Проблемы методик исследования механических характеристик горных пород

В качестве критериев при конструировании рабочего инструмента для шарошечного бурения скважин (эксплуатационных, разведочных и т.д.) являются механические свойства проходимых горных пород, которые определяются в соответствии с классификациями и методиками, разработанными в древние времена – в первой половине прошлого столетия. Совсем не очевидно, что все эти методики в полной мере соответствуют нынешнему технологическому уровню шарошечного бурения, его интенсивности и требованиям к параметрам скважин. Вызывает сомнение, что эти методики могут являться в настоящее время оперативным, достоверным и экономическим инструментом для оптимизации бурильных работ в перспективе.

В самом начале прошлого столетия, в 1909 году, профессором М. М. Протодьяконовым была сформирована новая концепция  крепости горных пород, в основу которой лег принцип сих сопротивления разрушению посредством сжатия, и предложена  классификация горных пород по данному критерию. По мере появления и повсеместного распространения бурения, основанного на вращательном движении с использованием шарошечных долот, основной принцип которого состоял из  разрушения горных пород вдавливанием технического вооружения, возникла острая необходимость применения механических характеристик пород, использующих в качестве основного критерия вдавливание. Для этого были исследованы деформационные и некоторые другие связанные свойства горных пород, из которых выделены в качестве основных следующие: твердость; модуль упругости; предел упругости (условно названный пределом текучести); пластичность; удельная работа разрушения; коэффициент пластичности, абразивность и коллекторские свойства (проницаемость и пористость).

Основным видом деформации при бурении шарошечными долотами считается вдавливание зуба бурильной установки в массив горной породы в районе забоя скважины. А так как прочность породы зависит от вида деформационного усилия, с учетом условий напряженности материала в процессе вдавливания, сегодня основной характеристикой прочности принято считать твердость, то есть сопротивление вдавливанию. При этом методы, используемые для измерения твердости металлов (Виккерс, Роквелл, Бринелль), не годятся для горных пород, поскольку они могут измерять лишь агрегатную твердость материалов с линейными размерами зерен менее 0.01 миллиметров.

Если рассматривать простые виды деформации (сжатие, растяжение, изгиб), то здесь пластические свойства горных пород проявляются в малой степени, так как процесс разрушения материала происходит без сколько-нибудь выраженного процесса пластической деформации. Более того, большинство распространенных горных пород, кроме пластических, имеют такие свойства, как хрупкость и упругость. Процесс вдавливания индентора в эти породы сопровождается разрушением материала с выколом некоего объема, а во время дальнейшего воздействия нагрузки объем образовавшейся лунки увеличивается с дискретными характеристиками (скачки разрушения). Поэтому в качестве критерия прочности горных пород взята нагрузка (при указанной площади контакта), которая соответствует пределу прочности.

Л. А. Шрейнер предложил метод испытаний горных пород на твердость с помощью установки УМГП-3, во время которого в образец горной породы в форме цилиндра радиусом 20-25 миллиметров и высотой 40-50 мм с шлифованными плоскопараллельными поверхностями  с помощью непрерывного вдавливания штампа, имеющего диаметр от 2 до 5 миллиметров, снимают график зависимости деформации от применяемой нагрузки. При этом нагрузка применяется вплоть до полного разрушения цилиндра под воздействием штампа. По графикам, полученным в результате этого процесса, и измеряют характеристики горных пород, которые заложены в основу их современной классификации. Некоторые из них можно рассчитать по уже известным зависимостям. Так, модуль Юнга пересчитывают с помощью коэффициента Пуассона. Твердость по штампу классифицирует все породы на три большие группы: мягкие, твердые и  средние. Каждая группа имеет разбиение на четыре категории.

Первую группу составляют сильнопористые и высокопластичные горные породы.

Ко второй относят в основном пластично-хрупкие породы – известняки, алевролиты, доломиты, ангидриты и песчаники.

И, наконец, третью группу составляют хрупкие породы – метаморфические и изверженные (среди пород, которые встречаются при бурении скважин на газ и нефть, к этой группе относятся кварциты, кремни и окремнелые доломиты и известняки).

Кромке указанной выше методики, на практике применяют упрощенный метод определения твердости, который предложили Л. Б. Глатман и Л. И. Барон. В качестве рабочего инструмента используют  штамп диаметром 2-5 миллиметров, который вдавливают в поверхность исследуемого образца. При этом подготовленный к испытаниям образец горной породы подвергают обдирке или околке на абразивном круге без шлифования. В качестве характеристики горной породы принимают контактную прочность, которая параметрически соответствует пределу прочности на вдавливание, однако по абсолютному значению намного меньше твердости по штампу. По данной характеристике горные породы разделяют на шесть основных категорий: слабые (до 400 МПа), породы ниже средней крепости (от 400 до 600 МПа), породы средней крепости (от 650 до 1250 МПа), крепкие породы (от 1250 до 2450 МПа), очень крепкие горные породы (от 2450 до 4500 МПа) и крепчайшие (свыше 4500 МПа).

Во время испытания горных пород на прочность иногда применяют методы дробления и методы соосных пуансонов. В методах соосных пуансонов определяют временное сопротивление степени сжатия с помощью раздавливания диска, сформированного из образца горной породы, причем его диаметр намного превосходит диаметр сжимающих его пуансонов. Данный метод считается промежуточным между испытаниями на вдавливание и методом одноосного сжатия.

В настоящее время в горной промышленности в качестве характеристик механических свойств пород все еще применяют коэффициент крепости по шкале Протодьяконова. В шкале относительной крепости за единицу взята порода, имеющая временное сопротивление одноосному сжатию 10 МПа во время процесса раздавливания кубика данной породы на прессе. При этом все горные породы делятся на десять категорий в зависимости от коэффициента крепости. К первой категории с коэффициентом f = 20 относят самые крепкие, вязкие и плотные базальты, кварциты  и др. К десятой категории (коэффициент f = 0,3) относят разжиженный грунт, плывуны и т.д. Для того, чтобы как-то учесть динамику разрушения горных пород во время определения прочности, Протодьяконов предложил метод толчения, в котором образец предварительно разбивают на куски размерами 15-20 миллиметров в поперечнике, затем из них отбирают пять проб, каждая из которых содержит пять кусков, пробу размещают в стакан из стали и толкут, сбрасывая на нее груз массой 2.4 килограмма с высоты 0.6 метра от 3 до 15 раз. Груз имеет плоское основание диаметром 66 миллиметров. Полученную толченую породу просеивают через сито с отверстиями диаметром 0.5 миллиметра, а просеянный материал измеряют с помощью объемомера с отсчетом по его шкале.

Для того чтобы исследовать механические свойства горных пород, при этом выполнить оценку сопоставимости условий проведения горных выработок, требуется использование громадного количества экспериментального материала. Это привело к необходимости определения корреляционных зависимостей между прочностными характеристиками горных пород, полученными с помощью разных методик. В качестве примера хорошего уровня корреляции показателей прочности по методу контактной прочности является рекомендация Л. И. Барона применять соотношение рк = 0,62 рш. Для метода соосных пуансонов приемлемым считается корреляционное соотношение σсж = рш/12. Разрушение образцов горных пород небольших размеров, в том числе и разрушение по методу профессора Протодьяконова, имеет достаточный коэффициент корреляции σсж = рш/16. проведенные исследования показали, что данный коэффициент корреляции зависит от петрографических и литологических характеристик изучаемых горных пород. Так, соотношение твердости горных пород по методу толчения Протодьяконова и по штампу составляют для известняка - рш =15 fд + 30, для доломитов - рш =13,2 fд + 64.

В качестве значимой характеристике для выбора режима буровых работ является такой показатель, как пластичность горной породы. Ее величину определяют на этапе выяснения твердости методом вдавливания штампа, с помощью графика зависимости деформации от применяемой нагрузки. Выделяют три основные группы по их пластичности – высокопластичные, пластично-хрупкие и хрупкие.

В качестве определяющих механических характеристик горных пород принято считать абразивность, которая означает способность породы изнашивать материал, из которого изготавливают инструмент для буровых работ и которым вооружают долото.

Для выяснения абразивности породы проводят испытания, в процессе которых по замеру массы или объема металла, который подвергся изнашиванию в процессе трения в обычных для данного метода условиях. В российской практике наиболее часто используется метод Л. А. Шрейнера, основу которого составляет оценка износа эталонного металлического кольца образцом  исследуемой горной породы с помощью вращения. Кольцо боковой цилиндрической поверхностью прижимается к горизонтальной поверхности образца, затем начинает вращаться вокруг оси, при этом образец перемещается относительно кольца. Измеряется объем изношенного материала кольца при перемещении исследуемого образца на один метр. Этот объем и определяет уровень абразивности горной породы.  С помощью данного метода можно приближенно моделировать степень изнашиваемости инструмента, применяемого при разработке горных пород.

Метод А. В. Кузнецова и Л. И. Барона предлагает измерять абразивность с помощью истирания двух торцов стального стержня эталонных размеров (диаметр – 8 миллиметров) о необработанную поверхность породы при осевой нагрузке 150 Н и постоянной частоте вращения стального стержня (6.7 оборота в секунду) в течение 10 минут. По данному методу горные породы разбиты на 8 классов, при этом самые малоабразивные породы (мрамор, известняк, каменная соль, апатиты) имеют показатель абразивности < 5 мг, а очень абразивные породы (корундосодержащие) – свыше 90 мг.

Метод измерения абразивности горных пород под наименованием ЦНИГРИ, который предложил Н. И. Любимов, основан на установлении величины потери массы эталонного материала, в качестве которого приняты шарики дроби из свинца в процессе его истирания предварительно раздробленной горной породой с размером фракции менее 0.5 миллиметров, что достигается с помощью толчения породы во время определения ее динамической прочности. Данный метод реализуем с помощью прибора ПОАП-2М, при этом сразу же определяется и показатель динамической прочности горных пород. По данному методу определения абразивности горные породы делятся на 6 групп.

Во всероссийском научно-исследовательском институте методики  и техники разведки специалистами разработан прибор ПОБ-1, который применяется для измерения буримости, механической обрабатываемости и абразивности исследуемых горных пород с помощью анализа акустико-эмиссионных колебаний, которые возникают в процессе разрушения горной породы, а также анализа активной мощности, которая используется вращающимся алмазным кругом при разрушении горных пород.

Отмечается, что связь твердости горных пород с  ее абразивностью неадекватна: у пород, имеющих однородную структуру, она пропорциональна, у неоднородных – не подлежит классификации. Так, твердость песчаника  в значительной мере зависит от текстуры и структуры цементирующей компоненты и гораздо меньше – от выкрашивающихся зерен породы. Большая скорость изнашивания мягкого цементирующего карбоната под воздействием истирания делает высокопрочные кварцевые зерна определяющим элементом в установлении абразивности. Например, известковый песчаник, который содержит обломки кварца в количестве более 20%, по абразивности превосходит кварцит.

Выбор наиболее подходящего типоразмера долот и вооружения потребителями и изготовителями этого оборудования на основе испытаний опытных долот и детального анализа работы серийных экземпляров. Если говорить о критериях выбора долот по механическим свойствам пород, то для бурения скважин шарошечными долотами характеристики твердости, если они уже известны, можно с успехом использовать, так как каждый типоразмер предназначен для бурения пород  конкретной твердости: для мягких пород – «М», для пород средней твердости – «С», для твердых горных пород – «Т», и для очень крепких  - «ОК».

Кроме выбора типа долота, имеется потребность в определении наиболее рационального режима его эксплуатации. Для установления первого приближения достаточно определить нагрузку на долото G в зависимости от  его частоты вращения n. При определении режимов проведения буровых работ некоторые исследователи рекомендуют применять осевую нагрузку G (кгс) исходя из соотношения G ≥ aFKрш, где а = 0,3 : 1,59; рш - твердость по штампу, кгс/мм2, FK - площадь контакта, мм2.

На частоту вращения долота оказывает влияние пластичность горной породы, поскольку рост этого показателя в проведенных исследованиях на разрушение с помощью единичного зуба при использовании динамического нагружения показал, что время, необходимое для реализации нагрузки, при которой происходит разрушение образца горной породы, увеличивается. С помощью стендового бурения и экспериментальных исследований выяснено, что пластические показатели горных пород оказывают достаточно весомое влияние на эффект их разрушения в зависимости от скорости деформации, а также на зависимость скорости бурения от частоты, с которым вращается долото.

Показатель объемной удельной работы разрушения горных пород применяется только для моделирования элементов бурения. Например, для определения самой эффективной рабочей поверхности бурового инструмента. Опыты с вдавливанием штампов различной формы очень хорошо согласуются с итогами исследований по выбору материала рабочей поверхности долота, наиболее рациональной формы периферийного активного оборудования, дискового оснащения долот.

Принятая в настоящее время классификация горных пород по их механическим характеристикам на категории, классы, группы достаточно легко реализуется в угольной и горнорудной отрасли, поскольку расстояние между отдельными скважинами составляет первые десятки метров, и в большинстве своем разрез скважин глубиной 60 метров достаточно стабилен и сопоставим, при этом забор образцов горных пород для их дальнейшего исследования не представляет особых трудностей. 

При этом выбор эффективного типа долот по твердости горной породы намного более затратен, нежели с использованием статистического сравнения показателей, полученных в процессе бурения. Для  буровых работ по нефти и газу проблема определения аналогичных характеристик намного усложняется поступлением требуемого для исследований керна, но созданные на настоящий момент методики и специальные компактные приборы дают возможность изучать механические характеристики разбуриваемых пород с использованием выводимого из скважины шлама прямо на буровой установке, без использования лабораторных методов исследования.

Уровень нагрузки  на долото, который рассчитывается с помощью формулы G ≥ aFKp ш, при использовании в глубоких скважинах, в большинстве случаев физически недостижима, а для пересчета необходимы громоздкие вычисления, поэтому наиболее удобным методом является выбор требуемого уровня нагрузки по статистике отработки долот или с помощью модели бурения в виде зависимости V ( G , n ), которая устанавливается непосредственно в процессе бурения.

Сочетание характеристик нагрузки на долото и частоты его вращения тем или иным образом обусловлено свойствами исследуемой горной породы и принимается в соответствии с диаграммой в виде гиперболы, где большему уровню нагрузки на  долото, необходимому для успешного разбуривания горной породы, соответствует меньшая частота вращения долота, и наоборот.

Если говорить в целом, то изучение физических свойств горных пород в настоящий период носит сугубо теоретический характер, в силу самых разных причин. Например, одной из таких причин является использование самого простого оборудования практически без всякого обоснования  конечных целей проводимых исследований и последующей применимости полученных результатов на практике. И если 30-40 лет назад в испытательных исследованиях горных пород более-менее соблюдалось подобие работы шарошечных долот первых конструкций, то теперь, в результате значительного совершенствования конструкции долот это подобие практически полностью аннулировано.

Появление на отечественном рынке высококачественного импортного бурового оборудования, долот и инструментов, поставляемых известнейшими зарубежными фирмами, не только показало новые возможности проведения буровых работ, но и оказалось хорошим стимулом для российских производителей шарошечных долот для создания долот повышенной стойкости (в 2-3 и более раза), использование которых привело к тому, что устаревшие методы определения характеристик горных пород уступили современным статистическим методам исследования механических характеристик пород в совокупности с определением режимов бурения. Те методы определения характеристик пород, которые появились в начале 70-х годов прошлого века с использованием выносимого на поверхность бурового шлама, в начале 90-х годов перестали использоваться.

Подводя итоги относительно отставания методов исследования физических характеристик пород, их неоправданную трудоемкость и низкую оперативность, следует принять во внимание необходимость значительной активизации научных исследований в этой сфере, их прикладной важности, с применением современного технического и интеллектуального потенциала, а также с учетом большой потребности в таких знаниях не только сегодня, но и в перспективе.

По материалам promvest.info