3.1.4. Твердость анизотропной горной породы
Горные породы отличаются существенным отклонением прочностных свойств от средних значений. В ряде случаев эти отклонения не имеют, на первый взгляд, каких либо явно установленных закономерностей и распределены в объеме образца или массива горной породы достаточно случайно. Этому есть свои причины и объяснения, связанные с процессами при образовании пород, их тектонической напряженностью и др.
Для других горных пород, прежде всего отличающихся наличием слоистой или сланцеватой текстуры, закономерности изменения прочностных свойств и, прежде всего, твердости, а соответственно и буримости, связаны с ориентацией слоев, поверхностей отдельностей, направленной укладкой кристаллов минералов и др. Такие породы характеризуются ярко выраженной анизотропией прочностных свойств.
А
низотропия
горных пород существенно влияет на
буримость, на формирование ствола
скважины.
Анизотропия горных пород приводит к неоправданному росту объема разрушенной породы из-за появления поперечных, дестабилизирующих работу бурового инструмента, сил, что снижает ресурс инструмента. Формирование уступов в стенке скважины под влиянием поперечных сил может приводить к потерям действующей осевой нагрузки.
Анизотропия горных пород создает проблемы при кернообразовании.
Таким образом, анизотропия горных пород существенно влияет на эффективность бурения, а поэтому следует учитывать особенности распределения прочностных свойств горных пород.
Как показывают исследования, показатели анизотропии различных горных пород могут варьировать в пределах от 1,05 (слабая анизотропия ) до 1,25 (средняя) и 1,8-2,0 (сильная анизотропия горных пород).
Например, работы по определению показателей анизотропии Лениногорского рудного района (Казахстан), выполненные В.Д. Ларионовым, показали, что анизотропия по твердости максимальна в вулканогенных туфах-туффитах – Кт = 1,22-1,83, а средняя и наименьшая – в осадочных (Кт = 1,17-1,27) и магматических породах (Кт =1,06-1,08) [21].
На рис. 3.7 приведены результаты определения твердости анизотропного туфо-дацита. Порода является эффузивной, имеющей флюидальную текстуру, которая определяет анизотропию различной степени, заданную полосчатым чередованием светло- и темно-коричневых субпараллельных слойков [21, 22].
Результаты определения твердости туфо-дацита в плоскости, перпендикулярной флюидальности, приведены на рис. 3.7, а, б, согласно которым показатель анизотропии по твердости Кр = 1,65 (соотношение твердостей, замеренные вдоль и перпендикулярно слоям породы), а распределение твердости по отношению к сланцеватости достаточно близко к линии эллипса.
Согласно полученным данным, породу можно характеризовать как анизотропную упруго-пластичную породу средней твердости.
По диаграммам деформации туфа рассчитаны модули упругости (Е) и коэффициенты пластичности (Кп). Для данной породы определены также предельные значения напряжений на сжатие и растяжение по этим направлениям. Указанные значения параметров составили: σ//р=12963,5 кПа, σ┴р=21658 кПа, σ//сж=12287,2 кПа, σ┴сж=15190 кПа. Коэффициент Пуассона (μ) для туфа-дацита равен 0,07 и 0,1 при испытании породы вдоль и перпендикулярно флюидальности, соответственно.
Полученные экспериментально значения параметров позволили рассчитать комплексный показатель, объединяющий все параметры свойств, удельную контактную работу разрушения As (формула 3.8).
Результаты определения параметров физико-механических свойств туфо-дацита и показатели буримости алмазной однослойной коронкой, приведены в табл. 3.5.
Таблица 3.5