Основные физико-механические свойства горных пород

Буровые скважины бурят в самых разнообразных геологических условиях. Способ разрушения горных пород, тип породоразрушающего инструмента, режим его работы выбирают в зависимости от физико-механических свойств горных пород, которые определяются комплексом геологических признаков: минералогическим составом, структурой, текстурой и рядом других.

Горными породами называют естественные скопления минералов, возникшие в результате тех или иных геологических процессов в земной коре. Поэтому многие свойства горных пород будут зависеть прежде всего от свойств самих минералов, их химического состава, формы и размеров минеральных частиц, расположения в пространстве, характера и силы связи между частицами, условий формирования пород и их строения.

Генетическая классификация горных пород по составу, принятая при геологических исследованиях, с учетом их происхождения (магматические, осадочные, метаморфические) приводится в сокращенном виде, как предпосылка к характеристике пород по физико-механическим свойствам. Свойства горных пород, влияющие на процесс бурения, весьма многообразны. Различают физические и механические свойства горных пород. Их выражают и оценивают с помощью определенных показателей (характеристик).

Физические свойства горных пород

Физические свойства характеризуют физическое состояние горных пород, т.е. качественную определенность, проявляющуюся в их плотности, влажности, пористости, трещиноватости и выветрелости в условиях естественного залегания. Данные об этих свойствах позволяют качественно оценивать прочность и устойчивость горных пород.

Механические свойства горных пород

Механические свойства горных пород определяют их поведение под влиянием внешних усилий - нагрузок. Они проявляются и непосредственно оцениваются прочностью и деформируемостью горных пород. Показатели механических свойств используются при различных инженерных расчетах, например, при расчете осадок сооружений, определении их буримости и т.д.

Основные физико-механические свойства горных пород

Физико-механические свойства горных пород в образце всегда существенно отличаются от их свойств в условиях естественного залегания. В массиве породы, как правило, более неоднородны по составу, строению и физическому состоянию и более анизотропны по свойствам. Это обусловлено тем, что массивы горных пород обычно имеют поверхности и зоны ослабления, значительно и неравномерно трещиноваты и выветрелы, в них более резко выражены текстурные признаки (слоистость, сланцеватость, полосчатость и др.), часто они нарушены тектоническими подвижками и имеют различное напряженное состояние в зависимости от положения в геологической структуре района.

Структура горных пород

Практические данные колонкового бурения подтверждают теснейшую зависимость физико-механических свойств горных пород от их структуры, размера породообразующих минералов, количества и качества минерального состава цемента. Практические данные колонкового бурения подтверждают теснейшую зависимость физико-механических свойств горных пород от их структуры, размера породообразующих минералов, количества и качества минерального состава цемента.

Механические свойства горной породы как твердого тела непосредственно связаны с ее строением (структурой), с молекулярными силами сцепления.

Под структурой твердой породы подразумевается строение вещества породы, представляющего собой сросток отдельных кристаллов и их обломков различных размеров. Структура породы характеризуется картиной распределения кристаллов зерен и цемента по размерам, условиям их срастания и взаимного расположения.

В отдельных кристаллах, составляющих горную породу, могут быть ярко выражены плоскости спайности, как у графита, слюды, гипса, каменной соли, кальцита. В направлении, параллельном с плоскостью спайности, кристалл имеет наименьшую прочность на разрыв, так как расстояние между этими плоскостями в решетке значительно больше, чем между любыми другими плоскостями.

Для прочности горных пород характерна зависимость ее от размеров зерен, составляющих породу минералов. Минеральные зерна малых размеров обладают значительно большей относительной механической прочностью, чем крупные частицы. Эта закономерность распространяется и на горные породы. Мелкозернистые породы имеют более высокую механическую прочность и более низкую буримость, чем крупнозернистые.

Буримость горных пород

Под термином «буримость» принято понимать комплексную характеристику горной породы, заключающуюся в способности горной породы сопротивляться проникновению в нее породоразрушающего инструмента в процессе бурения.

Буримость горных пород является функцией многих переменных, зависящих от природных, технологических и технических факторов. Буримость породы зависит от ее физико-механических свойств, от формы, размеров и материала породоразрушающего инструмента, от применяемых режимов бурения (частоты вращения бурового снаряда, осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, качества и количества промывочной жидкости) и т.д. Естественно поэтому, что буримость породы определяется раздельно для каждого вида породоразрушающего инструмента.

Методы определения буримости горных пород

Существует ряд объективных методов определения буримости горных пород, нашедших применение при вращательном и ударно-вращательном способах бурения. К основным таким методам следует отнести следующие:

  • Метод ЦНИГРИ - определение категорий горных пород по буримости на основе их абразивности и динамической прочности в объединенном выражении.
  • Метод ВИТР - определение категорий горных пород по буримости с помощью прибора ВИТР-ОТ (определитель буримости горных пород).
  • Метод определения фактической буримости горных пород путем опытного бурения при рациональных значениях параметров режима бурения и рациональных типах породоразрушающего инструмента.

Первые два метода определения буримости горных пород рекомендуется применять, как контрольные. Для технического же нормирования геологоразведочного бурения следует применять метод определения буримости горных пород по фактическим данным.

Классификация горных пород

В процессе обобщения опыта бурения различных пород, освоения новых способов бурения, изменения техники и технологии бурения классификации претерпевают определенные изменения и уточнения. Поэтому в ряде классификаций количественный показатель буримости отсутствует, а горные породы отнесены к той или другой группе по их петрографической характеристике.