Файл: Гребенюк, А. А. Техника и технология получения керна.pdf

ческих условий позволяет заранее принять меры по обеспече­ нию хорошего выхода керна и нормального процесса бурения.

Основными физико-механическими свойствами горных пород, оказывающими влияние на процессы бурения, являются проч­ ность, твердость, абразивность и устойчивость. Прочность, твер­ дость и абразивность в общем оказывают влияние на процесс разрушения пород, а от устойчивости зависят выход керна и состояние стенок скважины.

Прочность горных пород можно охарактеризовать как соп­ ротивляемость их механическому разрушению. В зависимости от условий приложения диформирующих усилий различают проч­ ность на сжатие, растяжение, изгиб и скалывание (сдвиг, срез). Наибольшая прочность горных пород проявляется при сжатии и характеризуется временным сопротивлением сжатию.

Твердость — способность породы оказывать сопротивление проникновению в нее другого твердого тела. Твердость являет­ ся главной прочностной характеристикой при разрушении гор­ ных пород в процессе бурения, т. е. основным критерием при определении осевых нагрузок на породоразрушающий инстру­ мент для объемного (самого эффективного) разрушения горных пород.

Различают два вида твердости: агрегатная твердость, т. е. твердость породы в целом, и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Скорость разрушения породы при бурении в основном зависит от агрегатной твердости. Твердость же минералов в основном влияет на абразивный износ резцов.

Абразивностью называют способность горных пород изна­ шивать при трении разрушающий ее инструмент. При трении разрушающего инструмента о горные породы последние своими породообразующими минералами производят микрорезание или царапание металла, т. е. приводят к его абразивному износу. Основными признаками, обусловливающими абразивный износ, является большая твердость, шероховатость обнаженной поверх­ ности породы. Наиболее высокими абразивными свойствами об­ ладают кварцевые песчаники. У пористых и трещиноватых по­ род абразивность также возрастает.

Абразивность отрицательно сказывается на выходе керна. С ростом абразивности пород увеличивается износ вооружения разрушающего инструмента, в результате уменьшается механи­ ческая скорость бурения, а следовательно, увеличивается время действия на керн разрушающих факторов. Помимо этого, вслед­ ствие интенсивного износа резцов, обрабатывающих -керн, будет

.быстро увеличиваться диаметр керна и затрудняться его проход в керноприемную трубу.

Прочность и другие механические свойства горных пород в большой степени зависят от минералогического состава, струк­ туры, текстуры, пористости, трещиноватости, характера связи между зернами, твердости частиц и степени выветрелости,

8

Из структурных признаков на прочность горных пород боль­ шое влияние оказывают размеры зерен, тип и состав цемента, пиритизация, доломитизация, окремнение и перекристаллизация, а из текстурных признаков — слоистость, пористость и трещиноватость.

Чем меньше размеры зерен, перекристаллизация породы, ее слоистость, пористость, трещино'ватость и чем выше пири­ тизация, доломитизация и окремнение породы, тем выше ее прочностные свойства, а значит, лучше условия для получения керна.

с цементом контактного типа менее прочна, чем порода с цемен­ том базального типа. Следовательно, и выход керна в этих по­ родах при прочих равных условиях будет различный.

Устойчивость характеризует способность горных пород раз­ рушаться или не разрушаться при обнажении в массиве и зави­ сит целиком от характера связи между частицами, слагающими горную породу. Руководствуясь этим, С. С. Сулакшин все гор­ ные породы и полезные ископаемые по условиям получения кер­ на разделяет на четыре группы [44].

Первая группа — породы устойчивые. Вторая группа — породы слабо устойчивые.

Третья группа — породы с изменяющейся устойчивостью. Четвертая группа — породы неустойчивые.

Первая группа объединяет порды и полезные ископаемые с жесткой, преимущественно кристаллизационной связью между зернами, спаянные или сцементированные, достаточно прочные монолитные или слаботрещиноватые, невыветрелые. Типичными представителями данной группы пород являются изверженные (граниты, диориты, базальты порфириты и др.), осадочные (плот­ ные известняки, песчаники, сланцы) и метаморфические (гней­ сы, кварциты, мрамор, кристаллические сланцы и др.). Условия бурения в данных породах благоприятны — выход-керна обес­ печивается высокий (до 100 % ) , стенки скважины не обрушаются, промывочная жидкость практически не теряется.

Вторая группа объединяет породы и полезные ископаемые с недостаточно прочной связью, неоднородные по твердости, сбрекчированные со слабым цементом или хрупкие невысокой твер­ дости, переслаивающиеся (со слоями различной твердости), рассланцоваииые или слоистые со слабой связью между слоями, разбитые одной системой трещин, с прожилками и т. д. Услови'я бурения в данных породах часто неблагоприятны.— керн силь­ но дробится, самозаклинивается, истирается, размывается и вы­ мывается, происходят вывалы пород со стенок скважины и по­ тери промывочной жидкости.

Третья группа объединяет породы и полезные ископаемые со сложной связью, преимущественно водноколловдной или обра-

9

зованной льдом, исчезающей при насыщении водой или при наг­ ревании. Сюда относятся и минеральные соли, раство­ ряющиеся промывочной жидкостью. Типичными представи­ телями данной группы пород являются глины, суглинки, лессы, глинистые бокситы, каменная соль, мерзлые скальные и рыхлые породы. При бурении в породах этой группы возникают значительные затруднения, вызываемые специфическими! свой­ ствами данной группы пород. Глины при воздействии промывоч­ ной жидкости разбухают. Разбухание глин приводит к сужению ствола скважины и к зажиму бурового снаряда. При длитель­ ном воздействии промывочной жидкости глина, приобретая те­ кучесть, теряет устойчивость, стенки скважины оплывают, раз­ мываются, скважина зашламовывается. Мерзлые породы при действии тепла оттаивают и теряют связь, в результате чего происходят вывалы пород со стенок скважины или оплывание стенок скважины. Минеральные соли при действии воды раст­ воряются.

Четвертая группа объединяет породы и полезные ископае­ мые, практически не имеющие связи между зернами, с высокой прочностью отдельных частиц, рыхлые, сыпучие и плывучие раз­ личного гранулометрического состава, сильно перемятые, разд­ робленные или сильно трещиноватые скальные породы (разби­ тые сложной системой трещин). Типичными представителями данной группы являются пески, гравий, галечник и др. Условия 'бурения в этих породах сильно осложняются из-за оплывания стенок скважины. При бурении происходит перемещение частиц по типу сыпучих тел, мелкие зерна легко вымываются, а рых­ лая масса в колонковой трубе может сильно уплотняться с об­ разованием пробки.

Классификация горных пород и полезных ископаемых по ус­ ловиям получения керна, предложенная С. С. Сулакшиным, по сравнению с другими [8, 9, 10] является более совершенной. Од­ нако вторая группа пород сильно укрупнена, так как объединяет весьма различные по составу и структурной связи породы, что не позволяет наметить конкретные мероприятия по обеспечению выхода керна.

Известно, что разрушение керна в процессе бурения проис­ ходит в результате одновременного воздействия ряда факторов. В то же время та или иная группа пород по составу и структур­ ной связи является наиболее чувствительной к определенному воздействию, под влиянием которого начинается и в основном происходит разрушение керна. Так, керн сыпучих и плывучих пород вымывается потоком промывочной жидкости вслед за его

хрупких пород раздробляется, керн перемежающихся по твер­

10

Для снижения вибраций следует применять УБТ максимально возможного диаметра и антивибрационные средства

U