Классификация горных пород по величине твердости и условного предела текучести

Группа	Категория	H, МПа	Ро, МПа
1	2	3	4
М	1 2 3 4	< 100 100 – 250 250 – 500 500 – 1000	< 40 40 – 110 110 – 250 250 – 550
С	5 6 7 8	1000 – 1500 1500 – 2000 2000 – 3000 3000 – 4000	550 – 850 850 – 1200 1200 – 1900 1900 – 2500
Т	9 10 11 12	4000 – 5000 5000 – 6000 6000 – 7000 > 7000	2500 – 3500 3500 – 4200 4200 – 5100 > 5100

К группе М относятся породы сильнопористые и высокопластичные. Из горных пород, встречаемых при бурении нефтяных и газовых скважин, к первой группе относятся глины, аргиллиты, пористые алевролиты, песчаники, известняки.

К группе С относятся породы пластично-хрупкие: алевролиты, песчаники, известняки, доломиты.

К третьей группе Т относятся изверженные и метаморфические горные породы, склонные к развитию большой упругой деформации и хрупкому разрушению. Из горных пород, встречаемых при бурении нефтяных и газовых скважин, к группе Т относятся кремни, кварциты, окремнелые разновидности известняков и доломитов.

Разбуриваемые инструментом горные породы могут чередоваться по величине твердости. Для разбуривания таких массивов горных пород предназначены промежуточные типы инструментов: МС, СТ.

Подавляющее большинство горных пород, слагающих нефтяные и газовые месторождения, относятся к первым восьми категориям.

Приближенно значение твердости горной породы можно определить с помощью аналитически полученной формулы, связывающей величину твердости горной породы при вдавливании в ее поверхность цилиндрического индентора с плоским основанием со значением прочности горной породы при одноосном сжатии образцов σ_сж : Н = σ_сж(1 + 2π). Величина σ_сж большинства горных пород табулирована. Переоценивать эту формулу не стоит: Л.А.Шрейнер установил, что отношение Н / σ_сж для горных пород меняется в диапазоне 5 – 20.

Твердость является основным показателем, с помощью которого определяется необходимая для эффективного разрушения горной породы осевая нагрузка на долото. Нагрузка на долото – один из основных параметров, определяющих режим работы породоразрушающего инструмента на забое скважины.

Оценка эффективности разрушения. Вдавливание в горную породу инденторов различной геометрии показывает, что для их внедрения на одинаковую глубину требуется различное осевое усилие. При этом и объёмы лунок выкола в месте вдавливания также получаются разными. Суммируя все это, говорят о различной эффективности разрушения горной породы инденторами различной геометрии.

В лабораторных условиях эффективность разрушения оценивается следующими показателями:

1) масштабом разрушения, который оценивается объемом возникшей лунки, площадью разрушения поверхности образца, глубиной лунки (объем лунки измеряется с помощью пластилина, парафина, глубина лунки – индикатора часового типа, площадь зоны разрушения (диаметр) – измерительной лупой);

2) энергоемкость разрушения, которая оценивается количеством затраченной на разрушение энергии – общая работа разрушения, удельная контактная и удельная объёмная работы разрушения.

Согласно оценкам Л.А.Шрейнера, коэффициент полезного действия при разрушении породы вдавливанием в ее поверхность индентора составляет величину порядка 0,01  %. Величина коэффициента полезного действия определяется отношением A_п/A_с, где A_п = 2γ_o·ΔS – полезная энергия, затраченная на получение свежей поверхности, а A_с – суммарное количество энергии, которое потребовалось для разрушения породы под индентором при его внедрении в горную породу.

Мы полагаем, что величина коэффициента полезного действия, оцененная Л.А.Шрейнером, занижена. В формуле для подсчета полезной энергии, затраченной на получение свежей поверхности, вместо γ_o должна стоять величина γ_эфф , которая, как известно, существенно превосходит величину удельной свободной поверхностной энергии минералов.

Малая величина коэффициента полезного действия объясняется большими механическими потерями энергии, значительно превышающими величину A_п. Величина потерь энергии при разрушении горной породы вдавливанием велика по следующей причине: в ядре сжатия вследствие повышения температуры из-за большого трения между частицами минералов развиваются большие пластические деформации.

Энергоемкость разрушения при вдавливании индентора A_с определяется площадью фигуры ОАВС, т.е. определяется работой на участке упругого деформирования и работой на участке нелинейной связи между силой вдавливания F и деформацией δ:

A_с = A_у + A_ну,

где работа упругих сил A_у определяется величиной площади треугольника ОАD: A_у = F_a·δ_а / 2, δ_а – максимальная величина упругой деформации (отрезок ОD), A_ну – работа на участке необратимого деформирования (площадь криволинейной трапеции АВСD), DC – величина неупругой, остаточной деформации.

Удельная контактная энергия A_s разрушения и удельная объёмная энергия A_v определяются выражениями, соответственно:

A_s = A_с / S_ш,

A_v = A_с / V ,

где V – объём лунки, возникшей в горной породе под пятном контакта.

Величина удельной объёмной энергии разрушения A_v горной породы при вдавливании в нее индентора достигает больших значений (1 ÷ 9)·10⁷ Н·м/м³. Это связано с возникновением в горной породе под пятном контакта трехосного неравно-компонентного состояния сжатия.

6.2.2. Особенности разрушения горных пород при вдавливании инденторов. Механизм разрушения горной породы под индентором определяется напряженным состоянием, возникающим в породе под пятном контакта.

Вдавливание клина. При вдавливании заостренного наконечника осевым усилием F в металлы в последних углубление клина сопровождается пластической деформацией металла под вдавливаемым клином. Результатом вдавливания является образование на поверхности металлического образца лунки, имеющей форму вдавливаемой части наконечника. Хрупкого разрушения металла не происходит. Деформационная кривая  – F имеет вид, приведенный на рис. 32 а.

При вдавливании клиновидного наконечника в горную породу характер связи между глубиной вдавливания  и осевым усилием F совершенно иной: связь  – F отличает скачкообразный характер вследствие разрушения горной породы (рис. 32б). В первые моменты вдавливания наконечника связь между F и можно считать в первом приближении линейной:  = kF, где k – размерный коэффициент пропорциональности, хотя, строго говоря, здесь наблюдается нелинейная зависимость между  и F. Нелинейность связи обеспечивается не развитием пластической деформации, а закрытием пор и трещин в горной породе, уплотнением минералов при разрушении адгезионных границ между ними и последующим сжатием. В точке деформационной кривой, соответствующей силе вдавливания F₁ , происходит хрупкое разрушение породы и  изменяется скачком от ₁ до ₂. После этого вновь наблюдается линейная связь между глубиной вдавливания  и действующей силой F. При достижении усилием вдавливания значения F₃ происходит следующий выкол и резкое изменение глубины внедрения  и т.д.

Особенностью разрушения горной породы при вдавливании клина являются следующие две закономерности:

F₃ – F₂ > F₁,

₂ – ₁ < ₄ – ₃.

Ограничением такого способа разрушения горных пород при бурении нефтяных скважин является его нетехнологичность.

Вдавливании цилиндрического индентора с плоским основа-нием (рис.33). Решение этой задачи, проведенное при выполнении условия

P_к = F/(a²) = const,

показало (Эйгелес Р.М.), что в горной породе под пятном контакта возникает трехосное напряженное состояние сжатия в объеме усеченной сферы (Рис. 33, областьI). Усеченная сфера называется «ядром сжатия».

В области II, окружающей ядро сжатия, напряжения ₁ становятся положительными, а напряжения ₂, ₃ остаются отрицательными ( ₁ > 0, ₂ < 0, ₃ < 0). В области III: ₁ > 0, ₂ > 0, ₃> 0. Нижней границей ядра сжатия является поверхность ₁ = 0.

Возникновение трехосного напряженного состояния сжатия горной породы под пятном контакта является основным, сдерживающим проникновение в глубь горной породы забоя скважины породоразрушающих элементов вооружения долот, фактором. Необходимо не только знать механизмы разрушения породы под пятном контакта, но и определить пути стимулирования сдвиговой неустойчивости породы.

Виновником разрушения горной породы, находящейся под индентором, при росте усилия вдавливания F являются касательные напряжения. Наиболее опасными с точки зрения разрушения являются две области горной породы, в которых касательные напряжения достигают максимальных значений:

а) z = 0, │r│ = a – область горной породы, прилегающая к контурной линии,

б) z = a[2(1 + ) / (7 – )]^0.5 = z^*, r = 0 – область, располагающаяся на оси симметрии z  под пятном контакта.

Возникающее на оси симметрии r = 0 максимальное касательное напряжение лишь на 5 % меньше касательного напряжения, возникающего на контурной линии.

В соответствии с наличием двух экстремальных областей выделяют и два механизма разрушения горной породы под вдавливаемым в неё индентором. Ниже мы их рассмотрим. В обоих механизмах процесс разрушения горной породы при вдавливании индентора состоит из трёх стадий, сменяющих друг друга по мере увеличения контактного давления P_к: развитие упругих, остаточных деформаций в горной породе под пятном контакта, а затем отделение части породы от массива (образца) в результате развития кольцевой трещины отрыва, охватывающей контактную площадку.

Первый механизм разрушения. Этот механизм разрушения характерен для таких горных пород, как кварцит, доломиты, песчаники и пр.

Разрушение начинается в первой экстремальной области. Упругая стадия взаимодействия индентора с горной породой определяется в значительной степени контактными условиями: формой пятна контакта (отклонение формы пятна от окружности), величиной трения между индентором и поверхностью породы. При отсутствии смазочного материала (третьего тела), расположенного между индентором и поверхностью образца горной породы, последняя не способна деформироваться вдоль поверхности образца (отсутствие радиальных смещений). Это приводит к тому, что при определенном значении контактного давления от точек контурной линии растет конусная трещина, которая уходит в глубь горной породы и делит породу под индентором на усеченный конус (УК) и консоль (К) (рис. 34).

Дальнейший рост осевого усилия вызывает упругое сжатие усеченного конуса, затем происходит полное или частичное разрушение материала конуса.

Перечисленные процессы приводят к увеличению давления конуса на консоль и изгибу консоли. На внутренней поверхности консоли под действием растягивающих напряжений появляется трещина нормального отрыва, которая при дальнейшем росте усилия F выходит на свободную поверхность. Эту трещину нормального отрыва называют магистральной, т.к. её развитие вызывает завершение разрушения горной породы при вдавливании индентора.

Заключительная стадия разрушения горной породы при вдавливании цилиндрического индентора состоит в отломе консоли в результате передачи на неё части давления P_к индентора через материал конуса.

Откалывание консоли стимулирует смятие усеченного конуса, индентор при этом скачком погружается в глубь горной породы. Дальнейшее разрушение породы под пятном контакта происходит при следующем внедрении индентора в горную породу осевым усилием.

Второй механизм разрушения. Разрушение начинается во второй экстремальной области (рис. 34 б). Рост силы F приводит к образованию на оси симметрии r = 0 в районе точки z^* серповидной области, в которой касательное напряжение достигает максимальной величины _max. В этой области развивается зона необратимых структурных изменений (пластическая деформация, рост микротрещиноватости зерен, потеря связности между ними). При малых осевых усилиях зона необратимых деформаций (зона предразрушения) локализуется в приповерхностном слое породы. При дальнейшем росте осевого усилия область необратимых деформаций увеличивается за счет развития в глубь массива (образца). Возникает ядро предразрушения, представляющее собой усеченный овал (УО) и упругую консоль (К) (рис. 34 б).

По мере накопления структурных изменений в ядре, оно начинает передавать осевое усилие, развиваемое индентором, на консоль в возрастающей степени, и это приводит к отлому консоли. Так реализуется первый скачок процесса разрушения при вдавливании. При дальнейшем внедрении индентора в горную породу весь процесс повторяется, образуя второй и следующие скачки разрушения. Значения контактного давления, вызывающего последовательные скачки разрушения, возрастают.

Третий механизм разрушения. Этот механизм возникает в горной породе, находящейся на большой глубине при большом давлении и при повышенной температуре. В этом случае вследствие увеличения пластических свойств породы осевое усилие вдавливает индентор в горную породу на большую глубину. Вылом консоли происходит при больших значениях осевого усилия. Возникающая при этом лунка имеет большие размеры.

Механизм разрушения горных пород по Л.А.Шрейнеру. Разрушение горной породы под индентором является результатом развития пластической деформации (пластических сдвигов). Начало пластического деформирования породы связывается с достижением контактным давлением предела текучести породы. Непосредственно под пятном контакта в горной породе в объёме полусферы вследствие большого всестороннего сжатия породы пластического течения не происходит. Пластические сдвиги происходят в горной породе за границей полусферы, причем с ростом контактного давления пластическим деформированием охвачены все более глубокие слои породы, прилегающие к сжатой полусфере.

Когда пластические сдвиги по некоторой конической поверхности, касательной к полусфере, достигают поверхности образца, горная порода под пятном контакта теряет устойчивость, и индентор резко движется вниз, разрушая не только ядро сжатия, но и выламывая консоль. В малопластичных горных породах пластические сдвиги развиваются только в нижней части ядра сжатия и не доходят до поверхности образца.