Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 [ 58 ] 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94

?Чвм больше твердость пород, тем большая нагрузка требуется на долото для внедрения его в породу. Отсюда следует, что при постоянной максимально допустимой нагрузке на долото степень внедрения его в породу, а следовательно, и скорость бурения зависят от твердости породы. Скорость проводки скважин, разумеется, зависит не только и даже не столько от твердости пород, сколько от технологического процесса и общего технического уровня ведения буровых работ. Как известно, твердость пород в рассматриваемые отрезки времени не изменяется, а механические и технические скорости проводки скважин существенно увеличиваются. Поэтому в данном случае речь идет о влиянии твердости пород на скорость бурения применительно к данному способу бурения, к данному технологическому процессу и даже к данному геологическому району или геологической провинции. При этих условиях информация о твердости пород в геологическом разрезе имеет важное значение, в частности, для установления предельных нагрузок на долото.

Е. Ф. Эпштепн [270] предложил определять твердость пород путем вдавливания в породу резца, имитирующего элемент режущей части долота. В качестве такого резца он использовал металлический клин с углом в 60°, который вдавливался в породу под некоторой нагрузкой. По величине нагрузки и образовавшейся под резцом лунки оценивалось удельное сопротивление вдавливанию, которое рассматривалось в качестве агрегатной твердости породы. Твердость вычислялась по формуле

Рт = -(249)

2hb tg -

Здесь р - нагрузка па резец; 2hb tg - проекция площади

контактной поверхности (где h - глубина лунки; Ъ - длина лезвия резца; а - угол при вершине).

Изложенный подход к определению твердости горных пород получил дальнейшее развитие в исследованиях Л. А. Шрейнера и его сотрудников [184]. Эти исследования и легли в основу современной методики определения твердости горных пород для практического решения задач, связанных с бурением скважин. В данном случае используются цилиндрические или в виде усеченного конуса Штампы с площадью от 1 до 5 мм в зависимости от зернистости пород. С увеличением размера зерен в породе применяются штампы с большей площадью поперечного сечения. Для пород с малой твердостью используются цилиндрические штампы, а для твердых пород - штампы с усеченным конусом. При этом твердость породы измеряется как отношение нагрузки в момент общего хрупкого разрушения к площади штампа (в кгс/мм).

Следует заметить, что результаты определения твердости при Этом методе зависят не только от механических свойств горных пород, но и от размеров поверхности разрушающего инструмента. Исследования А. Т. Портновой и И. И. Павловой [205] показали,

что с увеличением диаметра штампа показатели твердости пород существенно уменьшаются, а показатели пластичности - увеличиваются. Так1Ш образом, определение твердости горных пород носит условный характер. Легко заметить, что эта условность не исчезает и при переходе на однотипные по размеру штапмы. Однако эти определения дают возможность сравнительной оценки твердости горных пород.

В табл. 35 приводятся пределы изменения твердости горных пород при нормальных условиях по данным В. П. Якушева и

A. Т. Портновой. Авторы, к сожалению, не приводят данных о размерах применявшихся ими штампов, поэтому трудно судить, насколько объективны сведения, изложенные в табл. 35. Тем не менее, они дают представление о порядке величин твердости разных пород: из табл. 35 видно, что для различных пород твердость может отличаться на порядок и больше. При этом, согласно исследованиям

B. В. Булатова [27], с увеличением внешнего всестороннего давления твердость их по штампу увеличивается.

Таблица 35

Твердость горных пород по штампу

В табл. 36 приводится твердость для некоторых осадочных пород при атмосферном давлении и при всестороннем давлении до 1000 кгс/см, подсчитанная по данным В. В. Булатова [27]. При увеличении всестороннего давления до 1000 кгс/см твердость горных пород может увеличиваться в 2-2,5 раза и более. Наибольшее увеличение ее наблюдается с увеличением всестороннего давления у горных пород, обладающих невысокой твердостью. Следовательно, по мере увеличения глубины залегания горных пород их твердость, при прочих равных условиях, увеличивается так же, как прочность, плотность, предел текучести и другие показатели.

В этой связи надо заметить, что изменение температуры оказывает влияние на твердость горных пород несколько иначе, чем всестороннее давление. Согласно исследованиям Н. А. Клочко при повышении температуры до 1000" С твердость таких пород, как кварцитов и гранитов, сначала увеличивается, а затем уменьшается. В одних опытах переломной гранипен последующего уменьшения твердости оказались 400° С, в других - 800° С. Однако эти данные нуждаются в дальнейшем уточнении.

Таблица 36 Твердость некоторых осадочных пород по штампу при атмосферном и всестороннем давлении

Твердость горных пород зависит также от их пористости, сцемеп-тироваппости и водонасыщенности. По данным В. В. Булатова [27], твердость известняков с пористостью 1-20% соответственно составляет 200-50 кгс/мм, а для мергелей с пористостью 1-10% соответственно равна 300 и 50 кгс/мм. т. е. с увеличением пористости твердость их существенно уменьшается. При увеличении карбонатности и уменьшении водонасыщенности твердость пород увеличивается. Согласно исследованиям К. М. Садиленко, твердость водонасыщенных горных пород на 15-17% меньше по сравнению с сухими.

Установлено [270] значительное различие между статической и динамической твердостью пород, например у известняка со статической твердостью 160 кгс/мм динамическая твердость оказалась равной 19 кгс/мм, т. е. примерно в 8-9 раз меньше.

Как уже отмечалось, твердость горных пород по штампу определяют по давлению, соответствующему общему хрупкому разрушению или пределу текучести образца, имея в виду, что при всестороннем давлении упругие деформации переходят в упруго-пластические или пластические. В связи с известной условностью этих определений результаты их могут, по-видимому, рассматриваться лишь в качестве некоторого условного критерия для сравнительной оценки твердости пород при ведении буровых работ.

КРЕПОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД

Хотя твердость горных пород имеет большое значение при бурении скважин, тем пе менее она пе может служить интегральным показателем, поскольку характеризует лишь сопротивление породы впеарению в нее режущего инструмента. Механизм разрушения пород при бурении скважин представляет собой более сложный процесс, который складывается из ряда элементов: внедрение долота в породу, скалывание ее, резание, дробление и т. д. Вследствие этого