3.2.6. Классификация горных пород по трещиноватости
Другим важным физическим свойством горной породы, оказывающим влияние на её механическую прочность, устойчивость и буримость, является трещиноватость.
Трещиноватость даже очень твердых горных пород значительно влияет на выход керна – основное назначение разведочного бурения.
Классификация горных пород по трещиноватости произведена на основании оценки трех параметров [31]:
- удельной кусковатости керна Ку, шт. / метр;
- выхода керна Вк, % ;
- показателю трещиноватости W, ед./ образец.
На основании этих параметров показатель трещиноватости рассчитывается по формуле
,
(3.24)
где W – показатель трещиноватости породы, определяющий среднее количество трещин, встречаемых коронкой за один оборот на забое, ед./оборот;
Dк – диаметр керна, м;
Ку – удельная кусковатость керна, шт./метр;
λ – опытный коэффициент, учитывающий степень вторичного дробления породы (0,7-1,0);
β – угол встречи плоскости трещин с осью скважины, градус.
Таким образом, при оценке степени трещиноватости горных пород оценивается и угол встречи трещин с осью скважин.
Таблица 3.9
Классификация горных пород по трещиноватости для вращательного колонкового бурения
Группа горных пород по трещиноватости |
Степень трещиноватости горных пород |
Удельная кусковатость керна, Ку, шт./м |
Показатель трещиноватости W, ед./ оборот |
Выход керна Вк,% |
I |
Монолитные |
1-5 |
0,5< |
100-70 |
II |
Слаботрещиноватые |
6-10 |
0,51-1,0 |
90-60 |
III |
Трещиноватые |
11-30 |
1,01-2,0 |
80-50 |
IV |
Сильнотрещиноватые |
31-50 |
2,01-3,0 |
70-40 |
V |
Весьма и исключительно трещиноватые |
>51 |
>3,01 |
30-60 и менее |
Все входящие в расчет по формуле (3.24) параметры определяются по поднятому из скважины керну.
На основании разработанных критериев cоставлена классификация горных пород по трещиноватости применительно к вращательному колонковому бурению (табл. 3.9), с помощью которой можно прогнозировать разработку и эффективность использования буровых коронок и соответствующих режимов бурения, сопоставлять результаты бурения в различных горно-геологических условиях, осуществлять типизацию этих условий для различных задач бурения, решать другие задачи.
3.3. Оценка буримости горных пород методом вызванной акустической эмиссии
Современное бурение является наиболее информативным инструментом исследования недр. Для исследования процесса бурения, развития методов изучения недр развиваются технологии получения научной, технико-технологической и геолого-геофизической информации в процессе бурения. Эта информация может позволить оптимизировать режимы бурения, оперативно определять рудные тела, границы геологической среды и другие особенности геологического строения земных недр. Для решения названных задач в практике бурения скважин и при лабораторных исследованиях нашел применение метод, основанный на регистрации и анализе акустических колебаний, возникающих в результате взаимодействия бурового инструмента с породой на забое буримой скважины.
Существование акустического поля при механическом разрушении горных пород обусловлено явлением вызванной акустической эмиссией.
Акустическая эмиссия – излучение акустических колебаний, вызванных динамической перестройкой структуры материала в процессе деформирования и разрушения (разрыва связей).
При бурении акустическая эмиссия возникает в связи с образованием микротрещиноватости в процессе взаимодействия резцов инструмента с породой. Излучаемый при этом сигнал имеет спектр, который устойчиво зависит как от механических свойств и структуры горных пород, так и режима разрушения горных пород (поверхностное истирание, усталостное или объемное разрушение).
При стендовых исследованиях акустическими датчиками определялась зависимость регистрируемых спектров от параметров режима бурения (осевой нагрузки, частоты вращения и др.). Эксперимент показал, что при стабильных режимах бурения породы одного состава акустические сигналы характеризуются практически одинаковыми частотными спектрами, обусловленными явлением вызванной акустической эмиссии. При изменении литологического типа породы спектра претерпевают изменения. Стабильность характеристических частот обусловлена особенностями образования микротрещин в зоне воздействия породоразрушающего инструмента на породу.
Наряду с методом вызванной акустической эмиссии для исследования процессов разрушения горных пород в ТПУ разработаны аппаратура и методика регистрации импульсного электромагнитного поля, позволяющие оценивать сопротивление твердых тел разрушению. Данный метод позволяет фиксировать процессы зарождения и развития трещин при нагружении путем измерения потенциала электромагнитного поля, который меняется при изменении электромагнитной ситуации внутри тела за счет деформаций кристаллических решеток и образования разрывов связей внутри кристаллов.
Таким образом, наряду с традиционными методами исследования прочностных свойств горных пород, их буримости развиваются и находят применение методы дистанционной диагностики, возможности которых достаточно велики, особенно при использовании в сочетании с возможностями компьютерных технологий.
Контрольные вопросы к главе 3
1. Твердость горных пород и методы её определения.
2. Параметры свойств горных пород, определяемые при испытании горных пород на твердость по методике проф. Л.А.Шрейнера.
3. Удельная контактная работа разрушения горных пород при вдавливании индентора.
4. Влияние воды и водного раствора с ПАВ на твердость горных пород.
5. Влияние диаметра индентора на твердость и удельную контактную работу разрушения горных пород.
6. Особенности механизма разрушения горных пород при вдавливании нескольких инденторов.
7. Твердость анизотропных горных пород.
8. Изнашивание бурового инструмента. Мера изнашивания.
9. Особенности изнашивания бурового инструмента при вращательном бурении.
10. Влияние внешней среды на изнашивание бурового инструмента.
11. Влияние смазывающей способности среды на изнашивание бурового инструмента.
12. Влияние охлаждающей способности среды на изнашивание бурового инструмента.
13. Механизм разупрочнения и изнашивания металла и твердого сплава.
14.Влияние раствора с ПАВ на изнашивание бурового инструмента.
15. Влияние осколков разрушенной породы на изнашивание бурового инструмента.
16. Методы повышения износостойкости бурового инструмента.
17. Ресурс, эффективный ресурс бурового инструмента.
18. Абразивность горных пород, методы определения абразивности горных пород и изнашиваемости бурового инструмента.
19. Определение абразивности горных пород по изнашиванию свинцовых шариков.
20. Категории горных пород по буримости для вращательного бурения.
21. Динамическая прочность горных пород. Методика определения.
22. Категории горных пород по буримости для ударно-вращательного бурения.
23. Разделение горных пород по буримости по методике компании Atlas Copco.
24. Трещиноватость горных пород, оценка трещиноватости горных пород.
25. Назначение и существо метода вызванной акустической эмиссии.