Какими основными свойствами и признаками характеризуют горные породы
Физико-механические свойства в совокупности описывают реакцию конкретной горной породы на различные типы нагрузки, что имеет большое значение при разработке скважин, строительстве, добыче полезных ископаемых и других работах, связанных с разрушением породных массивов. Благодаря этим сведениям можно рассчитать параметры режима бурения, правильно подобрать инструмент и определить конструкцию скважины.
Физико-механические свойства горных пород во многом зависят от входящих в их состав породообразующих минералов, а также от характера процесса формирования. Реакция породы на различные механические воздействия определяется особенностью ее структуры и химического состава.
Что такое горная порода
Горная порода — это образованная минеральными агрегатами или их обломками геологическая масса, обладающая определенными текстурой, структурой и физико-механическими свойствами.
Под текстурой понимают характер взаимного расположения минеральных частиц, а структура описывает все особенности строения, к которым относятся:
- характеристика минеральных зерен (форма, размер, описание поверхности);
- особенности соединения минеральных частиц;
- состав и структура скрепляющего цемента.
Текстура и структура в совокупности составляют внутреннее строение горной породы. Эти параметры в значительной степени определяются природой породообразующих материалов и характером геологических процессов формирования, которые могут протекать как в глубине, так и на поверхности.
В упрощенном понимании горная порода представляет собой слагающее земную кору вещество, характеризующееся определенным минеральным составом и дискретным набором физико-механических свойств.
Общая характеристика горных пород
Горные породы могут быть образованы минералами разного агрегатного состояния, наиболее часто — твердого. Значительно реже встречаются породы из жидких минералов (вода, нефть, ртуть) и газообразных (природный газ). Твердые агрегаты чаще всего имеют форму кристаллов определенной геометрической формы.
Из 3000 известных в настоящее время минералов лишь несколько десятков являются породообразующими. Среди последних выделяют шесть разновидностей:
- глинистые;
- карбонатные;
- хлоридные;
- окисные;
- сульфатные;
- силикатные.
Среди минералов, составляющих определенный вид горной породы, 95 % приходится на породообразующие и около 5 % — на акцессорные (иначе вспомогательные), которые представляют собой характерную примесь.
Горные породы могут залегать в земной коре сплошными слоями либо образовывать отдельные тела — камни и валуны. Последние представляют собой твердые куски любого состава, за исключением металлов и песка. В отличие от камня, валун имеет гладкую поверхность и округлую форму, которые сформировались в результате обкатывания водой.
Классификация
В основе классификации горных пород лежит в первую очередь происхождение, на основании которого они подразделяются на 3 большие группы:
- магматические (иначе называются изверженными) — формируются в результате подъема из глубин мантийного вещества, которое в результате изменения давления и температуры затвердевает и кристаллизуется;
- осадочные — образуются в результате накопления продуктов механического или биологического разрушения других пород (выветривания, дробления, переноса частиц, химического разложения);
- метаморфические — являются результатом преобразования (например, перекристаллизации) магматических или осадочных пород.
Происхождение отражает характер геологического процесса, в результате которого образовалась порода, поэтому каждому типу формирования соответствует определенный набор свойств. В свою очередь, классификация внутри групп учитывает также особенности минерального состава, текстуры и структуры.
Магматические породы
Характер строения магматических пород определяется скоростью остывания мантийного вещества, которая обратно пропорциональна глубине. Чем дальше от поверхности, тем магма застывает медленней, формируя плотную массу с крупными минеральными кристаллами. Типичным представителем глубинной магматической породы является гранит.
Быстрый прорыв магмы на поверхность возможен через трещины и разломы земной коры. В таком случае мантийное вещество быстро затвердевает, образуя тяжелую плотную массу с мелкими кристаллами, часто неразличимыми на глаз. Наиболее распространенной породой такого типа является базальт, имеющий вулканическое происхождение.
Магматические породы подразделяются на интрузивные, которые сформировались в глубине, и эффузивные (иначе излившиеся), которые застыли на поверхности. Первые характеризуются более плотной структурой. Основными минералами магматических пород являются кварц и полевые шпаты.
Осадочные породы
По происхождению и составу выделяют 4 группы осадочных пород:
- обломочные (терригенные) — осадок накапливается из продуктов механического раздробления более древних пород;
- хемогенные — образуются в результате процессов химического осаждения;
- биогенные — формируются из остатков живой органической материи;
- вулканогенно-осадочные — формируются в результате вулканической деятельности (туфы, кластолавы и др).
Именно из осадочных пород добываются общераспространенные полезные ископаемые органического происхождения, обладающие горючими свойствами (нефть, асфальт, газы, каменный и бурый уголь, озокерит, антрацит и др.). Такие образования называют каустобилитами.
Метаморфические породы
Метаморфические породы формируются в результате преобразования более древних геологических масс различного генеза. Такие изменения являются следствием тектонических процессов, приводящих к погружению пород на глубину, в условия с более высокими значениями давления и температуры.
Перемещения земной коры также сопровождаются миграцией глубинных растворов и газов, которые взаимодействуют с минералами, вызывая образование новых химических соединений. Все эти процессы приводят к изменению состава, структуры, текстуры и физико-механических свойств пород. В качестве примера такого метаморфизма можно привести превращение песчаника в кварцит.
Общая характеристика физико-механических свойств и их практическое значение
К основным физико-механическим свойствам горных пород относят:
- параметры, описывающие деформацию под действием различных нагрузок (пластичность, плывучесть, упругость);
- реакции на вмешательство твердого тела (абразивность, твердость);
- физические параметры породной массы (плотность, водопроницаемость, пористость и др);
- реакции на механическое воздействие (хрупкость, прочность).
Все эти характеристики позволяют определить скорость разрушения горной породы, риск обвалов и экономическую стоимость бурения.
Данные по физико-химическим свойствам играют огромную роль в проведении работ по добыче общераспространенных полезных ископаемых. Особое значение имеет характер взаимодействия горной породы с буровым инструментом, влияющий на эффективность работы и износ оборудования. Этот параметр характеризуется абразивностью.
В отличие от других твердых тел, у горных пород физико-механические свойства характеризуются неравномерностью, то есть варьируют в зависимости от направления нагрузки. Такая особенность называется анизотропностью и определяется соответствующим коэффициентом (Кан).
Плотностные характеристики
К этой категории свойств относят 4 параметра:
- плотность — масса единицы объема только твердой составляющей породы;
- объемную массу — рассчитывается как плотность, но с учетом имеющихся пустот, к которым относят поры и трещины;
- пористость — характеризует количество пустот в структуре породы;
- трещиноватость — показывает количество трещин.
Так как масса воздушных полостей по сравнению с твердым веществом ничтожна, у пористых горных пород плотность всегда больше объемной массы. Если кроме пор в породе имеются трещины, эта разница увеличивается.
У пористых горных пород значение объемной массы всегда превышает плотность. Эта разница увеличивается при наличии трещин.
От количества пустот зависят другие физико-химические свойства горных пород. Пористость уменьшает прочность, что делает породу более восприимчивой к разрушению. Тем не менее такая масса более шершавая и сильнее повреждает буровой инструмент. Пористость также влияет на водопоглощение, проницаемость и влагоемкость.
Самые пористые горные породы имеют осадочное происхождение. В метаморфических и магматических породах общий объем трещин и пустот очень небольшой (не более 2 %). Исключение составляют несколько пород, отнесенных к категории излившихся. Они имеют пористость до 60 %. Примером таких пород являются трахиты, туфовые лавы и др.
Проницаемость
Проницаемость характеризует взаимодействие бурового раствора с горными породами в процессе бурения скважин. Эта категория свойств включает 4 характеристики:
- фильтрацию;
- диффузию;
- теплообмен;
- капиллярную пропитку.
Первое свойство данной группы является определяющим, так как влияет на степень поглощения бурового раствора и разрушение пород в зоне перфорации. Фильтрация вызывает набухание и потерю устойчивости пластов глинистых горных пород после первичного вскрытия. На этом параметре основаны расчеты по добыче нефти и газа.
Прочность
Прочность характеризует способность горной породы противостоять разрушению под воздействием механической нагрузки. Математически это свойство выражается в критической величине напряжения, при которой порода разрушается. Это значение называют пределом прочности. Фактически он устанавливает порог воздействия, до достижения которого порода устойчива к определенному типу нагрузки.
Существуют 4 вида пределов прочности: на изгиб, сдвиг, растяжение и сжатие, которые характеризуют сопротивляемость соответствующим механическим нагрузкам. При этом воздействие может быть одноостным (односторонним) или многоостным (происходит со всех сторон).
Прочность является комплексной величиной, в которую включены все пределы сопротивляемости. На основе этих значений в системе координат строят специальный паспорт, представляющий собой огибающую кругов напряжений.
Самый простой вариант графика учитывает только 2 значения, например, растяжения и сжатия, пределы которых откладываются на осях абцисс и ординат. На основании полученных экспериментальных данных чертят круги Мора, а затем — касательную к ним. Точки внутри кругов на таком графике соответствуют значениям напряжения, при которых порода разрушается. Полный паспорт прочности включает все виды пределов.
Упругость
Упругость характеризует способность породы восстанавливать первоначальную форму после снятия деформирующей нагрузки. Это свойство характеризуется четырьмя параметрами:
- модулем продольной упругости (иначе Юнга) — представляет собой численное выражение пропорциональности между значениями напряжения и вызываемой им продольной деформацией;
- модулем сдвига — мера пропорциональности между касательным напряжением и относительной деформацией сдвига;
- модулем объемной упругости — рассчитывается как отношение напряжения к относительной упругой деформации по объему (сжатие происходит равномерно со всех сторон);
- коэффициентом Пуассона — мера пропорциональности между величинами относительных деформаций, происходящих в разных направлениях (продольном и поперечном).
Модуль Юнга характеризует жесткость породы и ее способность к упругому сопротивлению нагрузке.
Реологические свойства
Эти свойства иначе называют вязкостными. Они отражают снижение прочности и напряжений в результате длительного действия нагрузки и выражаются в двух основных параметрах:
- ползучести — характеризует постепенное увеличение деформации при постоянном напряжении;
- релаксации — определяет время уменьшения напряжений, возникающих в породе при непрерывной деформации.
Явление ползучести проявляется тогда, когда значение механического воздействия на породу меньше, чем предел упругости. При этом нагрузка должна быть достаточно длительной.
Методы определения физико-механических свойств горных пород
В основе определения этой группы свойств лежит опытное вычисление реакции на нагрузки. Например, для установления пределов прочности образец породы сжимают под прессом или растягивают, выясняя уровень воздействия, который приводит к разрушению. Параметры упругости определяются по соответствующим формулам. Все эти методы называют нагружением физическими инденторами в условиях лаборатории.
Некоторые физико-механические свойства могут определяться и в натурных условиях с использованием метода обрушения призм. Несмотря на сложность и высокую стоимость, такой способ более реалистично определяет ответ природного геологического массива на нагрузку.
Геологоразведочные скважины бурят в самых разнообразных геологических условиях. Поэтому и способ разрушения горных пород, тип породоразрушающего инструмента, режим его работы, крепление стенок скважины выбирают в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород, которые определяются комплексом геологических признаков (минералогическим составом, структурой и текстурой) и зависят от свойств основного минерального вещества, размера зерен, минерального цемента, пустотности, трещиноватости и др. Наиболее существенно на процесс бурения влияют следующие свойства пород:
| • прочность, | • хрупкость, | • водопроницаемость, |
| • твердость, | • абразивность, | • трещиноватость, |
| • упругость, | • устойчивость, | • слоистость, |
| • пластичность, | • пустотность, | • плотность, |
| • анизотропность. |
Прочностью называется способность горных пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, растяжении и других видах деформации. Прочность горных пород зависит от многих факторов и колеблется в широких пределах.
Испытание на прочность при сжатии проводится в лабораторных условиях на гидропрессах с определением сжимающего усилия в момент разрушения образцов горной породы, изготовленных в виде куба с ребром 5 см или цилиндров диаметром и высотой 5 см.
Для определения прочности горных пород на скалывание изготавливают пластинку из породы поперечным сечением 30×15 мм и длиной 120–150 мм помещают в прибор между ножами, на один из которых действует гидравлический пресс.
Временное сопротивление горной породы растяжению определяют на образце горной породы в форме прямоугольной призмы длиной 80 мм, шириной 20 мм и толщиной 10 мм на гидропрессе, имеющем специальное приспособление.
Прочность горных пород на скалывание и растяжение значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при сжатии за 1,0, то предел прочности ее на скалывание равен 0,2–0,08, а на растяжение 0,07–0,04. Поэтому горные породы легче разрушать скалыванием, чем смятием или раздавливанием.
Сопротивление горных пород разрушению при динамических нагрузках существенно отличается от сопротивления при статическом воздействии. В связи с этим при выборе способов бурения предпочтение следует отдавать таким, при которых преобладает динамическое воздействие на породу. Динамическая прочность горных пород определяется несколькими способами: ударом на изгиб, толчением и дроблением, определением ударной вязкости. Испытание ударом на изгиб проводят на маятниковом копре Шоппера. Обычно породы, обладающие высокой твердостью, имеют сравнительно невысокую ударную вязкость. Эту зависимость необходимо учитывать при определении рациональной области применения различных способов бурения.
По коэффициенту динамической прочности Fд горные породы делят на шесть групп; к горным породам одной группы по динамической прочности могут относиться породы с различной прочностью на статическое сжатие.
Твердость есть свойство тела оказывать противодействие проникновению в него другого тела – сопротивление горной породы вдавливанию в нее другого, более твердого тела. Бурение сопровождается внедрением в породу рабочих элементов породоразрушающего инструмента, поэтому твердость существенно влияет на скорость бурения.
Существуют различные методы оценки твердости горных пород: вдавливание в породу наконечников, царапание породы; метод фиксации затухания колебаний маятника, на конце которого укреплена игла, царапающая шлифованную поверхность образца; истирание или резание породы. В геологии большое распространение имеет шкала твердости минералов Мооса, по которой условную твердость минералов определяют методом царапания; по этой шкале твердость характеризуется отвлеченным числом (номером). Для практических целей важно знать не условную или относительную твердость горной породы, а абсолютную твердость, измеряемую, как правило, в МН/м2 (кгс/см2).
В настоящее время механические свойства горных пород определяются методом, предложенным Л. А. Шрейнером. По этому методу твердость горных пород определяют путем вдавливания в шлифованную поверхность образца породы штампа с гладким торцом (пуансона) площадью 1×2 мм (для твердых пород) и 5×2 мм (для пород малой твердости)
с замером нагрузок, деформации до разрушения, параметров зоны разрушения и в вычислением показателей механических свойств.
На рис. 2.1 приведены типовые диаграммы разрушения горных пород, полученные на приборе УМГП-3. По диаграмме деформации горных пород определяются также их упругость, пластичность, хрупкость.
Упругость – свойство горных пород изменять свою форму и объем под действием внешней нагрузки и восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействия.
Хрупкость – свойство горных пород разрушаться без заметной пластической деформации.
Пластичность – свойство горных пород необратимо деформироваться от действия внешних сил или внутренних напряжений, т. е. претерпевать пластическую (остаточную) деформацию без нарушения сплошности материала.
Диаграмма, показанная на рис. 2.1, а, получена при испытаниях хрупких пород (гранита, кварцита). Участок OD характеризует упругую деформацию породы. На диаграмме рис. 2.1, б участок ОА соответствует упругой деформации, АВ – пластической. В точке В наступает хрупкая деформация.
Абразивность – способность горной породы изнашивать при трении разрушающий ее инструмент. При бурении абразивных горных пород за счет износа инструмента сокращается время его работы на забое. Абразивность в значительной степени зависит от твердости породообразующих минералов: повышенной абразивностью обладают породы, состоящие из зерен очень твердых минералов, связанных менее твердым цементом. Для оценки абразивности предложены различные методы, в основу которых принят один принцип – истирание эталонного предмета. На практике обычно применяют метод и прибор для определения абразивности пород по износу свинцовых шариков.
Пустотность (пористость), характеризуемая наличием в горной породе пустот, усложняет процесс бурения; пустоты могут образовываться и за счет растрескивания породы.
Трещиноватость горных пород также влияет на процесс бурения; наиболее существенно она снижает эффективность алмазного бурения.
Устойчивость – способность пород сохранять первоначальное положение при вскрытии их в массиве и не обрушаться со стенок скважины без дополнительного их крепления. В неустойчивых породах требуется закреплять скважину и принимать меры по сохранению разрушающегося керна; устойчивость зависит от характера связей в горной породе.
Водопроницаемость горных пород зависит от размера и характера пор и трещин, влияет на потери промывочной жидкости в скважине.
Плотность горных пород определяет условия транспортирования разрушенной породы на поверхность.
При определении физико-механических свойств горных пород необходимо помнить об анизотропности пород, т. е. различии значений свойств в зависимости от направления воздействия на образец.
Слоистость, сланцеватость также создают анизотропию свойств горных пород. Механические свойства многих горных пород связаны с их текстурой. Для осадочных пород характерна слоистая текстура, для метаморфических – сланцеватая, причем значения свойств породы в направлении, параллельном плоскостям напластования или сланцеватости, отличны от значений тех же свойств в перпендикулярном направлении (анизотропия). Магматические горные породы также могут быть анизотропными по механическим свойствам, если имеют текстуру, характеризующуюся ориентированным расположением кристаллов породообразующих минералов. Анизотропные горные породы при пересечении их скважиной под углом к плоскости напластования или сланцеватости (т. е. к плоскости наименьшего сопротивления породы разрушению при бурении) разрушаются на забое неравномерно, что приводит к искривлению скважины.
Совокупность физико-механических свойств горных пород определяет их буримость, т. е. способность горных пород сопротивляться проникновению в них породоразрушающего инструмента. Буримость горной породы характеризуется механической скоростью бурения – значением углубления скважины за единицу времени. Этот показатель очень важен, так как по буримости пород планируются и нормируются буровые работы.
2.3. Классификации горных пород по буримости
и физико-механическим свойствам
Чтобы технологически грамотно осуществлять процесс бурения, т. е. бурить быстро и дешево, необходимо знать основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения, (упругие и пластические свойства, прочность, твердость и абразивную способность). К сожалению, из-за сложности методики и трудоемкости исследований, отсутствия надлежащих лабораторных баз и по другим причинам в большинстве случаев при бурении скважин таких данных нет. Поэтому в практических условиях для характеристики разбуривания горных пород пользуются обобщенным показателем – буримостью. При этом под буримостью горных пород понимают степень их сопротивляемости разбуриванию. В настоящее время существуют два направления в классификации горных пород по буримости.
Одно направление при построении классификации базируется на технологических производственных показателях (в этом случае за единицу измерения буримости принимают либо величину проходки, либо скорость бурения, полученные при бурении в тех или иных породах при определенных условиях), другое – на механических свойствах горных пород.
В основу большинства классификаций горных пород по буримости положена зависимость фактической буримости пород от их петрографической характеристики, определенная путем большого числа фотохронометражных наблюдений. Разработаны и применяются при проектировании и нормировании буровых работ следующие классификации, учитывающие способ бурения:
1) для вращательного механического бурения – с двенадцатью категориями пород по буримости;
2) для вращательного бурения шнеками – с шестью категориями пород по буримости;
3) для ударного механического бурения (исключая разведку россыпных месторождений) – с семью категориями пород по буримости;
4) для ударного механического бурения при разведке россыпных месторождений – с шестью категориями пород по буримости;
5) для ручного ударно-вращательного бурения – с шестью категориями пород по буримости.
В табл. 2.1 приведены выраженная через механическую скорость примерная буримость горных пород и примерная твердость по штампу.
После осмотра и описания извлеченного из скважины керна породу относят к той или иной категории в соответствии с классификацией. Для облегчения и контроля определения горной породы и отнесения ее к соответствующей категории на месторождениях составляют эталонные коллекции пород различной буримости. Буримость зависит не только от физико-механических свойств горных пород, но и от способа бурения, типа и качества породоразрушающего инструмента, глубины скважины и режимов бурения.
По мере совершенствования буровой техники и технологии бурения показатели буримости одних и тех же пород могут изменяться. В связи
с этим нормативы на бурение, отражающие достигнутый уровень техники и технологии, необходимо постоянно корректировать.
Наиболее универсальный способ бурения – вращательный с применением породоразрушающих инструментов, армированных твердыми сплавами и алмазами. Область применения вращательного бурения твердыми сплавами ограничивается практически бескварцевыми породами малой и средней твердости и абразивности (I–VIII категории по буримости). В частности, ребристые коронки, пикобуры, долота лопастного типа, армированные резцами с заданным углом приострения, а также шарошечные долота типа М целесообразно применять при бурении пород небольшой твердости и абразивности.
Горные породы умеренной твердости и абразивности целесообразно бурить тонкостенными коронками, армированными резцами с заданным углом приострения, а также долотами уступообразной формы. Самозатачивающиеся коронки можно применять для бурения пород средней твердости и абразивности.
При ударно-вращательном бурении область использования твердых сплавов значительно увеличивается. Этот способ бурения осуществляется гидро- и пневмоударниками, а также шарошечными долотами вращательно-ударного действия. Он распространяется на все группы пород по твер дости и абразивности (V–XII категории по буримости), имеющие умеренную механическую прочность. При бурении весьма прочных горных пород эффективность применения указанных видов технических средств
снижается, тем не менее их использование весьма желательно, особенно шарошечных долот типа К, при высоких осевых нагрузках и пневмоударников, имеющих высокую энергию единичных ударов.
Область применения алмазного бурения охватывает породы от умеренно твердых и абразивных до весьма твердых и абразивных. Однослойные алмазные коронки эффективнее применять, начиная с пород средней твердости и абразивности и кончая твердыми и абразивными породами, а импрегнированные – в более твердых и абразивных породах, включая весьма твердые и абразивные.
2.4. Основные закономерности
разрушения горных пород
Основным видом деформационного процесса, под действием которого породы в процессе бурения разрушаются, является вдавливание. Рассмотрим явления, происходящие в породе при действии на нее постепенно возрастающей местной нагрузки, передающейся через штамп. Первоначально порода уплотняется в непосредственной близости от площади контакта. Затем, когда нагрузка достигает некоторого критического значения, в породе образуется конусообразная трещина, вершина которой обращена к вдавливаемому телу. При дальнейшем увеличении нагрузки трещина продолжает развиваться в глубину; при этом образуется система хаотически расположенных трещин, порода в вершине конуса раздавливается в порошок, передающий давление во все стороны.
Под влиянием этого давления порода продолжает разрушаться до образования лунки. Описанный процесс внедрения штампа составляет один полный цикл разрушения. При дальнейшем нагружеиии штампа процесс во всех трех фазах повторяется. Такая цикличность разрушения свойственна хрупким, прочным горным породам. В хрупких, но менее прочных горных породах разрушение также носит цикличный, но менее скачкообразный характер.
Разрушение малопрочных пород носит плавный характер. Рассмотрим действие динамического вдавливания (ударов) на породу. Исследованиями установлено, что в результате ударов горные породы могут разрушаться при напряжениях меньше критических, соответствующих пределу прочности. Сам механизм разрушения аналогичен описанному выше. Число ударов по одному и тому же месту может быть значительным. С увеличением силы удара число их уменьшается, и при некотором значении силы разрушение наступает после первого же удара. Таким образом, горная порода может разрушаться при действии как статических, так и динамических нагрузок. Сила удара в процессе динамического разрушения зависит от величины нагрузки и скорости ее приложения. Эффект разрушения в значительной мере зависит от формы твердого тела, которым разрушают горную породу. Все эти и некоторые другие факторы оказывают влияние на объемную работу разрушения.
3. способы бурения.
бурение глубоких скважин