Основные физико-механические свойства горных пород

Горные породы состоят из минеральных частиц, связанных между собой силами

молекулярного взаимодействия или цементирующими материалами. По степени

связности они разделяются на скальные, связные, рыхлые (сыпучие) и плывучие.

Скальныепороды отличаются большой силой сцепления между частицами. К ним

относятся кристаллические породы (гранит, кварцит, мрамор и т. д.) и обломочные

сцементированные породы (конгломераты, песчаники и др.).

Скальные породы разделяются на хрупкие, хрупкопластич- ные и йластичные. На

разрушение пластичных пород затрачивается больше работы, чем на разрушение хрупких.

Скальные породы могут быть монолитные и трещиноватые. Стенки скважин,

пройденных в скальных породах, устойчивы за исключением трещиноватых,

раздробленных участков.

Следует также различать две группы скальных пород: содержащих свободный

кварц и бескварцевые. Кварцевые породы бурятся труднее и быстрее истирают

породоразрушающий инструмент.

Связныепороды характеризуются изменяющимися силами сцепления между

частицами в зависимости от их влажности (глинистые породы, мел и др.). Разбуриваются

эти породы сравнительно легко. Стенки скважин в связных породах устойчивы и не

нуждаются в креплении. Однако среди глин встречаются такие, которые жадно

впитывают воду, увеличиваясь при этом в объеме и вызывая сужение ствола скважины.

Рыхлые(сыпучие) породы представляют собой скопления частиц различной

формы и размеров (пески, гравий, галька), силы сцепления между которыми практически

отсутствуют. Стенки скважины в таких породах неустойчивы, склонны к обвалам и

требуют обязательного закрепления.

Плывучие породы состоят из частиц очень малых размеров (илы) и насыщены

водой. Они требуют обязательного закрепления стенок скважины. Плывучие породы

могут находиться под напором и подниматься по стволу скважины.

Знание физико-механических свойств горных пород геологического разреза, в

котором намечается сооружение скважины, обеспечивает возможность правильного

выбора способа бурения и разработки ее конструкции, применения рациональных типов

породоразрушающих инструментов и параметров технологического режима бурения, а

также принятия мер, предупреждающих осложнения и аварии в скважине.

На эффективность бурения влияет комплекс физико-механических свойств горных

пород: механическая прочность, твердость, абразивность, хрупкость, упругость,

пористость, трещино- ватость, водопроницаемость.

Механическойпрочностью называется способность горной породы

сопротивляться разрушению внешней нагрузкой. Чем выше механическая прочность

горной породы, тем большая работа расходуется на ее разрушение. Чем тверже

минеральные зерна, слагающие породу, крепче связь между ними, меньше пористость и

трещиноватость, тем больше ее прочность. Мелкозернистые породы имеют большую

прочность, чем крупнозернистые того же минерального состава.

Пористостьобусловлена наличием в породе пространства, не заполненного

твердым веществом. Такую пористость называют абсолютной или физической. Различают

также эффективную пористость, определяемую наличием пор, сообщающихся между

собой. Чем выше пористость пород, тем меньше их прочность.

Твердостью горной породы называется способность ее сопротивляться

проникновению в нее другого более жесткого твердого тела, не получающего остаточных

деформаций. В отличие от понятия прочности, характеризующего сопротивление тела

объемному разрушению, твердость — это сопротивление поверхностных слоев тела

местному силовому воздействию.

Абразивностьюназывается способность горной породы изнашивать в процессе

трения разрушающий ее инструмент. Высокой абразивностью обладают породы,

сложенные крупными твердыми минеральными зернами, которые связаны

цементирующим материалом малой прочности.

Независимо от способа разрушения горной породы большое значение при бурении

имеет устойчивостьпород х

\u1074 в стенках скважины, зависящая от прочности связей между

слагающими их частицами. По устойчивости породы делятся на четыре группы.

К первой группе относятся устойчивые породы — изверженные, метаморфические

и плотные осадочные высокой или средней твердости. Породы этой группы монолитны

или слаботрещиноваты, не размываются промывочной жидкостью. При бурении их не

требуется крепление стенок скважины, и столбик керна, используемый для опробования,

хорошо сохраняется.

Во вторую группу объединяются слабо устойчивые породы невысокой твердости с

недостаточно прочной связью между зернами, а также трещиноватые, раздробленные и

сбрекчиро- ванные.

В третью группу входят породы с изменяющейся устойчивостью в связи с тем, что

связь между слагающими их части-

цами может изменяться при воздействии на них водой. Это — плотные, невысокой

прочности породы, легко растворяющиеся или размываемые промывочной жидкостью

(глинистые породы, каменная соль).

К четвертой группе относятся неустойчивые породы, не имеющие связи между

зернами (песок, гравий, галечник).

Перемещение забоя скважины под воздействием породораз- рушающего

инструмента на горную породу называется углубкой скважины. Углубка скважины по

определенной породе за единицу времени чистого бурения, т. е. без учета времени,

затраченного на вспомогательные операции, называется буримостью.Измеряют

буримость в м/ч, см/мин, мм/мин. Буримость зависит от физико-механических свойств

породы. Чем труднее разрушается порода, тем ниже ее буримость.

Буримость пород зависит также от способа бурения, типа и качества

породоразрушающего инструмента. Твердые, монолитные породы бурятся лучше

алмазами, чем твердыми сплавами. При ударно-вращательном бурении таких пород

твердыми сплавами буримость выше, чем при вращательном.

В настоящее время существует несколько шкал буримости пород для разных

способов бурения. Для вращательного механического бурения горные породы разделяют

на 12 категорий, ударно-механического — на 7, ударно-механического при разведке

россыпей — на 6 и для вращательного бурения шнеками — на 6.

Буровой инструмент, применяемый при бурении скважин, подразделяется на

технологический, вспомогательный, аварийный и специальный. В состав

технологического инструмента входят: породоразрушающий инструмент, колонковые и

бурильные трубы, расширители, кернорватели, переходники, иногда шламовые трубы.

Технологический инструмент, соединенный в определенной последовательности,

называют буровым снарядом.

Вспомогательный буровой инструмент, предназначенный для обслуживания

технологического инструмента при бурении скважин, включает в себя ключи,

спускоподъемные принадлежности, обсадные трубы.

Аварийный инструмент предназначен для ликвидации аварий, происходящих в

скважинах при геологических осложнениях. Наиболее распространенным типом является

ловильный и режущий инструмент.

Специальный инструмент применяется при производстве специальных работ в

скважинах, например при искусственном отклонении ствола скважины, при выполнении

тампонажа и т. п.

Для бурения скважин применяется алмазный и твердосплавный

породоразрушающий инструмент. Разнообразие геолого-технических условий бурения

требует применения различных типов бурового инструмента.

Алмазный породоразрушающий инструмент для геологоразведочного бурения

подразделяется на три вида: алмазные коронки; расширители и калибраторы; долота.

Коронки предназначены для кольцевого разрушения горных пород и применяются

с одинарными и двойными трубами, а также снарядами ССК и КССК.

Конструктивно алмазный породоразрушающий инструмент состоит из корпуса и

алмазосодержащей матрицы, прочно соединенной с корпусом. Матрица представляет

собой металлокерамическое кольцо, предназначена для размещения и закрепления

алмазных резцов. По износостойкости матрицы делятся на стандартные, твердые и

сверхтвердые. Нормами на изготовление отечественных алмазных коронок

предусмотрено пять типов матриц по твердости, измеряемой по прибору Роквелла. При

выборе коронки для бурения твердость матрицы подбирается с учетом абразивности,

твердости, структуры и трещиноватости намечаемых к бурению горных пород. Численное

значение твердости матрицы принимается тем больше, чем выше абразивность и

трещиноватость горной породы.

Алмазные резцы, расположенные в матрице, по своему назначению и

расположению разделяются на объемные, торцовые и подрезные. Торцовые и объемные

находятся на торцевой поверхности или внутри матрицы и являются

породоразрушающими резцами; подрезные размещаются на внутренней и наружной

боковых сторонах матрицы. Они калибруют стенки скважин, обрабатывают боковую

поверхность керна и предохраняют коронку от чрезмерного износа по наружному и

внутреннему диаметрам.

По способу размещения объемных алмазов в матрице различают однослойные (А)

и импрегнированные (И) коронки, предназначенные для бурения в различных по

свойствам породах.

Однослойные коронки предназначены для бурения пород V-X категорий по

буримости и подразделяются на две группы: с алмазами, имеющими заданную величину

выпуска из матрицы, и с развитой промывочной системой; без заданного выпуска и с

обычной промывочной системой. Однослойные коронки с заданным выпуском алмазных

резцов предназначены для бурения малоабразивных и абразивных, в основном плотных

монолитных или слаботрещиноватых средне- и крупнозернистых горных пород от V до X

категории по буримости. Коронки имеют стандартную нормальную матрицу твердостью

20-25 или 31-40 HRC и заданный выпуск алмазных резцов в пределах 20-30 % их среднего

линейного размера. Однослойные коронки без заданного выпуска алмазных резцов

предназначены для бурения в породах VI1-X категорий по буримости одинарными или

двойными колонковыми снарядами. Матрица у коронок - стандартная, с твердостью 20-25

или 30-35 HRC. Они используются для бурения нетрещиноватых или слаботрещиноватых

плотных монолитных пород малой и средней абразивности.

Алмазные коронки для двойных колонковых наборов (ДКН) отличаются

конструкцией корпуса (удлиненный корпус с внутренней резьбой) и геометрическими

размерами. Коронки имеют матрицу нормальной твердости (20-25 HRC). Внутренний

диаметр коронок определяется типом применяемой двойной трубы.

Импрегнированные коронки применяются для бурения горных пород IX-XI1

категорий по буримости, абразивных, весьма абразивных, трещиноватых и монолитных.

Специальные алмазные коронки предназначены для бурения скважин снарядами со

съемными керноприемниками типа ССК и КССК в твердых, средней твердости породах

при разведке преимущественно металлических руд и месторождений каменного угля.

Алмазные долота служат для бескернового бурения скважин, а также для

забуривания дополнительных стволов при направленном бурении. Известно

66 много конструкций и типоразмеров долот. В геологической практике для буре-

ния скважин применяются два типа долот: однослойные (08А-46, 09АЗ-59, АДН-08, АДН-

22) и импрегнированные (08ИЗ-46, ИДИ-12). У всех долот матрица имеет вогнутую форму

торца и центральное отверстие для циркуляции промывочной жидкости. Долота

изготовляются с нормальной матрицей твердостью HRC 20-25. Предназначены для

бурения плотных, монолитных пород VII-IX категорий по буримости.

Алмазные расширители предназначены для одинарных и специальных колонковых

наборов, в том числе для двойных колонковых труб. Назначение мелкоалмазных

расширителей при алмазном бурении - калибровать скважины по диаметру и

предотвращать преждевременный износ коронок в процессе бурения. Кроме того,

применение расширителей способствует стабилизации нижней части бурового снаряда,

что уменьшает возможность проявления вибраций. С одним расширителем может быть

отработано несколько коронок.

Алмазный калибратор рекомендуется применять в составе специальных

компоновок для проработки интервалов искусственного искривления, что обеспечивает

наиболее эффективное их использование и снижает расход алмазов.

Твердосплавный инструмент, применяемый при бурении в породах мягких и

средней твердости (I—VIII и частично IX категорий), может иметь форму коронки или

долота. Основными конструктивными элементами такого инструмента являются корпус в

виде короночного кольца или тела цилиндрической формы, имеющий рабочую часть,

вооруженную твердосплавными резцами, и резьбовую часть для соединения с колонковой

или бурильной трубой.

Для армирования буровых коронок используются резцы различных форм (обычно

призматической или пластинчатой) и размеров. Резцы для вооружения

породоразрушающего инструмента (ПРИ), применяемого при вращательном бурении,

условно делятся на крупные, мелкие и очень мелкие (самозатачивающиеся).

Твердосплавная коронка имеет стандартные элементы и параметры.

Число резцов зависит от типа и размера коронки, формы и параметров самих

резцов. Это определяется обычно конструктивно с учетом области и условий применения

инструмента. Расположение резцов в коронке играет важную роль. Все резцы по

назначению делятся на основные и подрезные. Основные резцы разрушают породы по

площади забоя, а подрезные калибруют ствол скважины и керн.

Бурение скважин с разрушением породы по всей площади забоя (бескерновое

бурение) осуществляется с помощью долот, имеющих следующее вооружение из твердых

сплавов: режуще-истирающего действия, режуще-скалывающего действия, дробящего и

дробяще-скалывающего действия.

К долотам режущего действия относятся алмазные долота.

К долотам режущего и режуще-скалывающего действия относятся

однолопастные, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные.

Малогабаритные лопастные долота предназначены для бурения

геологоразведочных скважин в мягких, рыхлых, несвязных и связных породах с

прослойками средней твердости от I до IV категорий по буримости с прослойками пород

средней твердости и удалением продуктов разрушения гидравлическим, пневматическим

или механическим способом (шнековое).

Рабочая часть таких долот - одна, две или три лопасти со сплошными лезвиями

(режущими элементами), имеющими определенную конфигурацию.

Для увеличения износостойкости рабочей кромки нижние части лопастей

армируют твердыми сплавами.

Лезвия могут быть непрерывными и прерывными (с рассечками), а лопасти - с

угловым смещением или пересекающиеся. Лезвия лопастей имеют вид вогнутой кривой,

радиус которой зависит от диаметра долота и абразивности пород. Чем в большей степени

породы абразивны, тем меньше радиус кривой и увеличивается вогнутость. Обычно у

серийных долот радиус кривой равен или немного превышает диаметр долота.

Долота режуще-скалывающего действия обычно имеют сложную прерывисто-

ступенчатую форму лезвий или оснащаются крупными резцами. Долота такого типа

предназначены для разрушения хрупких пород III—VI категорий по буримости. К ним

относятся пикообразные (пикобуры) лопастные долота. Рабочие кромки пикобуров

армируются резцами из твердых сплавов.

К долотам ударно-дробящего действия относятся шарошечные долота, которые

оснащаются одной, двумя, но чаще всего тремя шарошками.

Шарошечные долота различаются между собой в зависимости от компоновки

шарошек на корпусе долота. По назначению шарошечные долота классифицируются на

долота основных видов: бескернового бурения, колонкового бурения, гидроударного

бурения, специального назначения и для бурения с продувкой. В настоящее время для

геологоразведочного бурения выпускаются шарошечные долота следующих типов: ОК, К,

ТК, Т, СТ, С, СМ и М. Долота типов ОК и К характеризуются ударным действием

вооружения на разрушаемый забой, долота типа МС и М - режуще-скалывающим, долота

типов ТК и Т -ударно-скалывающим, долота типов СТ и С - скалывающим. Типы и

область применения долот приведены в табл. 26.

Выбор типа породообразующего инструмента при бурении скважин на нефть и газ

базируется на информации о физико-механических свойствах горных пород и

диалогическом строением разреза пород.

Бурильная колонна - наиболее ответственная часть бурового снаряда имеет

следующее назначение: 1) передавать вращение и осевую нагрузку на

породоразрушающий инструмент; 2) служить каналом для очистного агента и

выбуренного керна при его гидро- и пневмотранспорте. Конструкции бурильных труб

различны. Для высокоскоростного алмазного бурения используются бурильные колонны

ниппельного соединения, изготовленные из стали или алюминиевых сплавов. Трубы с

муфтово-замковыми соединениями используются в основном при твердосплавном,

шарошечном и ударно-вращательном бурении.

Трубы ниппельного соединения (СБТН) имеют высаженные внутрь концы, на

которых нарезана внутренняя цилиндрическая резьба с трапецеидальным профилем

Ниппельные трубы соединяются в свечи гладкими ниппелями типа А и Б, а свечи

соединяются между собой двумя ниппелями: ниппелем типа А и ниппелем с двумя

прорезями типа Б.

Длина бурильных свечей не должна превышать 13, 5 м. При длине свечей более 13,

5 м необходимо устраивать промежуточную опору.

Трубы муфтово-замкового соединения, так же как и ниппельные, имеют

утолщенные путем высадки концы. Муфтовые трубы соединяются между собой муфтами

- короткими патрубками. Свечи, собранные из муфтовых труб, соединяются в колонну

бурильными замками, состоящими из замковой муфты и замкового ниппеля (или конуса).

Замковый ниппель имеет только один прорез под ключ.

Легкосплавные бурильные трубы (ЛБТН) ниппельного соединения состоят из

прямостенных (без высадки концов) бурильных труб, изготовленных из легкого сплава

(плотность 2800 кг/м3). Конструкция ниппелей к ЛБТН и СБТН практически одинакова.

Трубы в свечу соединяются однопрорезным ниппелем типа А, а свечи между собой -

ниппельным замком из ниппеля А и двухпрорезного полуниппеля Б.

Легкосплавные бурильные трубы муфтово-замкового соединения ЛБТМ-54

предназначены для бурения скважин сложных ступенчатых конструкций диаметрами 76 и

93, глубиной от 800 до 2000 м. Трубы имеют муфтово-замковое соединение 3-50. Концы

труб высажены вовнутрь. Свечи в колонну соединяются стальными замками. Бурильные

трубы из легких сплавов применяют при бурении алмазной коронкой на большие

глубины.

Утяжеленные бурильные трубы (УБТ) с повышенной массой включаются в

нижнюю часть колонны для создания осевой нагрузки на породоразрушающий

инструмент, особенно при бескерновом бурении, уменьшении искривления скважин

большого диаметра. Необходимая длина УБТ рассчитывается в зависимости от требуемой

нагрузки на породоразрушающий инструмент.

Бурильные трубы для снарядов со съемными керноприемниками (ССК) имеют

гладкую наружную и внутреннюю поверхность. Это необходимо для свободного

перемещения керноприемника внутри труб и максимального приближения наружного

диаметра колонковых труб к диаметру скважины с целью уменьшения их изгиба от

действия осевой нагрузки при бурении.

Трубы свинчиваются между собой без дополнительных соединительных

элементов, контакт при этом осуществляется по поверхности наружного диаметра

слабоконусной резьбы и двум упорам. Для обеспечения безаварийной работы бурильной

колонны ССК при переходе с обычного бурения диаметр не должен превышать для ССК-

46 55-65 мм, ССК-59 - 65-80 мм, ССК-76 -55-90 мм, что обеспечивается при

необходимости обсадкой этого интервала.

Бурильные трубы для КССК-76 имеют конструктивное отличие от труб ССК-76.

Трубы в свечи соединяются муфтами, а свечи между собой - муфтово-замковыми

соединениями. Трубы имеют высадку с обоих концов.

Бурильные трубы КССК-76М имеют конструктивное отличие от труб ССК-76.

Трубы в свечи соединяют с помощью муфт, а свечи между собой - муфтово-замковым

соединением. Приварные детали замка, упрочнены наплавкой из твердых сплавов. Трубы

имеют внутреннюю высадку с обоих концов. Общая длина трубы увеличена с 3, 0

(нормальная) до 6, 2 м (увеличенная), что позволило сократить число резьбовых

соединений в комплекте.

Получение представительного керна необходимого качества и количества для

изучения всех свойств полезных ископаемых (горных пород) во многом не только

определяется диаметром скважины (ее конструкцией), но и обеспечивается при помощи

специальных технических средств и технологий.

Основными техническими средствами, обеспечивающими получение

кондиционного керна, являются двойные колонковые трубы и эжекторные снаряды

(одинарные и двойные) различных классов. Применение двойных колонковых труб

вызвано обычно трудностями отбора кондиционного керна в сложных геолого-

технических условиях. Для успешного срыва керна и удержания его при подъеме

инструмента в состав бурового снаряда включают кернорвательное устройство

Например, на поисковой стадии разведки месторождений угля предъявляют

повышенные требования к представительности кернового опробования, являющегося

базой для обоснования целесообразности проведения следующей стадии

геологоразведочных работ. Высокий процент выхода керна обеспечивают двойные

колонковые снаряды, на выбор диаметра которых влияет стадия метаморфизма углей.

Предпочтение должно быть отдано снарядам диаметрами 89 и 73 мм.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: