Читайте также:
|
Под твердостью понимается способность тела (горной породы) оказывать сопротивление внедрению в него другого тела. Существуют различные методы определения твердости. В минералогии твердость –это относительная способность царапать один кристалл другим: какой кристалл царапает, тот тверже. На этом основана шкала относительной твердости Мооса. Более объективно твердость определяют по глубине царапины на кристалле от пирамидки алмаза под определенным давлением. Однако эти и другие методы не отражают специфики разрушения горной породы на забое скважины зубцами шарошечного долота.
При бурении породоразрушающий инструмент контактирует с горной породой не по всей поверхности забоя, а лишь на отдельных участках. Через зубья долота на породу действует локальное давление, которое породу деформирует и разрушает. Происходит вдавливание зубца и скалывание породы. Поэтому в науке о бурении под твердостью, по предложенной в МНИ им И.М. Губкина проф. Л.А. Шрейнером методике, понимают способность горной породы сопротивляться внедрению в неё цилиндрического штампа с плоским основанием. Иными словами это давление, при котором происходит разрушение породы:
[1; c.10]
где:
Р* – нагрузка на штамп в момент разрушения породы;
Fш – площадь плоского основания штампа.
Для определения твердости по штампу снимается деформационная характеристика породы на специальной установке. При этом диаметр основания штампа должен быть таким, что бы под его плоским основанием разместилось не менее 6–7 минеральных зерен испытуемой породы. Подготавливают опытный образец горной породы с двумя параллельно отшлифованными гранями. Испытания проводят на специально оборудованном прессе, с помощью которого штамп вдавливают в горную породу. Установка позволяет определить нагрузку на штамп и глубину его внедрения в образец горной породы. Методика испытания предусматривает ступенчатое увеличение нагрузки на штамп с одновременным замером деформации. По результатам испытаний строят кривую зависимости деформации d от нагрузки P. По кривым d (P) можно определять деформационные свойства горных пород, в том числе и твердость.
Различные типы горных пород характеризуются различными деформационными зависимостями d (P).
Рассмотрим эти диаграммы.
1. Упруго-хрупкие породы (рис. 1).
Они проходят стадию упругих напряжений (ОА) и сразу разрушаются. Таковы стекло, гранит, кварц. Площадь треугольника ОАВ характеризует работу упругих сил достаточных для разрушения породы.
2. Пластично – хрупкие породы.
Разрушение пород этого типа происходит в области пластических деформаций (АВ) в т. В. Эта область граничит с областью упругих деформаций в т. А. Напряжение в этой точке называется пределом текучести P0. К этой категории пород относятся, в частности, алевролиты, известняки, ангидриты, доломиты и песчаники.
Характеристикой пластичности породы является коэффициент пластичности. Он равен отношению всей работы до хрупкого разрушения породы (площадь ОАВС) к работе упругих деформаций (площадь ОКЕ).
[1; с.11]
Очевидно, что КП всегда больше единицы, и только для упруго-хрупких пород он равен единице.
Для пород первого и второго типа на участке упруго деформации ОА можно приближенно определить модуль упругости этих пород по формуле:
[1; c.11]
где: 
* - деформация в момент разрушения горной породы
3. Высокопластичные породы обычно не дают хрупкого разрушения при вдавливании штампа (т.к. возможная величина деформации ограниченна небольшой длинной штампа). В действительности такие породы разрушаются хрупко, но величины деформации до хрупкого разрушения у них весьма велики. Такие породы, как правило характеризуют пределом текучести (А0) и модулем упругости. За твердость таких пород условно принимают предел текучести. Очевидно коэффициент пластичности для этих пород очень велик и принимается равным бесконечности.
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. 3 приведена классификация основных горных пород по твердости.
Таблица 3.Классификация горных пород по твердости
| Породы | Категории | Твердость, МПа |
| Глина,глинистые мергели и сланцы | <100 | |
| 100–250 | ||
| Аргиллиты, гипсы, ангидриты | 250–500 | |
| 500–1000 | ||
| Алевролиты, песчаники, известняки, доломиты | 1000–1500 | |
| 1500-2000 | ||
| 2000-3000 | ||
| 3000-4000 | ||
| Кварциты, кремнистые породы | 4000-5000 | |
| 5000-6000 | ||
| 6000-7000 | ||
| >7000 |
В табл 4 приведены свобные характеристики ряда горных пород по твердости и пластичности.
Таблица 4.Характеристики твердости и пластичности горных пород
| Порода | Твердость, МПа | Коэффициент пластичности |
| Бентонитовая глина влажная | 0–200 | |
| Высокопластичная глина влажная | 0–200 | |
| Мергель глинистый | 0–200 | |
| Мел | 0–200 | |
| Каменная соль | 0–200 | |
| 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 | 1050–1400 |
| Песчаник с гипсовым цементом | 3,1 | |
| Песчаник среднезернистый известковистый | 1700–3000 | 1,7–2,8 |
| Песчаник с ангидритовым цементом | 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.
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 65 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |