ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Исследованиями установлено, что горные породы разрушаются вследствие отрыва (от нормальных напряжений) или сдвига, скалывания, среза (от касательных напряжений). При сжатии порода разрушается преимущественно на скалывание, при растяжении - на отрыв. Разрушение горных пород — процесс сложный, и разрушения на скалывание и отрыв сопровождают друг друга.

Процесс разрушения требует времени и происходит постепенно, но с различной скоростью. Разрушение обычно проходит по контактным поверхностям отдельных минеральных зерен. Продолжительность разрушения для одной и той же породы при прочих равных условиях определяется нагрузкой, температурой, активностью среды, напряженным состоянием и т.д.

При бурении скважин разрушение горных пород инструментами различного типа может быть поверхностным и объемным. Первый вид разрушения обычно неэффективен - он сводится к дроблению, истиранию, «выламыванию» из массива и проталкиванию в направлении движения инструмента частиц породы. Не вдаваясь в более подробное рассмотрение последнего процесса, остановимся на объемном разрушении горных пород.

Многие специалисты по разрушению горных пород считают, что разрушение горной породы при бурении инструментом дробящее-скалывающего действия (шарошечным) с известным приближением можно рассматривать как процесс вдавливания в породу наконечника (штампа) с плоским или криволинейным основанием.

Переход от меньшей степени нагрузки на штамп к большей изменяет скорость деформации. При этом различаются три фазы напряженного состояния породы под штампом: уплотнение (затухание деформации), предельное равновесие (разрывы и сдвиги) и разрушение.

В первой фазе скорость деформации уменьшается до нуля; в скальных породах при этом деформации являются упругими; в глинистых пластичных породах первая фаза — это фаза уплотнения. При разрушении горных пород первая фаза характеризуется поверхностным разрушением.

Во второй фазе скорость деформации не затухает, и при некоторой нагрузке деформация ползучести становится постоянной. Внешним проявлением второй фазы деформации являются появление скалывания по контуру давления в хрупких породах (появление клинообразного углубления) или пластические деформации у пластичных пород. При всестороннем сжатии (под штампом сферической формы) порода характеризуется механической неоднородностью. Любой дефект - вероятный очаг концентрации перенапряжений, вызывающий рост трещин.

При увеличении напряжения и росте сети трещин в породе возникают поверхности следующих друг за другом сдвигов, характеризующих деформации. Происходит объемное разрушение породы, причем в реальных горных породах, характеризующихся наличием дефектов, процесс разрушения идет и при нагрузках более низких, чем критические, но медленно. Длительность второй фазы определяется нагрузкой и условиями, в которых происходит процесс разрушения (температура, активность и т.д.).

Третья фаза - это фаза прогрессивного роста деформаций, фаза объемного разрушения. Для скальных пород она длится доли секунды.

Три фазы разрушения составляют полный цикл разрушения горный породы. Ярко выраженный скачкообразный характер наблюдается у хрупких, как правило, прочных пород. У хрупких, но менее прочных пород цикличность повторяется, но скачкообразный характер не столь ярко выражен. Малопрочным породам свойствен еще более плавный характер разрушения. При разрушении пластичных глин скачкообразности вообще не наблюдается.

Процесс динамического разрушения горных пород при использовании инструментов режуще-скалывающего действия (РСД), как считают ряд исследователей, не может моделироваться только «статическим вдавливанием». Физическая картина динамического «резания горных пород», включающая процессы истирания породы, внедрения резца, снятия «стружки» (скалывания) значительно сложнее и разнообразнее.

В конечном счете, поведение целого класса горных пород при их деформации и разрушении, достаточно широко представленного при бурении скважин на нефть и газ – пластичных мягких горных пород, - вообще не описывается методиками, моделирующими процессы вдавливания.

Энергетические характеристики в динамической системе взаимодействия единичного породоразрушающего элемента режуще-скалывающего действия с горной породой значительно отличаются от аналогичных показателей в статических условиях, т.е. при вдавливании.

Качественно это объясняется изменением силового, а значит и энергетического равновесия с началом движения режущего (породоразрушающего) элемента, так как в динамической системе «резец-порода» к осевому усилию добавляется так называемая «сила резания».

В начальный (переходный) период от статического процесса вдавливания элемента в горную породу к установившемуся динамическому перемещению резца за счет потери силового равновесия происходит постепенное дополнительное его внедрение в породу на определенную величину – до наступления нового динамического силового равновесия.

Контактные давления при резании горных пород, меньшие, чем необходимые для так называемого «объемного разрушения», вызывают обычное абразивное «истирание» пород. Это было исследовано и отмечено в многочисленных работах по разрушению горных пород инструментом РСД. При этом взаимосвязь силы «резания» и осевой нагрузки определяется значением коэффициента трения физической пары «резец – порода» в конкретной среде.

Значительно более высокие контактные нагрузки и давления, вызывающие процессы реальных объемных нарушений в горной породе при движении единичного породоразрушающего элемента, с большой долей вероятности изменяют количественное взаимоотношение между силой резания и осевой нагрузкой. Их взаимосвязь становится существенно сложнее, и должна определяться не только коэффициентом трения, но и неким «коэффициентом разрушения». Суммарная величина двух последних характеристик определяет величину коэффициента сопротивления» при резании K_р.

Установлено, что величина коэффициента сопротивления резанию породы с изменением скорости резания не остается неизменной, а уменьшается более чем в два раза в интервале скоростей резания от 5,7 см/с до 80,0 см/с. Иными словами, уровень оптимальности процесса стационарного динамического разрушения горной породы в конкретной системе «резец-порода» с ростом скорости резания значительно падает, и наоборот.

С увеличением скорости перемещения резца по горной породе, резко возрастают силы резания, необходимые для сохранения «стружки» постоянной величины. Это объясняется существованием так называемой «временной» зависимости прочности, связанной с особенностями развития многоступенчатого процесса накопления повреждений в твердом теле, распространения и взаимодействия трещин (перемещения дислокаций) и завершающего этапа - разрушения горной породы при динамическом резании инструментами РСД.

При ударном воздействии горные породы могут разрушаться при напряжениях меньше критических, соответствующих пределу прочности. При некотором значении силы порода разрушается после первого удара. Уменьшение силы требует увеличения числа ударов по одной и той же точке.

Ниже некоторого значения силы разрушения породы не произойдет при любом числе ударов.

Разрушение породы при циклических напряжениях обусловливается ее усталостью. Число циклов нагружения при напряжениях, близких к пределу усталости, необходимое для разрушения таких пород, как мрамор, известняк, доломит, кварцит, составляет 50-110. Отношение предела усталости к прочности для этих пород в зависимости от пластичности колеблется в пределах 1/20- 1/30.

Установлено, что в процессе вдавливания наконечников разрушение породы наступает при их погружении на 0,10 - 0,25 мм, а продолжительность цикла разрушения породы составляет около 0,002 с. Таким образом, скальные породы разрушаются фактически без внедрения в них зубцов шарошек. При большей продолжительности контакта зубцов с породой происходит их погружение, но не в материнскую породу, а в продукты ее разрушения. Меньшей, но продолжительно действующей силой можно достигнуть большего разрушительного эффекта, чем большей силой, но действующей мгновенно. Следовательно, в реальных условиях при бурении с увеличением частоты вращения долота необходимо увеличивать осевую нагрузку. На эффект разрушения горных пород частота вращения долота оказывает двоякое влияние: эффективность разрушения возрастает, но вместе с тем снижается продолжительность контакта зубцов шарошки с породой, что снижает эффективность разрушения.

Установлено, что при увеличении частоты вращения n шарошечного долота от 57 до 530 об/мин глубина разрушения δ следует закону:

δ = δ₀ + с(1 – k lg n), (2.8)

где δ₀ - глубина поверхностного разрушения; с — коэффициент, зависящий от нагрузки на долото, механических свойств породы и параметров долота; k — постоянная, определяющая временную зависимость, обусловливаемая в основном пластическими свойствами породы.

С увеличением нагрузки на долото темп уменьшения глубины разрушения в связи с ростом частоты вращения возрастает. При поверхностном разрушении механическая скорость проходки увеличивается пропорционально росту частоты вращения.

Порода разрушается и при действии на нее струи жидкости, которая истекает из отверстий долота, причем следует выполнять следующие условия: поток жидкости должен оказывать на забой давление р_i, скорость перемещения струи v относительно плоскости забоя не должна превышать некоторого значения, которое зависит от р_i, и прочности породы σ.

Между этими величинами установлена эмпирическая зависимость:

р_i > k_о σ, (2.9)

Зависимость справедлива при v = 0,5 м/с. Здесь k₀ — опытный коэффициент, равный 0,25 -0,35.

Для конкретных условий бурения максимальная механическая скорость проходки будет только при определенном сочетании частоты вращения, осевой нагрузки на долото и расхода жидкости. Этот расход - оптимальный и его рекомендуется подбирать в соответствии с сочетанием параметров гидромониторной струи, обеспечивающим окончательный отрыв и увлечение частиц, преодоление угнетающего перепада давления, образующегося при непрерывном процессе фильтрации жидкости в зону разрушения.

Выбор оптимальных параметров процессов, связанных с бурением скважины, пока невозможен из-за различных технико-технологических трудностей и незнания упругих, пластических, прочностных и абразивных свойств горных пород. Тем не менее, пользуясь обобщенными показателями, характеризующими свойства горных пород, можно добиться существенных результатов. Один из таких показателей - буримость горных пород.

Под буримостью понимают углубление скважины за 1 ч собственно бурения - так называемую механическую скорость проходки v_m (в м/ч). Эта скорость с течением времени вследствие износа долота уменьшается. Изменение скорости во времени можно выразить несколькими способами, например:

v_m = v₀ e ^–kt , (2.10)

где v₀ — начальная механическая скорость проходки, м/ч; k- эмпирический коэффициент, t –время бурения.

При правильно подобранных режимах бурения, когда обеспечивается объемное разрушение горных пород, v₀ обратно пропорциональна твердости. Она зависит также от других свойств (упругости, пластичности и др.). При объемном разрушении пород и прочих условиях по v₀ можно судить о трудности разбуривания пород разных категорий, обусловливаемой прочностными, упругими и пластичными свойствами пород.