Основные физико-механические свойства горных пород. Физико механические свойства горных пород

Основные физико-механические свойства горных пород.

Поиск Лекций

Физика горных пород

 

Выполнил: студент 3 курса, гр.913, ЗФО,

ИТФ, Ондар Вадим В.

Проверил: преподаватель Сандан Р. Н.

 

Кызыл 2016г

Основные физико-механические свойства горных пород.

Основными физико-механическими свойствами горных пород являются: механическая прочность, упругость, пластичность, хрупкость, твёрдость, абразивность, плотность, пористость, водопроницаемость, плывучесть и устойчивость.

Механическая прочность - способность пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, разрыве и изгибе их. Для различных пород предел прочности на сжатие изменяется от 0,1 - 0,2 до 500 МПа (1МПа ≈ 10 кгс/см2).

Прочность горных пород на скалывание, разрыв и изгиб значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при одноосном сжатии за 1,0, то предел прочности её на скалывание будет равен 0,2 - 0,08; на растяжение - 0,07 - 0,04.

Прочность горных пород зависит от минералогического состава, структуры и пористости, характера связи между зернами, твердости и размера частиц и т. п. Например, мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые.

Упругость- способность деформируемого тела восстанавливать первоначальную форму и объём после снятия нагрузки. Упругость также характеризуется отскакиванием ударяющего инструмента (долота) от породы. Упругие свойства в той или иной степени присущи всем породам.

Пластичность- способность пород изменять свою форму (деформироваться) под воздействием приложенных сил, без разрыва сплошности; при этом порода получает остаточную деформацию. Большинство минералов и твердых скальных пород практически не дает остаточной деформации, так как разрушение их происходит раньше, чем начинают проявляться пластичные свойства.

Хрупкость- способность породы разрушаться на отдельные куски при ударе, без заметной пластической деформации. Проявление хрупких свойств зависит от времени приложения нагрузки. При медленном приложении нагрузки в породе могут развиваться остаточные пластические деформации, и, наоборот, при весьма быстром приложении нагрузок даже вязкие тела могут проявлять себя как хрупкие.

Твёрдость- способность горной породы оказывать сопротивление проникновению в неё другого твердого тела, не получающего остаточных деформаций. Твердость можно считать частным случаем прочности на вдавливание. Это одно из наиболее важных свойств горных пород, определяющее величину внедрения резцов бурового инструмента и существенно влияющее на механическую скорость бурения скважины. Различают агрегатную твердость (твердость породы в целом) и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Скорость разрушения пород при бурении зависит в основном от агрегатной твердости. Относительная твердость минералов по шкале Мооса приведена в табл. 1.

 

 

Таблица 1. Относительная твёрдость минералов по шкале Мооса

Минералы	Твёрдость	Способ определения твёрдости
Тальк		Легко чертится ногтем
Каменная соль		Чертится ногтем
Кальцит		Легко чертится ножом
Плавиковый шпат		Чертится стеклом. Ножом чертится под небольшим давлением
Апатит		Чертится стеклом. Ножом чертится под небольшим давлением
Ортоклаз		Ножом не чертится. Слегка царапает стекло
Кварц		Легко царапает стекло
Топаз		Легко царапает стекло
Корунд		Легко царапает стекло
Алмаз		Легко царапает стекло

Абразивность- способность горных пород влиять на износ забойного инструмента при бурении скважин. Абразивными свойствами обладают породы, сложенные зернами твердых минералов, сцементированными менее прочным материалом. Наиболее высокими абразивными свойствами обладают кварцевые песчаники. В меньшей степени абразивность зависит от окатанности зерен.

С увеличением частоты вращения бурового снаряда износ породоразрушающего инструмента обычно растет быстрее, чем скорость бурения.

Плотностьпороды и средняя плотность. Плотность породы определяется как отношение массы к её объему или как степень заполнения некоторого объема минеральным веществом. Наименьшей плотностью обладают осадочные породы, наибольшей - изверженные.

Плотность горных пород зависит от минералогического состава зёрен и связывающего их цемента.

Отношение массы образца к его полному объему характеризует среднюю плотность породы, зависящую от вещественного состава и пористости.

Эти свойства играют важную роль в буровых процессах, так как определяют условия транспортировки частиц разрушенной породы на поверхность.

Пористость, характеризуемая наличием в горной породе пустот, имеет существенное значение, так как от нее непосредственно зависят: механическая прочность, абразивность, влагоёмкость и другие свойства горных пород. Пористость определяется отношением объема пор к объему породы. Пористость изверженных пород наименьшая и измеряется долями или небольшим количеством процентов от объема. Только некоторые излившиеся породы (трахиты, туфовые лавы и др.) обладают высокой пористостью (до 60%). Пористость осадочных пород различна; у доломитов и известняков она изменяется от нескольких до 30%, у песчаников - до 40%, у мела - от 5-7 до 40-45%, у песков - около 30-40%, у глинистых пород колеблется в значительных пределах и может достигать 50% и более.

В твердых породах выделяют пористость открытую и закрытую. В первом случае поры сообщаются друг с другом и с наружной поверхностью образца, во втором - поры изолированы друг от друга. Это влияет на водопоглощение и водопроницаемость горных пород.

В пористых твердых породах скорость бурения и износ резцов увеличиваются.

Трещиноватость, характеризуемая совокупностью систем трещин в горных породах, осложняет работу породоразрушающего инструмента на забое, увеличивает водопроницаемость, ведёт к снижению процента выхода керна, уменьшает устойчивость пород в стенках скважин, вызывает самозаклинивание керна и т. д.

Водопроницаемость- способность горных пород пропускать воду. Водопроницаемость зависит от размеров и характера пор или трещин. Это свойство горных пород имеет большое значение при бурении с промывкой, так как часто определяет потерю промывочной жидкости.

Плывучесть- свойство пород течь при вскрытии. Таким свойством обладают насыщенные водой мелкозернистые пески с примесью илистых и глинистых частиц. Таким же свойством могут характеризоваться суглинки и даже глины при сильном увлажнении. Подвижность пород вызывается или движением воды, перемещающей частицы пород, или переходом породы в состояние вязкой жидкости вследствие сильного насыщения водой.

Устойчивость- поведение горных пород при обнажении их в массиве. Породы устойчи­вые при этом не обрушаются, стенки скважины не требуют закрепления. В породах неустойчи­вых или слабоустойчивых требуется проводить крепление стенок скважины. При бурении по таким породам часто разрушается керн, что снижает качество буровых работ. Устойчивость горных пород зависит целиком от характера связи между частицами, слагающими горную породу, от трещиноватости и степени выветрелости.

 

poisk-ru.ru

2.Механические свойства горных пород.

Под механическими свойствами горных по­род понимаются такие особенности, которые определяют ха­рактер их деформации и разрушения под воздействием при­ложенной нагрузки. Иными словами, механические свойства горных пород проявляются в характере изменения внутрен­них связей и распределении материала в зависимости от изменения интенсивности и структуры полей напряжений. В массиве горных пород и в образце механические свойства проявляются по-разному. В массиве с изменением условий нагружения происходит перераспределение полей напряже­ний, которое оказывает влияние на состояние горной поро­ды и при определенной концентрации напряжений влечет местное разрушение. В ограниченном объеме образца уже созданы условия для концентрации напряжений, изменениеусловий нагружения образца приводит к изменению его фор­мы и в конечном счете вызывает его разрушение.

Механические свойства горных пород зависят от их со­става, строения, текстуры, структуры и условий залегания глубина залегания, тектоническая нарушенность и т.п.). Состав и строение горной породы в значительной степени определяются ее происхождением.

Условия формирования горной породы накладывают су­щественный отпечаток на ее строение. Магматические гор­ные породы, образовавшиеся на глубине, имеют, как прави­ло, крупнокристаллическое строение, тогда как эффузивные горные породы, застывшие на поверхности, характеризуют­ся скрытокристаллическим строением. Магматические поро­ды, не затронутые процессами выветривания и метаморфиз­ма и не подвергавшиеся тектоническим нарушениям, состав­ляют в земной коре плотные, достаточно монолитные тела. Породы осадочного комплекса характеризуются слоистым строением, что и обусловливает их анизотропию, т.е. суще­ственное различие механических свойств вдоль напластова­ний и перпендикулярно к ним. Механические свойства оса­дочных горных пород варьируют в широких пределах. Про­цессы метаморфизма оказывают существенное влияние на механические свойства горных пород. Например, выветрива­ние значительно снижает монолитность даже наиболее креп­ких магматических пород, а процессы регионального мета­морфизма приводят к повышению монолитности осадочных, первоначально довольно рыхлых, горных пород.

Для характеристики внутреннего строения горных пород введены понятия текстуры и структуры.

Текстура определяется положением и распределением ми­неральных зерен в горной породе. К текстурным признакам относятся слоистость, сланцеватость и пористость горной породы. Пористостью называется совокупность всех пустот в горной породе между минеральными зернами, образующи­ми минеральный скелет породы. Пористость характеризуется коэффициентом пористости, равным отношением объема пор к объему скелета. Помимо пор в горной породе принято выделять трещины (плоский разрыв сплошности среды) и ка­верны — полости больших размеров, превышающие разме­ры минеральных зерен и нарушающие целостность мине­рального скелета.

Под структурой понимают такие особенности горной по­роды, которые определяются размерами, формой и характе­ром поверхности минеральных зерен. По структуре различают, например, горные породы кристаллические, аморфные и обломочные. Механические свойства обломочных пород в значительной степени зависят от размера зерен и характера связи между ними, т.е. от состава и структуры цемента, скрепляющего минеральные зерна.

Пластичность — это способность материала к увеличению интенсивности деформирования по мере роста нагрузки и к сохранению остаточной деформации после снятия нагрузки. Для характеристики пластических свойств материала вводит­ся понятие модуля пластичности и коэффициента пластич­ности. Под модулем пластичности £пд понимается предельный секущий модуль, т.е. отношение прироста напряжений в пла­стической зоне к полной относительной деформации в этой зоне.

Прочность — это способность материала без разрушения выдержать нагрузку в процессе деформирования. Прочность характеризуется пределом прочности, т.е. максимальным напряжением, которое материал может выдержать, не разру­шаясь. Когда напряжения в горной породе превосходят предел прочности, происходит разрушение, т.е. необратимое поражение внутренних связей. Предел прочности определяет­ся характером внутренней связи между частицами в горной породе.

Абразивность — это способность горной породы изнаши­вать породоразрушающий инструмент (или любое иное тело) при его перемещении в контакте с породой.

В практике бурения используется еще одна характерис­тика горных пород — буримость. Буримость — это свойство горной породы, которое характеризует ее разрушаемость на ограниченной поверхности забоя скважины. Это относитель­ная характеристика, зависящая от уровня развития техники и технологии бурения. Мера буримости той или иной горной породы — средняя скорость углубления ствола скважины.

Обычно механические свойства горных пород изучаются в условиях простой деформации: при растяжении, сжатии и т.п. Но необходимо учитывать, что на забое скважины гор­ная порода находится в условиях напряженного состояния. На нее действуют давление на контакте с породоразрушаю-щим инструментом, гидростатическое давление столба жид­кости в скважине, поровое (или пластовое) давление жидкос­ти, находящейся в порах, и другие факторы, поэтому надо рассматривать сложное деформированное состояние, возни­кающее при всем многообразии действующих нагрузок.

studfiles.net

Основные физико-механические свойства горных пород

Способность горных пород реагировать на внешние воздействия изменением размеров, формы и целостности называют механическими свойствами.

Способность горных пород изменять без разрушения форму и размеры в результате силовых воздействий называют деформируемостью.

Если после снятия внешней нагрузки деформация исчезает и тело принимает первоначальные размеры, то такую деформацию называют упругой.

Если деформация полностью или частично сохраняется, то ее называют пластической.

Основными свойствами горных пород, влияющих на процесс бурения считаются упругие и пластические свойства, твердость, абразивность, сплошность.

Упругость – способность горных пород изменять форму под влиянием силовых воздействий и полностью восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействий.

Пластичность– способность горных пород изменять форму под влиянием силовых воздействий и сохранять остаточную деформацию после устранения воздействия.

Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости Е и коэффициентом Пуассона μ

Е = 0,03 ∙ 10 ÷ 1,7 ∙ 10 МПа - для большинства пород

Модуль упругости зависит от:

1) минералогического состава

2) пористости пород

3) вида деформации

4) величины приложенной нагрузки

5) состава цементирующего вещества

Коэффициент Пуассона зависит от продольной деформации (Еу) и поперечной деформации (Ех).

 

М = = 0,10 ÷ 0,45 (2)

Таблица 1 – Значения модуля упругости

Категория пород по упругости	Значения модуля упругости, Е МПа
	< 2,5
	2,5 ÷ 5,0
	5 ÷ 10
	10 ÷ 25
	25 ÷ 50
	50 ÷ 75
	75 ÷ 100
	> 100

 

Пластичность горных пород зависит от минерального состава пород и уменьшается с увеличением содержания кварца. Пластичность возрастает с увеличением давления всестороннего сжатия. Пластические свойства с увеличением температуры и влажности возрастают (глины, соли).

Если деформировать тело на некоторую величину и оставить его в напряженном состоянии таким образом, чтобы величина деформации не изменялась, то напряжение внутри тела самопроизвольно уменьшится, или рассосется. Это явление называется релаксацией.

Если на тело действует нагрузка длительное время и происходит постепенное увеличение деформации вплоть до разрушения тела. Такое явление называется ползучестью.

Все осадочные горные породы имеют пористость. Наличие пор в породе уменьшает твердость и прочность.

Плотность породы зависит от пористости. Плотностью называют массу единицы объема твердой массы породы (кг/м ). Величина плотности зависит от плотности минералов, входящих в состав породы (ρг.п. = 2100 ÷ 2900 кг/ м ).

Объемная масса – масса единицы объема породы в ее естественном состоянии, то есть с учетом пор и его содержимого. От величины объемной массы зависит величина пластового давления.

Горные породы имеют различную прочность. Прочность – это сопротивление твердых тел механическому разрушению (Н/м ). На прочность оказывают влияние природные (геологические) и технические факторы.

Природные факторы

1) Минералогический состав – чем больше количество кварца, растворенного в породе, тем выше прочность породы.

2) Размер и форма зерен кристаллов, образующих породу.

3) Структура и текстура породы. Тип цемента, количественное отношение между цементом и обломочным материалом.

4) Пористость и слоистость. Прочность породы увеличивается с уменьшением пористости.

5) Глубина залегания; уплотненность; возраст пород; тектонические нарушения.

Технические факторы

1) Вид деформации. Горные породы оказывают значительное сопротивление сжатию. При равномерном всестороннем сжатии прочность горных пород резко возрастает.

2) Масштабный фактор. Прочность зерен минералов уменьшается с увеличением размеров зерен. Прочность горных пород зависит и от механических свойств цемента, заполняющего межкристаллические пространства.

3) Время приложения разрушающих усилий. Разрушение горных пород может наступить и при напряжениях меньших предела прочности, если эти напряжения действуют длительное время.

Твердость – это свойство тела оказывать противодействие проникновению в него другого тела. Условная твердость определяется методом царапания по шкале Мооса на 10 классов.

1 кл. Тальк - 2,5 кгс/мм 6 кл. Ортоклаз

2 Гипс 7 Кварц

3 Кальций 8 Топаз

4 Флюорит 9 Корунуд

5 Апатит 10 Алмаз - 10000 кгс/мм

 

Абразивность – способность горных пород изнашивать металлы при трении, чем выше абразивность горных пород, тем выше темп износа металла.

Абразивность породы зависит от:

1) твердости, образующих ее минералов;

2) размера, формы зерен и характера их поверхности;

3) содержание кварца (при содержании кварца> 20 % абразивность становится выше).

Полиминеральные горные породы более абразивны, чем мономинеральные. Из обломочных пород наиболее абразивны кварцевые песчаники и алевролиты.

Метод оценки абразивности был предложен Шрейнером, который заключается в измерении износа эталонного кольца, трущегося о породу под нагрузкой при n = const.

По степени возрастания абразивности горные породы делятся на 7 категорий:

1. гипс 5. кремнистые породы

2. барит 6. железистомагнезиальные породы

3. доломит 7. кварц и кварциты

4. известняк

Буримость горных пород – это степень трудности разрушения тех или иных горных пород на данном уровне развития техники и технологии бурения.

Правильная оценка буримости необходима для выбора типа долота, режима бурения (осевой нагрузки и частоты вращения). Оценку буримости проводят по показателям проходки на долото (м) и механической скорости (м/час).

Сплошностью называется способность пород, окружающих скважину, пропускать через себя промывочную жидкость. По сплошности породы подразделяют на 4 категории:

· промывочная жидкость уходит вместе с обломками выбуренной породы;

· в породу может проникать дисперсионная среда и дисперсная фаза (коллоидные глинистые частицы) промывочной жидкости;

· в породу может проникать только маловязкая дисперсионная среда;

· в породу промывочная жидкость не проникает.

Рыхлые породы делятся на связные (глинистые) и несвязные. Большое влияние на свойства этих пород оказывает вода, заполняющая поры. Горные породы являются гидрофильными телами (хорошо смачиваются водой). Вода в порах и на поверхности горных пород может быть в связанном и свободном состояниях. Количество воды, содержащейся в породе, оценивается влажностью породы, которая определяется по формуле (3):

, (3)

где Gп - масса влажной породы;

Gс – масса скелета породы.

 

 

Похожие статьи:

poznayka.org

Основные физико-механические свойства горных пород

Основными физико-механическими свойствами горных пород являются: упругость, пластичность, прочность, твердость, абразивность.

Упругостью называется способность деформируемого тела восстанавливать первоначальную форму или объем после снятия нагрузки.

Упругие свойства горных пород, как и других упругих твердых тел, характеризуются четырьмя параметрами: модулем продольной упругости или модулем Юнга, коэффициентом Пуассона, модулем поперечной упругости и модулем объемной упругости.

Модуль продольной упругости Е есть отношение нормального напряжения s к соответствующему относительному удлинению (или укорочению) dпри одноосном растяжении (сжатии)

Е = s / d.

Е характеризует сопротивляемость горной породы упругой деформации при растяжении (сжатии).

Факторы, влияющие на модуль продольной упругости можно разделить на две группы: технические и природные.

1. Технические.

а) Способ определения: при однократном нагружении Е, при многократном нагружении и разгрузке Ем, динамический модуль продольной упругости Ед, вычисляемый по скорости распространения упругих волн. Е< Ем < Ед.

Е меньше Ем в 1,2-1,5 раза и меньше Ед в несколько раз.

б) Вид деформаций. Ер< Еи << Есж.

Еи в 1,1-1,3 раза больше Ер и составляет 0,25-0,35 от Есж.

в) Величина приложенной нагрузки. С увеличением напряжений Е при сжатии возрастает, тогда как при растяжении он уменьшается.

г) Скорость нагружения. При быстром нагружении Е в 1,1-1,5 раза выше, чем при медленном.

2. Природные.

На величину Е горных пород влияют следующие природные факторы: минералогический состав, структура, текстура, влажность, температура, глубина залегания, состав и строение цементирующего вещества у обломочных пород, песчанистость и карбонатность пород.

Минералогический состав породы оказывает существенное влияние на модуль упругости. Так, Е глинистых сланцев 1,5-2,5·104 МПа, а кварцитов –7,5-10·104 МПа. Е породы всегда меньше Е основного породообразующего минерала.

Модуль Юнга увеличивается при повышении песчанистости породы, карбонатности глинистых сланцев. Значительно влияют на Е состав и строение цементирующего вещества у обломочных пород. Так, песчаники с карбонатным цементом обладают большим модулем Юнга, чем те, которые имеют глинистый цемент.

На модуль Юнга влияют также размер зерен, пористость, слоистость и сланцеватость: с увеличением размера зерен, пористости он уменьшается; в направлении вдоль напластования он выше, чем в перпендикулярном

(Е|| :Е^=1,1¸2,0).

С увеличением влажности величина Е уменьшается. Например, при увеличении влажности глинистой породы от 3 до 14% модуль Юнга уменьшается от 716 до 314 МПа, а при увеличении влажности от 14 до 23% он уменьшается от 314 до 29 МПа.

С ростом глубины залегания пород уменьшается пористость, возрастает уплотнение пород и увеличивается их модуль Юнга.

Коэффициент Пуассона есть абсолютная величина отношения относительной поперечной деформации d1 к относительной продольной деформации d

m = d1 / d.

Для большинства осадочных горных пород m изменяется в пределах от 0,1 до 0,4 и только для некоторых высокопластичных пород достигает 0,45-0,5 (каменная соль, бишофит, карналлит, высокопластичные сильно увлажненные глины).

На величину m оказывают влияние те же факторы, что и на модуль продольной упругости.

Модуль поперечной упругости или модуль сдвига G есть отношение касательного напряжения t к соответствующему углу сдвига j между плоскостями, к которым приложено это касательное напряжение

.

G определяет способность материала сопротивляться изменению формы при сохранении его объема.

Модуль объемной упругости К при всестороннем сжатии – отношение нормального напряжения s к величине относительного объемного сжатия D, вызванного этим напряжением

.

Величина К характеризует способность материала сопротивляться изменению его объема, не сопровождающемуся изменением формы.

Прочность – способность горных пород сопротивляться разрушению, является основным свойством горных пород. Прочность определяется силами сцепления и внутреннего трения.

Факторы, влияющие на прочность горных пород также можно разделить на технические и природные.

1. Технические.

А) Вид деформации sсж>>tс³sизг³sр. Горные породы оказывают наибольшее сопротивление разрушению при сжатии. Прочность осадочных пород при других видах деформаций обычно кратно меньше.

Так, прочность при растяжении составляет от2 до 18%, при сдвиге – от 5 до 20%, при изгибе – от 5 до 35% прочности при одноосном сжатии. Это объясняется хрупкостью большинства пород, наличием большого числа локальных дефектов и неоднородностей в них, уменьшением сил сцепления по мере удаления зерен породы друг от друга при растяжении. С точки зрения разрушения горных пород наивыгоднейшим видом деформации является растяжение, что следует учитывать при конструировании породоразрушающего инструмента.

Б) Масштабный фактор. На прочность горных пород оказывает влияние размер образцов.

В) Скорость нагружения. Прочность горных пород зависит и от скорости нагружения. В пределах небольших скоростей нагружения (до 10 м/с) показатель прочности мало отличается. При работе породоразрушающего инструмента реальные скорости нагружения обычно не превышают 5 м/с.

2. Природные.

Прочность породы существенно зависит от ее минерального и петрографического состава. Наиболее прочным породообразующим минералом является кварц, его прочность при одноосном сжатии превышает 500 Мпа, тогда как прочность железисто-магнезиальных силикатов и алюмосиликатов составляет 200-500 Мпа, а кальцита – от 10 до 20 Мпа. Поэтому прочность породы обычно возрастает с увеличение содержания кварца как в составе зерен породообразующих минералов, так и в составе цементирующих веществ. Наибольшей прочностью обладают породы, плотность которых равна плотности кварца – 2700 кг/м3 (рис.4).

Прочность карбонатных пород зависит от соотношения кальцита и доломита. Доломит прочнее кальцита в 1,2-1,3 раза. Уменьшение содержания кальцита от 100 до 7% ведет к увеличению прочности от 160 до 300 Мпа. Из сульфатных пород наибольшей прочностью обладают ангидриты (sсж до 130 Мпа), но прочность их резко колеблется в связи с частичным переходом ангидрита в гипс (sсж до 50 Мпа).

На прочность породы оказывает влияние размер минеральных зерен. Например, прочность при сжатии тонкозернистого аркозового песчаника и мелкозернистого известняка в 2-2,5 раза выше прочности крупнозернистых разновидностей этих пород.

Прочность одноименных горных пород возрастает с уменьшением пористости.

Прочность большинства пород уменьшается с увеличением влажности. Особенно заметно снижение прочности глинистых, хемогенных пород, мергелей, а также песчаников с глинистым цементом. При увлажнении скальных пород их прочность уменьшается на 10-30%.

Породы с кремнистым и железистым цементом имеют значительно большую прочность, чем породы с карбонатным и глинистым цементом.

На прочность осадочных пород существенно влияет степень метаморфизации. Например, прочность глин, залегающих на большой глубине и подвергшихся начальной стадии метаморфизма под воздействием температуры и высокого давления, может достигать 50-100 Мпа при одноосном сжатии, тогда как прочность глин такого же минерального состава, залегающих близ дневной поверхности, составляет 2-10 Мпа.

На устойчивость горных пород в стенках скважины влияют не только прочностные показатели, но и реологические свойства, которые характеризуют деформацию горных пород при длительном воздействии нагрузок. Из этих свойств выделяют ползучесть и релаксацию.

Ползучесть горной породы – это явление постепенного развития деформации во времени при постоянном напряжении, даже если напряжение меньше предела упругости.

Релаксацией напряжений называют постепенное уменьшение напряжений в горной породе при постоянной деформации ее.

Знание реологических свойств горной породы позволяет оценить влияние фактора времени на изменение ее состояния на стенках скважины и в их окрестностях.

Твердость– прочность породы на вдавливание, способность породы оказывать сопротивление внедрению в нее другого твердого тела.

В процессе механического разрушения горной породы на забое скважины первостепенную роль играет вне­дрение рабочего органа породоразрушающего инструмента в горную породу. Для оценки сопротивления горной породы внедрению инструмента надо знать ее твердость.

Существует много методов измерения твердости материа­лов, но в буровом деле наиболее распространен метод, предложенный в 1942 г. и разработанный проф. Л.А. Шрейнером. Методика утверждена в качестве ГОСТ 12288—66.

По методу Л.А. Шрейнера твердость горной породы определяют с помощью штампа, имеющего плоскую опорную поверхность. Для исследований применяют штампы двух видов: стальной (рис 5, а) и с твердосплавной вставкой (рис.5, б).

Площадь контактной поверхности штампа может варьировать от 1 до 10 мм2 в зависимости от размера минеральных зерен, структуры и текстуры породы.

При испытании сильнопористых и крупнозернистых пород рекомендуется использовать штампы с площадью основания 5 мм2 и более, для пород твердых плотных и однородных пригодны штампы с площадью основания 2 мм2. В любом случае надо размещать штамп на поверхности образца таким образом, чтобы на контакте находилось не менее трех зерен горной породы.

Нагрузку на штамп увеличивают медленно до некоторого критического значения Ркр, соответствующего первому скачку разрушения под штампом. Эта нагрузка (в Н) характеризует критическое сопротивление породы проникновению штампа, т.е. позволяет оценить твердость образца. Твердость, измеренная по методу Л.А. Шрейнера (твердость по штампу), — это критическое давление под штампом на контакте с породой, соответствующее первому скачку разрушения.

По характеру деформации под штампом все породы поделены на три класса: хрупкие, упругопластичные, пластичные (весьма пористые).

При испытании хрупких горных пород деформация до самого момента разрушения остается упругой, т.е. деформация развивается пропорционально нагрузке до момента разрушения (рис.6, а).

Твердость по штампу

рш = Ркр / S,

где S — поверхность контакта, м2.

На графике деформации упругопластичной породы заметны два характерных участка деформации (рис.6,б):ОА — упругая деформация, АВ — пластическая деформация.

Разрушение горной породы под штампом происходит при воздействии нагрузки Ркр > Ро, где Ро — нагрузка, соответствующая пределу текучести.

Для упругопластичных горных пород определяют также предел текучести

р0 = Р0 / S

и коэффициент пластичности

К = Ап.д /Аупр.д = SОАВС / SОДЕ ,

где Аупр.д — работа на участке условной упругой деформаций до разрушения;

Ап.д — работа полной деформации.

Коэффициент пластичности упругопластичных пород находится в пределах 1< К £ 6.

В процессе внедрения штампа в пластичные или весьма пористые породы невозможно измерить твердость и коэффициент пластичности. Поэтому для них за твердость условно принимают предел текучести и полагают коэффициент пластичности равным бесконечности.

Измерения по методу Л.А. Шрейнера позволяют определить некоторые другие характеристики горных пород. Среди них наибольший интерес представляют удельная объемная работа разрушения, модуль продольной упругости и модуль сдвига.

Удельная объемная работа разрушения — это затрата энергии на разрушение единицы объема горной породы под штампом. Общая работа деформации горной породы до момента разрушения может быть определена по графику нагружение — деформация или рассчитана по формулам.

Работа упругой деформации под штампом вычисляется по формуле

Аупр.д.= Ркрx / 2,

где Аупр.д — работа, Дж; Ркр — критическая нагрузка, Н; x — упругая деформация, м.

Упругая деформация при вдавливании штампа (для абсолютно упругого тела)

x = Ркр (1 - m2) / 2аЕ,

где а — радиус рабочей поверхности штампа, м;

m — коэффициент Пуассона (можно принять m = 0,25). Подставив значение x , получаем

Аупр.д.= Ркр2 (1-m2)/4аЕ.

Полная работа для упругопластичной породы

.

Объем разрушенной горной породы V определяется по объему образовавшейся под штампом лунки.

Удельная объемная работа разрушения

или, если подставить Ркр = ршpа2,

.

По величине деформации и нагрузке в конце упругой деформации можно определить модуль продольной упругости Е и модуль сдвига G.

.

В таблице в качестве примера приведены некоторые характеристики, определенные по штампу.

Похожие статьи:

poznayka.org

Физико-механические свойства горных пород.

Количество просмотров публикации Физико-механические свойства горных пород. - 1012

Содержание

	Стр.
1. Краткий обзор развития карьерного оборудования
2. Способы разрушения горных пород рабочими органами горных машин
2.1 Физико-механические свойства горных пород
2.2 Классификация горных пород по трудности разработки и бурения
2.2.1 Определœение коэффициентов сопротивления копанию
2.2.2 Характеристика буримости горных пород
2.3 Характеристика буримости горных пород
2.4 Копание и резание горных пород
2.5 Влияние геометрии режущей кромки и параметров процесса экскавации на величину силы сопротивления копанию
3 Общие сведения о буровых машинах 3.1 Состояние буровой техники и направление в создании буровых станков
3.2. Классификация буровых машин
4. Основные положения теории рабочего процесса буровых машин
4.1. Теория рабочего процесса буровых машин ударного и ударно-вращательного действия
4.2. Теория рабочего процесса буровых машин с шарошечными долотами
4.3 Основные положения теории рабочего процесса породоразрушающего инструмента станков шнекового бурения
4.4Физические основы термического бурения.
5 Рабочие механизмы буровых станков. Режимы бурения и производительность буровых станков
5.1 Конструктивные схемы вращательно-подающих механизмов
5.1.1 Конструктивные схемы вращательно-подающих механизмов шпиндельного типа
5.1.2 Конструктивные схемы вращательно-подающих механизмов патронного типа
5.2 Устройства для хранения, подачи штанг, свинчивания (развинчивания) бурового став
5.2 Устройства для подвода сжатого воздуха и рабочих компонентов к вращающемуся буровому ставу
5.3 Устройства для удаления буровой мелочи из скважины и пылеулавливания

Тема1 Способы разрушения горных пород рабочими органами горных машин

Сопротивление разработке и устойчивость горных пород как основания, на котором стоит горная машина, определяются их физико-механическими свойствами.

Под физическим свойством породы понимают её специфическое поведение (ответную реакцию) при воздействии на неё определœенных физических полей или тел. Численно каждое физическое свойство породы оценивается одним или несколькими параметрами (показателями, характеристиками), являющихся количественной мерой свойства.

Свойства пород, проявляющиеся при воздействии на них конкретных инструментов и механизмов и соответствующие им характеристики называют горнотехнологическими.

Физико-механическими свойствами горной породы называют совокупность свойств описывающих её поведение в процессе разработки, из которых к физическим относят плотность, пористость, связность, липкость, пластичность, тепло- и электропроводность и другие, а к механическим — крепость, твердость, сопротивление вдавливанию, абразивность, разрыхляемость и другие, т. е. свойства, определяющие поведение горной породы в процессе деформации.

Свойства пород изменяются в широких пределах, в связи с этим принято объединять породы в группы и категории с определœенным диапазоном свойств и характеристик.

Применительно к открытой разработке всœе горные породы подразделяют на группы: скальные и полускальные в естественном их состоянии; разрушенные (искусственно или естественно) скальные и полускальные; плотные, мягкие (связные) и сыпучие.

Известно более ста свойств и параметров горных пород. Важно заметить, что для систематизации, исследования и классификации пород, а также для выбора, оценки и расчета базовых горно-технологических процессов выделили базовые свойства и соответствующие им параметры.

Плотностные свойства:

1.Объемная масса – масса единицы объёма горной породы в её естественном состоянии;

2.Пористость – относительный объём всœех пор, заключенный в единице объёма породы.

Механические свойства:

3.Предел прочности при сжатии – критическое значение одноосного сжимающего напряжения, при котором происходит разрушение породы;

4.Предел прочности при растяжении – критическое значение одноосного растягивающего напряжения, при котором происходит разрушение породы;

5.Модуль продольной упругости (модуль Юнга) – коэффициент пропорциональности между действующим нормальным напряжением и соответствующей ему продольной упругой деформацией;

6.Коэффициент относительных поперечных деформаций (коэффициент Пуассона) – коэффициент пропорциональности между упругими продольными и поперечными деформациями при одноосном нормальном напряжении.

Тепловые свойства:

7.Коэффициент теплопроводности – количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу сечения в направлении, перпендикулярном к сечению при перепаде температур на 1ºК на единицу расстояния;

8.Удельная теплоемкость – количество тепла, крайне важно е для повышения температуры 1 кг вещества на 1ºК;

9.Коэффициент линœейного теплового расширения – относительное удлинœение тела при нагреве его на 1ºК.

Электромагнитные свойства:

10.Удельное электрическое сопротивление – величина обратная силе тока, проходящего через 1м2 площади образца, при напряженности электрического поля в образце, равной 1В/м;

11.Относительная диэлектрическая проницаемость – коэффициент, показывающий, во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля при нахождении в нем породы;

12.Относительная магнитная проницаемость – коэффициент, показывающий, во сколько раз магнитная индукция поля в данном магнетике изменяется при помещении образца в поле в вакууме.

Механические свойства:

13.Крепость – сопротивление горной породы общему разрушению.

14.Твердость – способность породы оказывать сопротивление проникновению в нее другого, более твердого тела, не испытывающего при этом каких-либо остаточных деформаций.

15.Связность определяется сцеплением отдельных частиц по роды между собой и характеризует ее способность сопротивляться их разделœению.

16.Абразивность – способность горной породы интенсивно изнашивать разрушающий ее инструмент.

17.Трещиноватость – наличие в горных породах трещин, образуемых при разрыве внутренних связей в породном массиве.

referatwork.ru

Физико-механические свойства горных пород | Бесплатные курсовые, рефераты и дипломные работы

 

Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на бурение, являются: механическая прочность, упругость, пластичность, хрупкость, твёрдость, абразивность, плотность, пористость, водопроницаемость, плывучесть и устойчивость.

Механическая прочность — способность пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, разрыве и изгибе их. Для различных пород предел прочности на сжатие изменяется от 0,1 — 0,2 до 500 МПа (1МПа ≈ 10 кгс/см2).

Прочность горных пород на скалывание, разрыв и изгиб значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при одноосном сжатии за 1,0, то предел прочности её на скалывание будет равен 0,2 — 0,08; на растяжение — 0,07 — 0,04.

Прочность горных пород зависит от минералогического состава, … структуры и пористости, характера связи между зернами, твердости и размера частиц и т. п. Например, мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые.

Плотность породы и средняя плотность. Плотность породы определяется как отношение массы к её объему или как степень заполнения некоторого объема минеральным веществом. Наименьшей плотностью обладают осадочные породы, наибольшей — изверженные. Плотность горных пород зависит от минералогического состава зёрен и связывающего их цемента. Отношение массы образца к его полному объему характеризует среднюю плотность породы, зависящую от вещественного состава и пористости.

Эти свойства играют важную роль в буровых процессах, так как определяют условия транспортировки частиц разрушенной породы на поверхность.

Пористость, характеризуемая наличием в горной породе пустот, имеет существенное значение, так как от нее непосредственно зависят: механическая прочность, абразивность, влагоёмкость и другие свойства горных пород. Пористость определяется отношением объема пор к объему породы. Пористость изверженных пород наименьшая и измеряется долями или небольшим количеством процентов от объема. Только некоторые излившиеся породы (трахиты, туфовые лавы и др.) обладают высокой пористостью (до 60%). Пористость осадочных пород различна; у доломитов и известняков она изменяется от нескольких до 30%, у песчаников — до 40%, у мела — от 5-7 до 40-45%, у песков — около 30-40%, у глинистых пород колеблется в значительных пределах и может достигать 50% и более.

В твердых породах выделяют пористость открытую и закрытую. В первом случае поры сообщаются друг с другом и с наружной поверхностью образца, во втором — поры изолированы друг от друга. Это влияет на водопоглощение и водопроницаемость горных пород.

В пористых твердых породах скорость бурения и износ резцов увеличиваются.

Трещиноватость, характеризуемая совокупностью систем трещин в горных породах, осложняет работу породоразрушающего инструмента на забое, увеличивает водопроницаемость, ведёт к снижению процента выхода керна, уменьшает устойчивость пород в стенках скважин, вызывает самозаклинивание керна и т. д.

Твёрдость — способность горной породы оказывать сопротивление проникновению в неё другого твердого тела, не получающего остаточных деформаций. Твердость можно считать частным случаем прочности на вдавливание. Это одно из наиболее важных свойств горных пород, определяющее величину внедрения резцов бурового инструмента и существенно влияющее на механическую скорость бурения скважины. Различают агрегатную твердость (твердость породы в целом) и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Скорость разрушения пород при бурении зависит в основном от агрегатной твердости. Относительная твердость минералов по шкале Мооса приведена в табл. 1.

Упругость — способность деформируемого тела восстанавливать первоначальную форму и объём после снятия нагрузки. Упругость также характеризуется отскакиванием ударяющего инструмента (долота) от породы. Упругие свойства в той или иной степени присущи всем породам.

Пластичность — способность пород изменять свою форму (деформироваться) под воздействием приложенных сил, без разрыва сплошности; при этом порода получает остаточную деформацию. Большинство минералов и твердых скальных пород практически не дает остаточной деформации, так как разрушение их происходит раньше, чем начинают проявляться пластичные свойства.

Хрупкость — способность породы разрушаться на отдельные куски при ударе, без заметной пластической деформации. Проявление хрупких свойств зависит от времени приложения нагрузки. При медленном приложении нагрузки в породе могут развиваться остаточные пластические деформации, и, наоборот, при весьма быстром приложении нагрузок даже вязкие тела могут проявлять себя как хрупкие.

Вязкость –свойство породы оказывать сопротивлению частиц этой породы относительно друг друга. Вязкость зависит от прочности и пластичности породы. В однородных породах вязкость равномерна во всех направлениях. Трудно разрушаются породы имеющие высокое значение прочности на сжатие и значительную пластичность. Предельное напряжение, при котором образец породы разрушается, называется пределом прочности.

Влагоемкость– количество воды, удерживаемой силами молекулярного притяжения на поверхности частиц породы.

Водопроницаемость — способность горных пород пропускать воду. Водопроницаемость зависит от размеров и характера пор или трещин. Это свойство горных пород имеет большое значение при бурении с промывкой, так как часто определяет потерю промывочной жидкости.

Устойчивость— поведение горных пород при обнажении их в массиве. Породы устойчивые при этом не обрушаются, стенки скважины не требуют закрепления. В породах неустойчивых или слабоустойчивых требуется проводить крепление стенок скважины. При бурении по таким породам часто разрушается керн, что снижает качество буровых работ. Устойчивость горных пород зависит целиком от характера связи между частицами, слагающими горную породу, от трещиноватости и степени выветрелости.

Абразивность — способность горных пород влиять на износ забойного инструмента при бурении скважин. Абразивными свойствами обладают породы, сложенные зернами твердых минералов, сцементированными менее прочным материалом. Наиболее высокими абразивными свойствами обладают кварцевые песчаники. В меньшей степени абразивность зависит от окатанности зерен.

С увеличением частоты вращения бурового снаряда износ породоразрушающего инструмента обычно растет быстрее, чем скорость бурения.

 

	|	следующая страница ==>
Полковник запаса Назаров В.К.	|	Технологические свойства углей

Дата добавления: 2014-03-11; просмотров: 1.

Поделиться с ДРУЗЬЯМИ:

refac.ru

Физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения, основные закономерности разрушения горных пород.

1.Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на процесс их разрушения при строительстве сква­жин, являются упругость и пластичность, твердость, абразивность и сплошность

1. Складки земной коры:

а — антиклиналь и синклиналь;6 — сброс и взброс; в — элементызалегания пластов; 1 — кровля пласта;2 — подошва пласта

 

Упругие свойства горных пород. Все горные породы мол воздействием внешних нагрузок претерпевают деформации, исче­зающие после удаления нагрузки или остающиеся. Первые из них называются упругими деформациями, а вторые — пласти­ческими. Большинство породообразующих минералов являются телами упругохрупкими, т. е. они подчиняются закону Гука и разрушаются, когда напряжения достигают предела упругости. При простом растягивании или сжатии упругого тела относительное удлинение или сжатие пропорциональны нормальному напря­жению:

где Е — модуль Юнга; — деформация.

Горные породы относятся к упруго-хрупким телам и подчиня­ются закону Гука только при динамическом приложении нагрузки. Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упру­гости (модуль Юнга) Е и коэффициентом Пуассона ( , где — поперечная деформация; — продольная деформация). Модуль упругости горных пород зависит от их минералогического состава, вида нагружения и величины приложенной нагрузки, структуры, текстуры и глубины залегания пород, состава и строе­ния цементирующего вещества у обломочных пород, степени влаж­ности, песчанистости и карбонатности пород.

Коэффициент Пуассона для большинства пород и минералов находится в пределах 0,2...0,4, и только у кварца он аномально низок — примерно 0,07, что обусловлено особенностями строе­ния его кристаллической решетки.

Пластические свойства горных порол (пластичность). Разруше­нию некоторых горных пород предшествует пластическая дефор­мация, которая начинается при превышении напряжения в по­роде предела упругости. Пластичность зависит от минералогичес­кого состава горных пород и уменьшается с увеличением содер­жания кварца, полевого шпата и некоторых других минералов. Высокими пластическими свойствами обладают глины и поро­ды, содержащие соли. При определенных условиях некоторые горные породы подвержены ползучести. Ползучесть проявляется ч постоянном росте деформации при неизменном напряжении. Значительной ползучестью характеризуются глины, глинистые сланцы, соляные породы, аргиллиты, некоторые разновидности известняков.

Твердость горных пород. Под твердостью горной породы пони­мается ее способность оказывать сопротивление проникновению нее (внедрению) породоразрушаюшего инструмента.

В геологии большое распространение имеет шкала твердости минералов Мооса, по которой условную твердость минералов определяют методом царапания. В основу этой шкалы взяты твердости наиболее часто встречающихся и породе минералов, причем менее твердым из них присваиваются меньшие номера:

1 - тальк; 2 - гипс пли каменная соль; 3 - известковый шпат или кальцит; 4 - плавиковый шпат; 5 - апатит; 6 - полевой шпат; 7 - кварц; 8 - топаз; 9 - корунд; 10 - алмаз.

На основании многочисленных исследований Л.А. Шрейнер предложил классификацию горных пород, отличающуюся от шкалы твердости Мооса тем, что она наиболее полно учитывает основ­ные физико-механические свойства горных пород, которые влия­ют на процесс бурения (табл. 1.1).

К I группе относятся породы, не дающие общего хрупкого разрушения (слабо сцементированные пески, суглинки, извест­няк-ракушечник, мергели, глины с частыми прослоями песча­ников, мергелей и т.п.). Ко II группе относятся упругопластичные породы (сланцы, доломитизированные известняки, крепкие ангидриты, доломиты, конгломераты на кремнистом цементе, кварцево-карбонатные породы и т.п.). К III группе относятся упругохрупкие, в основном изверженные, и метаморфические породы.

Как правило, по твердости породы, участвующие в сложении нефтяных залежей, относятся к первым восьми категориям.

Абразивность горных пород. Под абразивностью горной породы понимается ее способность изнашивать контактирующий с ней породоразрушающнй инструмент в процессе их взаимодействия. Абразивность пород проявляется в процессе абразивного (преимущественно механического) изнашивания и является его характе­ристикой. Поэтому показатели абразивности можно рассматривать как показатели механических свойств горных пород.Абразивность горной породы, как и любой другой показатель механических свойств, отражает ее поведение в конкретных ус­ловиях испытания или работы. Понятие об абразивной способ­ности тесно связано с понятием о внешнем трении и износе. Абразивные свойства горных пород изучены недостаточно. На трение существенно влияет среда. Коэффициент трения о поро­ду, поверхность которой смочена глинистым раствором, мень­ше, чем тот же коэффициент при трении о породу, смоченную водой, и значительно ниже, чем коэффициент трения о сухую породу.Среди горных пород наибольшей абразивностью обладают квар­цевые и полевошпатовые песчаники и алевролиты (сцементирован­ные породы с обломочными зернами размером от 0,01 до 0,1 мм). Разработано несколько классификаций по абразивности горных пород.Сплошность горных пород. Данное понятие предложено для оценки структурного состояния горных пород и их способности передачи внутри породы воздействия, например давления внеш­ней жидкостной или газовой среды. Степень пригодности для такого воздействия определяется внутриструктурными наруше­ниями в породе (трещины, поры, поверхности рыхлого контак­та зерен и т.д.).

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 долотами 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 процесса, связанного с возникновением своеобразного клина из выломанных и пере­двигаемых частиц, создающих распор и способствующих разрушению по­роды, а также механизма их истирания, остановимся на объемном разру­шении горных пород.

Очевидно, разбуривание породы долотом с известным приближением можно рассматривать как процесс вдавливания в породу наконечника (штампа) с плоским и криволинейным основаниями.

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, по В.С. Федорову, являются появление скалывания по контуру давления в хрупких породах (появление клинооб­разного углубления) или пластические деформации у пластических пород. При всестороннем сжатии (под штампом сферической формы) порода ха­рактеризуется физико-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, по В.С. Федорову, – это фаза прогрессивного роста де­формаций, фаза объемного разрушения. Для скальных пород она длится доли секунды.

Три фазы разрушения составляют полный цикл разрушения горной породы. Ярко выраженный скачкообразный характер наблюдается у хруп­ких 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 пластических глин скачкообразности вообще не наблюдается.

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 от 1/21 до 1/29.

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 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.

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;, скорость пе­ремещения струи у относительно плоскости забоя не должна превышать некоторой величины, конкретное значение которой зависит от р1 и прочно­сти породы ,Ксж.

Между этими величинами установлена эмпирическая зависимость р; > > к0Ксж, что справедливо при у = 0,5 м/с (здесь к0 – 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. Рекомендуется подбирать соответствующее сочетание параметров гидромониторной струи, обеспечивающее окончательный отрыв и увлече­ние частиц, преодоление угнетающего их перепада давления, образующе­гося при непрерывном процессе фильтрации жидкости в зону разрушения.

Под буримостью понимают углубление скважины за 1 ч собственно бурения – так называемую механическую скорость проходки ум (м/ч). Эта скорость с течением времени вследствие износа долота экспоненциально уменьшается.

При правильно подобранных режимах бурения, когда обеспечивается объемное разрушение горных пород, механическая скорость изменяется обратно пропорционально твердости. Она зависит также от других свойств (упругости, пластичности и др.).

Если породы определенной группы разбуривают долотами одной и той же модели, одного размера, при постоянных режимах бурения, то по темпу снижения механической скорости проходки можно судить об относитель­ной абразивной способности пород.

Похожие статьи:

poznayka.org

---

• 
  Смд 60
• 
  Портер фото
• 
  Двигатель д300
• 
  Маз 5440 фото
• 
  Компрессор как работает
• 
  Мерседес атего 815
• 
  Маз двигатель
• 
  Что такое мачта
• 
  Теплопередача примеры
• 
  Уаз кардан
• 
  Электронная система зажигания