22. Влияние шероховатости поверхности горных пород

Поверхность горных пород на забое скважины и исследуемых образцов в лабораторных условиях всегда имеет ту или иную шероховатость, которая выражается в виде неровностей, бугорков и впадин небольших размеров, а также наличие макро- и микро- трещиноватости.

При малых нагрузках на долото, когда имеет место разрушение пород истиранием, шероховатость ее поверхности будет образовываться в основном за счет скольжения, перемещения рабочих элементов долота.

В зависимости от того, какую прочность имеют зерна породы и их цементирующее вещество, в процессе бурения при одном и том же разрушающем инструменте будет образовываться различная шероховатость. Чем меньше прочность цементирующего вещества, тем больше будет шероховатость. Такие породы обладают повышенной абразивностью ввиду непрерывного образования свежей поверхности зерен, острые грани которых изнашивают разрушающий инструмент. Если в породе цемент довольно прочный, то происходит разрушение, износ зерен и шероховатость поверхности породы уменьшается.

Таким образом, рост шероховатости поверхности пород, с одной стороны, приводит к понижению их прочности и повышению эффективности разрушения, а с другой стороны, способствует более интенсивному износу рабочих элементов долота, т.е. снижению эффективности разрушения пород.

Зависимость твердости пород от степени шероховатости при вдавливании цилиндрического штампа получена Л.И.Бароном и Л.Б.Глатманом. Между твердостью пород с необработанной поверхностью установлена корреляционная связь.

Р_к = 0,62Р_ш

Следует отметить, что вопрос влияния шероховатости на механические свойства горных пород изучен недостаточно.

1. Влияние воды на механические свойства горных пород

Вода оказывает особенно большое влияние на механические свойства рыхлых горных пород, которые делятся на два вида - несвязные и связные (глинистые).

Вода в порах может быть в различных состояниях.

По А. Ф. Лебедеву состояние воды в горных породах может быть следующее:

а) гигроскопическая вода в виде мономолекулярного слоя. Эта вода не растворяет солей, не передает гидростатического давления, не замерзает, не движется;

б) пленочная вода, т. е. слои воды, следующие за гигроскопической водой. Силы связи с поверхностью твердого тела в этом случае быстро уменьшаются.

Гигроскопическая и пленочная вода составляют физически связанную воду с толщиной слоя 0,25 - 0,5 мк.

Остальная вода называется гравитационной. Эта вода растворяет соли, замерзает, передает гидростатическое давление.

С ростом удельной поверхности горной породы растет и содержание физически связанной воды, влияющей на механические свойства.

Количество содержащейся воды в горной породе можно определить в % из следующего равенства

,

где G_n - масса влажной породы;

G_c - масса скелета породы.

Силы сцепления в несвязных горных породах очень малы. Такие породы сохраняют свою форму только за счет сил внутреннего трения между отдельными частицами.

Сопротивление сдвигу таких пород можно определить по формуле:

,

где - сопротивление сдвигу;

- прочность на сдвиг, зависящий от сцепления частиц;

- коэффициент внутреннего трения;

- среднее нормальное напряжение.

Это выражение соответствует огибающей кругов Мора и описывает прочностные свойства сыпучих тел.

Силы связи в связных глинистых породах имеют физико-химическую природу и обусловлены особым коллоидным состоянием глинистых минералов. Влияние воды на эти породы настолько велико, что от содержания воды они могут быть в твердом, пластическом или текучем состоянии.