис. 2.6, а) и толкут путем сбрасывания гири массой 2,4 кг с высоты 0,6 м десять раз. После толчения все пять проб ссыпают в металлическое сито с отверстием 0,5 мм и просеивают. Частицы породы, прошедшие через сито высыпают в стакан объемометра (рис. 2.6, б), после этого в стакан объемометра вставляется поршень. На поршне имеются шкалы (от 0 вверху до 160 мм внизу), по ней делается отсчет высоты столбика частиц породы в стакане. Динамическая прочность породы F_g  вычисляют по формуле:

(2.27)

 

где 200 - эмпирический коэффициент, мм; l - высота столбика частиц породы в объемометре, мм.

Динамическая прочность - безразмерная величина, по ее значениям все горные породы подразделяются на шесть групп (табл. 2.8).

 

Таблица 2.7. Динамическая прочность горных пород

 

	Группы пород
	I	II	III	IV	V	VI
Динамическая прочность Fg,	8 и менее	8 – 16	16 – 24	24 – 32	32 – 40	40 и более
Степень динамической прочности	Малая	Умеренная	Средняя	Прочная	Очень прочная	Исключительно прочная

 

Динамическая прочность F_g слабо коррелирована прочностью горных пород на одноосное сжатие и твердостью по штампу Р_ш.

Абразивность (от латинского слова abrasion - соскобление) определяет способность горных пород изнашивать поверхность контакта другого, более твердого тела (алмаз, твердый сплав) в процессе трения при его движении.

Абразивные свойства увеличивают интенсивность изнашивания породоразрушающего инструмента и снижают механическую скорость бурения.

Износ рабочих органов породоразрушающего инструмента осуществляется в процессе контакта с:

- горной породой при внедрении в нее инструмента;

- частицами разрушенной породы.

 

Особую важность в алмазном бурении имеет износ, связанный с действием на алмаз и матрицу частиц разрушенной породы.

При достижении породоразрушающим инструментом предельного износа он должен быть извлечен из скважины и заменен новым инструментом (возможен вариант восстановления изношенного инструмента).

Для определения предельной величины износа применяются различные критерии, которые будут рассмотрены ниже.

Абразивность горной породы, как и любой другой показатель механических свойств, определяется как условиями, в которых осуществляется бурение, так и режимами, при которых осуществляется отработка инструмента. Изменение этих условий может повлечь столь существенные изменения процесса изнашивания, что полученные в других условиях показатели не будут ни качественно, ни количественно характеризовать этот процесс.

Оценка абразивности при бурении скважин необходима для конструирования новых типоразмеров породоразрушающих инструментов, определения областей их применения и выбора рациональных режимов бурения.

На абразивность горных пород влияет целый ряд факторов:

- Структура пород. Чем больше зерно, тем выше абразивность.

Текстура пород, в особенности, пористость и трещиноватость,
усугубляющие абразивность.

Мономинеральная порода, как правило, менее абразивна, чем
полиминеральная (при равной твердости). Например, граниты при равной твердости с сильно окремненными известняками более абразивны, так как в них менее твердые минералы (слюды, полевые шпаты), разрушаясь, образуют шероховатую поверхность трения, обнажают зерна кварца и концентрируют напряжения на малых площадках контакта кварцевых зерен с породоразрушающим инструментом.

- Твердость горных пород и их зерен не имеет однозначного влияния на абразивность.

Существующие методы количественной оценки абразивности имеют разное назначение и различную сложность определения.

Абразивность оценивают по степени износа инструмента или металлических колец, которые изнашиваются при контакте с породой. Наиболее популярным методом определения абразивности пород в горном деле является метод, предложенный Л.И. Бароном и А.В. Кузнецовым. Этот метод соответствует условиям первичного абразивного износа инструмента, до момента «засаливания» металлом образца породы.

Абразивность оценивается средней потерей массы (мг) полого цилиндрического стержня из углеродистой стали - серебрянки путем истирания его об образец породы при вращении со скоростью 400 об/мин, под осевой нагрузкой 150 Н в течение 10 минут. Абразивность вычисляется по формуле:

 

                                                     ,                                                                 (2.28

 

где q_i - потеря массы стержня за каждый «парный опыт», мг; n - число парных опытов (n = 3 - для однородных, n = 6 - для неоднородных пород).

«Парный опыт» - означает испытание стержня с двух его торцов. Показатель абразивности изменяется от 5 мг для малоабразивных пород (известняки, мраморы, каменная соль, глинистые сланцы и др.) до 90мг и более (корундосодержащие кварцевые породы) (табл. 2.9).

 

Таблица 2.9. Показатель абразивности горных пород

 

Номер класса абразив -ности	Характеристи -ка пород по абразивности	Пока­затель абразив­ности, мг.	Характерные породы, входящие в данный класс
I	Весьма мало­абразивные	Менее 5	Известняки, мраморы, мягкие сульфиды без кварца (галенит, сфалерит, пирротит), апатит, каменная соль, глинистые сланцы.
II	Малоабразив­ные	5-10	Сульфидные и барито-сульфидные руды, аргиллиты, мягкие сланцы (углистые, глинистые, хлоритовые, хлорито-аспидные).
III	Ниже средней абразивности	10-18	Джеспилиты, роговики (рудные и нерудные), кварцево-сульфидные руды, магматические тонкозернистые породы, кварцевые и аркозовые тонкозернистые песчаники, железные руды, окремнелые известняки.
IV	Средне-абразивные	18-30	Кварцевые и аркозовые мелкозернистые песча­ники, диабазы, крупнозернистый пирит, арсено-пирит, жильный кварц, кварцево-сульфидные руды, магматические мелкозернистые породы, окварцованные известняки, джаспероиды.
V	Выше средней абразивности	30-45	Кварцевые и аркозовые средне- и крупнозернис< ⇐ Предыдущая1234 Поделиться с друзьями: Адаптации растений и животных к жизни в горах: Большое значение для жизни организмов в горах имеют степень расчленения, крутизна и экспозиционные различия склонов... Кормораздатчик мобильный электрифицированный: схема и процесс работы устройства... Автоматическое растормаживание колес: Тормозные устройства колес предназначены для уменьше­ния длины пробега и улучшения маневрирования ВС при... Биохимия спиртового брожения: Основу технологии получения пива составляет спиртовое брожение, - при котором сахар превращается...  © cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста. Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы! 0.189 с.