Способность горных пород реагировать на внешние воздействия из­менением размеров, формы и целостности относится к механическим свой­ствам.

Способность горных пород изменять без разрушения форму и разме­ры в результате направленного на них силового воздействия называется деформируемостью.

Прочность горных пород — это способность их в определенных усло­виях воспринимать силовые воздействия без разрушения.

Реальная (техническая) прочность отличается от теоретической, под которой понимается прочность связи между элементарными частицами, слагающими идеальную кристаллическую решетку. Например, односторон­нее растяжение ионного кристалла (по Г.С. Жданову) составляет 3000 МПа. Для реальных тел отношение теоретической прочности к технической дос­тигает больших значений: для железа — 4500, цинка — 2000, хлористого натрия — 600.

Твердость пород — это их способность сопротивляться внедрению в них постороннего тела.

Горные породы могут деформироваться в пределах упругости и пре­терпевать пластические (остаточные) деформации.

Способность горных пород изменять форму и объем под влиянием си­ловых воздействий и полностью восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействий называется упругостью.

Способность горных пород изменять форму и объем под влиянием си­ловых воздействий и сохранять остаточные деформации после устранения воздействий называется пластичностью.

Горные породы при их нагружении характеризуются проявлением уп­ругой и пластической деформаций, так как не являются идеально упругими или идеально пластическими телами.

Минералы в большинстве случаев деформируются как упругохрупкие тела: их разрушение характеризуется моментом, когда напряжения дости­гают предела упругости; деформации следуют закону Гука. Повышение температуры и всестороннего давления может привести к тому, что мине­ралы будут деформироваться как упругопластические тела.

Горные породы деформируются, не следуя закону Гука: так как они

имеют дисперсное строение, их связь между напряжением и деформацией носит сложный характер.

Упругое поведение тела, в том числе горных пород, может быть оха­рактеризовано модулем Юнга (упругости) Е, коэффициентом Пуассона ц или модулем сдвига G. Иногда необходимо знать модуль объемного сжатия к. Указанные константы изотропного тела взаимно связаны:

E = 2G(1 + µ);

(6.1) Е = 3k(1 — µ).

Для горных пород, которые относятся к анизотропным телам, констан­ты Е
и ц должны быть заданы в виде кривых зависимости от направления.

Модуль упругости определяется рядом факторов. Различают модуль упругости Е, возникающий при однократном нагружении; модуль упруго­сти £н, получаемый в результате исключения остаточных деформаций ме­тодом многократной нагрузки и разгрузки; динамический модуль упругости Е, вычисляемый по скорости распространения упругих волн. Они различ­íû: Å < Eí < Eä.

Модуль упругости, полученный при испытании образцов горных пород для различных видов деформации при растяжении Ер, изгибе £и и сжатии .Есж, неодинаков: Ер < Е„ < Есж. Количественное соотношение примерно сле­äóþùåå: EJEV = 1,1÷3; Åè/Åñæ = 0,25÷0,35.

Породы одного и того же минералогического состава, но разной сте­пени уплотненности имеют разные модули упругости. Если породы нахо­дятся под все увеличивающимся напряжением, то они имеют повышенные значения Е.

Модуль упругости горных пород по мере увеличения глубины их зале­гания возрастает. Наибольшее влияние на модуль упругости оказывают минералогический состав, структура, текстура, условия залегания, природа вещества, заполняющего поровые пространства, и др.

Повышение песчанистости приводит к увеличению Е
породы. Его зна­чения определяются главным образом модулем упругости основного поро­дообразующего минерала, но Есжм
< Есжм.

Ниже приведены модули упругости при сжатии некоторых минералов:

Минерал…………………………………….        Кварц         Кальцит       Гипс               Галит

£сж.м-Ю~6, ÌÏà……………………………        7,9-10       5,8-9,0        1,2-1,5        2,4-2,6

По мере увеличения карбонатности осадочных горных пород модуль упругости возрастает. При прочих равных условиях мелкозернистые поро­ды имеют более высокий модуль Юнга, чем крупнозернистые.

Ниже представлены значения Есжм
для горных пород:

Порода………………………………………………        Глинистый сланец             Известняк            Доломит

£сж.„-10~6, ÌÏà…………………………………….        1,5-2,5                                1,3-2,5                  2,1-16,5

Порода………………………………………………        Ìðàìîð                              Ïåñ÷àíèê              Êâàðöèò

£сж.„-10~6, ÌÏà…………………………………….        3,9-9,2                              3,3-7,8                  7,5-10,0

Модуль упругости горных пород с равномерно распределенной порис­тостью закономерно понижается с повышением пористости. Породы оди­наковой пористости, но разного минералогического состава (кварциты, гра­ниты, мраморы) в пределах нагрузок от 10 до 100 МПа имеют примерно одинаковое значение Е.

По Л.А. Шрейнеру, для целей бурения модуль упругости можно опре­делить по формуле

= Р(1-ц2)
ш                                ‘

где Ет
— модуль упругости породы при вдавливании цилиндрического штампа, Па; Р
— нагрузка на штамп, соответствующая деформации, Н; ц — коэффициент Пуассона; dm — диаметр штампа, м; ^ — упругая деформа­ция, м.

Модуль упругости Ет, кроме того, зависит от пористости пород, мине­ралогического состава, направления действия деформирующих сил по от­ношению к слоистости породы и т.д.

Если £ц — модуль упругости параллельно, а Е±
— модуль упругости перпендикулярно к напластованию, то отношение Е\\ / Е± характеризует степень упругой анизотропии горной породы. Для глинистых пород оно доходит до 2, для песчаников — до 1,2, для алевролитов — до 1,4.

С увеличением влажности горных пород модуль упругости существен­но снижается. По Л.А. Шрейнеру, горные породы в зависимости от модуля упругости подразделяются на восемь категорий.

Коэффициент Пуассона ц для горных пород — величина, изменяю­щаяся в диапазоне 0,10 — 0,45. Ниже приведены значения ц для горных по­род:

Порода………………………..       Глины пластичные              Глины плотные            Глинистые сланцы

ц………………………………….       0,38-0,45                              0,25-0,35                      0,10-0,20

Порода………………………..       Известняки           Песчаники           Каменная соль           Гранит

ц………………………………….       0,28-0,33                0,30-0,35              0,44                              0,26-0,2

Коэффициент Пуассона уменьшается с увеличением деформирующей нагрузки: для известняка изменение нагрузки в пределах 10 — 250 — 500 Н приводит к уменьшению ц до 0,28.

Изучение зависимости ц от направления приложения нагрузки (парал­лельное и перпендикулярное к напластованию) показывает, что щ
> ц_ь

Л.А. Шрейнер и другие показали, что коэффициент Пуассона зависит от метода испытаний: при динамических испытаниях он меньше, чем при статических, и в некоторых случаях во много раз: для доломитов и извест­няков, например, в 1,7 — 2,1 раза.

Изучение процессов разрушения горных пород и исследование устой­чивости горной выработки часто требуют знания их сжимаемости р.

Горные породы под действием всестороннего давления уменьшают свой объем следующим образом: для большинства горных пород р = = 10~б-=-10~7, т.е. объем горных пород при увеличении давления на 0,1 МПа уменьшается на несколько миллионных или даже десятимиллионных долей их первоначального объема. С увеличением давления коэффициент объем­ного сжатия горных пород уменьшается. Например, для известняка значе­ние р при небольших давлениях высоко: р = (2,3+2,7)- 10~б, а при давлениях выше 200 МПа оно достигает 1,39-10~6, т.е. значений р для кальцита, ос­тающегося несжимаемым вплоть до давления 1000 МПа.

Горные породы принято делить на хрупкие и пластичные при обычных условиях. Изменение условий испытания перемещает границу между хруп­костью в ту или иную сторону. По B.C. Федорову, хрупкость, а значит, и

пластичность, следует рассматривать как состояние тела, а отнюдь не как свойство материала. В понятие состояния горных пород входят: структура, дефекты и искажения, относящиеся к самим зернам (решеткам), их по­верхности и к веществу, связывающему зерна; температура и время дейст­вия сил и их значение. При определенных сочетаниях этих факторов горные породы могут вести себя как хрупкие или как пластичные тела. Л.А. Шрейнер с сотрудниками на основании экспериментов при вдавлива­нии штампа в образцы горных пород классифицировал их на упрутохруп-кие, упрутопластичные и не дающие общего хрупкого разрушения. При этом были построены и характерные кривые деформации.

При построении и анализе диаграммы (рис. 6.1) деформации в коор­динатах Р — £, (соответственно нагрузка в ньютонах и деформация в мик­рометрах) тангенсы углов наклона прямых АВ (а) и ВС (ои) характеризуют упрочаемость породы при пластическом деформировании: точка А пересе­чения линий ОА (в упругой области) и АВ (в пластической области) дает значение нагрузки Ро, по которой можно судить о пределе текучести.

Л.А. Шрейнер с сотрудниками под мерой пластичности понимают не­который коэффициент кт получаемый как отношение общей работы, за­траченной до разрушения (площадь ОАВСД), к работе упругих деформаций (площадь ОРЕ). Точка С соответствует значению нагрузки Р, при которой наступает общее разрушение образца горной породы под штампом.

Для упругохрупких пород кш принимается равным единице. Породы осадочной толщины к этой категории практически не относятся. Для этих пород кш
удовлетворяется неравенством 1 < кш < 6. К ним относятся извест­няки, доломиты, песчаники и другие породы.

Л.А. Шрейнер исследовал породы, для которых кш
> 6, отнес их к клас­су пород, «не дающих общего хрупкого разрушения». К этому классу отно­сятся глинистые сланцы. Глины характеризует кт равный практически бес­конечности.

Пластические свойства горных пород существенно изменяются с из­менением их минералогического состава и пористости. Например, при по­стоянной пористости кп
горной породы увеличивается по мере уменьшения ее карбонатности или глинистости. Породы с постоянной карбонатностью показывают увеличение кп с ростом пористости.

Прочность — одно из основных свойств горных пород. Ее можно оп­ределить как сопротивление тел механическому разрушению. Характер деформации играет существенную роль. Наиболее часто используются данные по пределам прочности при разрыве Rp (растяжение), изгибе i?H, сжатии Rcm, скалывании xs (сдвиге, срезе).

С

U $—- ц

Рис. 6.1. Диаграмма деформации при вдавливании штампа, построенная в координатах

а — в упругохрупкую породу; б — в упругопластичную породу

Понятие о твердости менее определенно, и применительно к внедре­нию долота, условно состоящего из своеобразных клиньев («штампов»), может быть сформулировано как сопротивляемость горной породы внедре­нию в него штампа. Это есть прочность тела при вдавливании в него друго­го тела. Между показателями прочности и твердости существует корреля­ционная связь. Прочность горных пород зависит от ряда факторов, главные из которых — минералогический состав, размер и форма зерен кристаллов породы, структура, текстура, тип цемента, количественное соотношение между цементом и материалом породы, пористость и слоистость, уплотнен­ность, перемятость водонасыщенность и некоторые другие. Значительно влияют на прочность вид деформации, масштабный фактор, скорость при­ложения нагрузки и др. Рассмотрим некоторые из этих факторов.

Прочность материалов определяется силами сцепления и внутреннего трения. Между прочностью горных пород и их сцеплением существует прямая связь. Интенсивность сцепления С можно определить через предел прочности при сжатии Rcm и угол внутреннего трения (р:

Q

2 sin ф

или через предел прочности на разрыв Rp:

п _

+ sin ф)

2 sin ф

Интенсивность сцепления численно почти равна пределу прочности при разрыве: С «■ Rp.

По сечению образца горной породы прочность не везде одинакова: ее значения максимальны при разрушении зерна породы, меньше — в местах связи зерен и равны нулю в порах, трещинах.

Интенсивность сцепления часто определяется из условия разрушения на сдвиг, что обусловлено силами сцепления и силами трения. В общем случае сдвиг происходит не по плоскости, а по некоторой зоне толщиной, превышающей размер частиц породы. Силу внутреннего трения f принято оценивать коэффициентом или углом внутреннего трения: tg (p = f; (p = = 2у0 — 90°, где у0 ~ определяемый экспериментальным путем угол неко­торой площадки с в образце породы к горизонту, на которой при приложе­нии нагрузки устанавливается равновесие сил (рис. 6.2).

Главные породообразующие минералы обладают различной прочно­стью: наивысшая прочность, достигающая 500 МПа, у кварца. При прочих равных условиях во всех осадочных горных породах с увеличением количества растворенного кварца прочность возрастает. Прочность кварцитов и кремния достигает 300 — 500 МПа, у карбонатных пород она меньше. Так, прочность основных породоразрушаю-щих минералов кальцита и доломита составляет соответ­ственно 160 и 200 МПа. Прочность обломочных сцемен­тированных пород определяется минеральным составом цементирующего вещества. Наиболее слабые места этих

Рис. 6.2. Схема разрушения образца породы под действием сжимающих усилий

конгломератов находятся на поверхностях контакта обломочного и цемен­тирующего  материалов.

По B.C. Федорову, прочность на разрыв горных пород выше, если зер­на, ее составляющие, меньше. Прочность на скалывание слабо зависит от размера зерен. Разнозернистые горные породы характеризуются повы­шенной прочностью по сравнению с теми, у которых размеры зерен при­мерно одинаковы.

Как правило, горные породы, имеющие «цемент» соприкосновения менее прочны, чем породы, имеющие базальтовый цемент и цемент пор. При прочности цементирующего вещества ниже прочности классических зерен породы с базальтовым цементом оказываются более прочными, чем породы с цементом пор.

Прочность пород с низкой пористостью (0,5 — 2,0 %) при сжатии суще­ственно зависит от формы и характера взаимного расположения зерен. Так, у сланцев она изменяется от 69,2 до 247,3 МПа.

Еще больше эти факторы влияют на известняки. Породы, в составе которых в значительном количестве содержатся минералы табличного или пластичного габитуса, характеризуются изменчивостью прочности в раз­личных направлениях.

Увлажнение горных пород приводит к снижению их прочности: для глинистых пород падение прочности весьма резкое; скальные породы сни­жают прочность значительно меньше — до 20 — 30 %. Увлажнение до 16 — 18 % повышает, а водонасыщение резко снижает прочность песков. Насыщение пород нефтью понижает их прочность.

Прочность при сжатии горных пород возрастает с увеличением уплот­нения по линейному закону. B.C. Федоров считает, что прочность пород увеличивается от свода к крыльям с ростом глубины залегания.

Существенно влияет на прочность горных пород вид деформации. При прочих равных условиях пределы прочности при растяжении Rp, скалыва­нии Rc, изгибе i?H и одноосном сжатии Rcm располагаются в следующем по­ðÿäêå: Rð < Rñ < Rè < Rñæ.

Соотношения этих величин для разных пород ориентировочно выра­жаются следующими значениями:

= — -J-; J^ = i-=-J-; A_ = 0,10 + 0,32. ^ж     20    35   ^ж     6    13   ^ж

При испытании образцов горных пород четко выявляется закономер­ность: при увеличении линейных размеров кубиков от 2 до 10 см
наблюда­ется резкое увеличение предела прочности на сжатие. У образцов разме­ром от 10 до 20 см RC7R возрастает, но менее выражено, приближаясь к не­которому значению. Прочность зерен закономерно уменьшается с увели­чением размера зерен. B.C. Федоров построил характерную кривую, даю­щую наглядное представление о влиянии линейных размеров (масштабный фактор) на прочность минералов и образцов горных пород (кубиков) при одноосном сжатии (рис. 6.3).

Результаты испытаний горных пород на одноосное сжатие существен­но зависят от скорости приложения разрушающих усилий. Так, при изме­нении скорости нарастания напряжения от 1,9 до 4,0 МПа/с прочность ис­пытуемых пород возрастала от 154,4 до 174,5 МПа. По B.C. Федорову, при «мгновенном» действии разрушающих сил прочность известняков, песча-

Рис. 6.3. Влияние линейных размеров (масштабный фактор) на прочность минералов и горных пород при одно­осном сжатии:

1 — зона зерен минералов; 2 — зона крупных образцов (кубики)

ников, глинистых сланцев увеличивается на 10—15 % по сравнению с за­медленным приложением сил. Аналогичная закономерность прослеживает­ся и в случае испытания других горных пород. Скоростной эффект больше влияет на пластичные породы, меньше — на хрупкие.

Горные породы разрушаются и при нагрузках, которые меньше кри­тических, но действуют в течение продолжительного времени. Временная прочность пород зависит от наличия или отсутствия дефектов в образцах и механизмах разрушения.

Твердость горных пород является одним из свойств, представляющих интерес с позиции механики разрушения. Существует несколько способов определения твердости горных пород. Наиболее известный — по шкале Мооса. Твердость породы определяется направлением (оставлением риски) с помощью указанных минералов. Номер минерала, который первым нано­сит риску на испытуемом материале, определяет его цифровую характери­стику.

Другой возможный метод определения твердости горных пород — ди­намический метод Шора. Л.А. Шрейнер установил зависимость между твердостью минералов шкалы Мооса, измеряемой прибором Кнупа, Ркн и коэффициентом отскока к
на приборе Шора: Ркн = 18(1,054) 100.к2.

В последние годы получил распространение метод определения твер­дости горных пород, разработанный Л.А. Шрейнером и его сотрудниками. Сущность метода заключается в том, что в плоскую, хорошо отшлифован­ную поверхность испытуемого тела вдавливают пуансон (штамп), имеющий плоское основание и известный диаметр; при этом измеряют нагрузки, де­формации до разрушения, параметры зоны разрушения, а также вычисля­ют показатели механических свойств.

Деформацию измеряют с помощью индикатора с точностью отсчетов от 0,001 до 0,002 мм в зависимости от условий испытания. Нагрузка на пу­ансон прилагается ступенями, ее повышают через малые интервалы, внут­ри каждого из которых деформация должна пройти до конца.

Затем строят график зависимости деформаций от напряжений — кри­вую деформации при вдавливании штампа (см. рис. 6.1).

Несколько условно кривую деформации делят на участок ОА — об­ласть упругой деформации и участок АВ — область пластической деформа­ции с последующим хрупким разрушением. При испытании хрупких пород участок АВ будет отсутствовать. Пластические породы не имеют хрупкого разрушения. В этом случае за меру твердости принимается предел текуче­сти, чему соответствует точка Pq на ординате Р.

Нагрузка Ро, отнесенная к площади штампа, представляет собой предел текучести (Па): Рт = Po/S.

Упругие свойства пород могут с некоторой степенью приближения ха­рактеризоваться наклоном прямой ОА к оси абсцисс. Приближенное зна­чение модуля упругости горной породы при нагрузке, соответствующей любой точке прямой ОА, может быть определено из зависимости Е = = 0,94Р/2ае, где е — деформация, соответствующая нагрузке Р; а — радиус штампа.

Коэффициент пластичности принимается равным отношению общей работы, затрачиваемой для хрупкого разрушения (площадь OABCD), к ра­боте упругих сил (площадь OEL).

Для горных пород, которые не дают общего хрупкого разрушения (пластичные породы), коэффициент пластичности принимается условно равным бесконечности.

В табл. 6.3 приводятся механические свойства некоторых горных по­род.

По Л.А. Шрейнеру, породы делятся на три группы (I, II, III):

Группа I

категория…………………………………………………… 12                     3                 4

òâåðäîñòü, ÌÏà…………………………………………… 0,5-1,0          1,0-2,5          2,5-5,0        5,0-10,0

Группа II

категория…………………………………………………… 5                   6                   7                 8

òâåðäîñòü, ÌÏà…………………………………………… 10-15            15-20            20-30          30-40

Группа III

категория…………………………………………………… 9                   10                   И                12

òâåðäîñòü, ÌÏà…………………………………………… 40-50            50-60            60-70          >70

К первой группе относятся породы, не дающие общего хрупкого раз­рушения (слабосцементированные пески, мергели с прослоями песка, суг­линки, известняк-ракушечник, мергели и др.); ко второй — упругопластич-ные породы (сланцы, доломитизированные известняки, доломиты, кварце-во-карбонатные и др.); к третьей — упругохрупкие, как правило, извер­женные и метаморфические породы. Из осадочных пород к последней группе относятся кварциты, кремни и окремнелые карбонаты. В основном эта шкала совпадает с 12-балльной шкалой геологоразведочного бурения. Многолетний опыт бурения определяет ее практическую целесообразность.

Подавляющее большинство горных пород, слагающих нефтяные и га­зовые месторождения, относятся к восьми категориям.

По пластичности горные породы Л.А. Шрейнер разделил на шесть ка­тегорий. К первой относятся упругохрупкие; ко второй, третьей, четвертой и пятой — упругопластичные и к шестой — не дающие хрупкого разруше-

Таблица 6.3

Механические свойства горных пород (по Л.А. Шрейнеру)

Горные породы	Твердость, МПа	Коэффициент пластичности	Модуль упругости £-10″‘, МПа
Глины	100-250	>1-3	0,25-0,5
Аргиллиты	250-500	>1-3	0,5-1,0
Мергели	50-250	1-3	<0,5
Песчаники кварцевые	250-2500	>1-4	0,5-5,0
Известяки	1000-2000	2-6	1-5
Гипсы	250-500	>1-6	0,5-2,5
Кремнистые породы	≥5000	1-3	>10

ния и упругопластичные породы с коэффициентом пластичности кш
> 6, так как они по своему поведению при разрушении близки к породам, не даю­щим хрупкого разрушения.

По методике Л.А. Шрейнера весьма трудно отличить высокопластич­ную породу от высокопористой. Пластичность пород этих видов условно принимается равной бесконечности, когда у них вполне определенный ко­эффициент пластичности.

Методика Л.А. Шрейнера весьма трудоемкая, поэтому используется только при научных исследованиях, — из-за сложности оборудования и требований высокой квалификации операторов и специалистов в произ­водственных условиях она пока не применяется.

Твердость горных пород, определенная по описанной методике, значи­тельно выше предела прочности на сжатие.

Поскольку прочность и твердость горных пород взаимосвязаны, на по­следнюю влияют те же факторы и в том же направлении, что и на твер­дость. Твердость горных пород в определяющей степени зависит от мине­ралогического состава и существенно зависит от содержания в них кварца и полевых шпатов. Присутствие кварца влияет на твердость глинистых по­род некарбонатного типа, меньше — на твердость глинистых пород и чис­тых мергелей. Твердость в этой группе пород изменяется линейно, пропор­ционально количеству присутствующего кварца. Твердость глинисто-карбонатных пород существенно зависит от карбонатной составляющей, а песчаников и алевролитов — от типа цементирующего материала. При прочих равных условиях твердость повышается от типа цемента (слева на­право): глинистый -> гидрослюдисто-глинистый -> карбонатный -> базаль­товый.

Существенно зависит твердость от структуры породы и ее пористости. Некоторые факторы влияют на Rcm и твердость неодинаково и в противо­положных направлениях: например, геотектонический фактор — предел прочности при сжатии R± перпендикулярно к напластованию больше пре­дела прочности i?y параллельно напластованию {R± > Яц), тогда как для твер­дости результаты прямо противоположны, причем Щ > R± = 1,1-5-1,8.

Из технико-технологических факторов на твердость горных пород больше всего влияют факторы: масштабный, формы и скоростной. Чем выше твердость горной породы, тем отчетливее влияние масштабного фак­тора, чем больше размеры площади штампа, тем выше твердость (до опре­деленного размера).

Твердость имеет наименьшие значения при внедрении заостренных наконечников (конусы, клинья) и наибольшие — при плоских торцах при прочих равных условиях. При мгновенном приложении нагрузки твердость горной породы выше, чем при медленном вдавливании, причем эффект в данном случае больший, чем при определении Rcm.

Твердость должны определять по стандартной, отработанной методике при проверенных и установленных технико-технологических факторах, ко­торые могут дать несопоставимые результаты (форма, скорость нагруже-ния, размеры образца и штампа, угол внедрения штампа в образец, плос­кость поверхности и др.).

При оценке рабочего инструмента для разрушения горных пород су­щественную роль играет характер разрушения пород различного класса. Для упругохрупких и упругопластичных пород зоны разрушения гораздо больше зоны контакта породы и штампа; для пород, не дающих хрупкого

Рис. 6.4. Схемы разрушения пород при вдавливании штампа:

а, б — для пород упругохрупких и упругопластичных; в
— для пород, не дающих общего хруп­кого разрушения

разрушения, размеры разрушения и контакта одинаковы (рис. 6.4). Углуб­ление в последнем случае больше.

Отношение глубины погружения штампа после разрушения породы 8 к ее деформации Е (упругой и пластичной) до разрушения является пока­зателем, по которому породы делятся на различные классы. Для упруго-хрупких пород отошение Ъ/Е > 5,0, для упругопластичных оно равно 2,5 — 5,0 и для пород, не дающих хрупкого разрушения, равно единице.

Для оценки сопротивляемости горных пород разрушению при бурении пользуются также понятием критического напряжения акр. По B.C. Федо­рову, критическое напряжение — это отношение нагрузки на долото Рд, при которой начинается активное объемное разрушение породы, к перво­начальной площади контакта. Величина Ощ> характеризует сопротивление породы проникновению в нее рабочих элементов долота и определяется из данных бурения.

Эта величина и твердость по штампу (по Л.А. Шрейнеру) имеют оди­наковую физическую сущность, и между ними устанавливается корреля­ционная связь. Твердость по Л.А. Шрейнеру определять проще, чем а^, поэтому ее использование более предпочтительно.

Абразивная способность горных пород — это способность изнашивать разрушающий их инструмент. Это понятие связано с понятием о внешнем трении и износе. Абразивная способность горных пород и механизм ее проявления пока еще недостаточно изучены.

Суммируя отдельные, порой субъективные и противоречивые данные, B.C. Федоров выделил основные положения абразивной способности гор­ных пород применительно к бурению, которые приведены ниже.

Главная причина абразивного износа твердых тел — неровности на соприкасающихся поверхностях. Поверхности касаются только в точках контакта. В случае не очень больших давлений на соприкасающихся по-

верхностях площадь истинного контакта составляет лишь 2-10 5 — 210 4 части полной площади поверхности, т.е. весьма малую ее часть. Соприка­сающиеся поверхности находятся под действием точечных нагружений. Число мест контакта значительно, но величина площади их соприкоснове­ния мала. В точках контакта поверхность подвергается одновременному действию усилий, направленных вдоль и нормально к поверхности. Тогда процесс абразивного износа определяется большим числом отдельных ца­рапаний и сколов, вызывающих непрерывное соскабливание с рабочих по­верхностей разрушающего инструмента стружек и соскобов.

В общем случае абразивный износ — процесс весьма сложный. В од­них участках обеспечивается механическое сцепление (царапание), и здесь сопротивление трения обусловливается прочностью на срез взаимно вне­дрявшихся элементов поверхности. В других участках обеспечивается мо­лекулярное сцепление, и сопротивление разрушению связано с преодоле­нием молекулярных сил. Практически при бурении молекулярными силами можно пренебречь.

Объемный износ V может быть найден из выражения V = b^Pfs, где 8 — коэффициент износа; (iv — кинетический коэффициент внешнего тре­ния; Р — твердость горной породы; f — площадь соприкосновения трущих­ся поверхностей; s — путь трения.

Тогда для одного и того же изнашивающегося материала при прочих равных условиях при соприкосновении с разными породами (в пределах определенного класса) можно записать: Vi/V2 = \^\Р/\^Ръ где щ, Pt — ко­эффициент внешнего трения и твердость одной породы; \уъ Р2 — то же, второй породы.

Следовательно, для бурения мерой относительной абразивной способ­ности горной породы может служить произведение коэффициента внешне­го трения и твердости. Тогда факторами, определяющими абразивную спо­собность горных пород, являются факторы, влияющие на ее твердость, и кинетический коэффициент внешнего трения. На последний существенное влияние оказывают твердость горных пород, размер и форма зерен, сла­гающих породу, нормальное давление, скорость скольжения, среда, в кото­рой находятся трущиеся поверхности, температура и некоторые другие факторы.

Коэффициент трения о породу тем больше, чем выше ее твердость при одинаковом минералогическом и зерновом составе, что объясняется затрудненным выламыванием зерен из породы повышенной твердости, а также тем, что разрушающий инструмент царапается более интенсивно.

По тем же причинам \х^ выше при трении о мелкозернистые породы с остроконечными и ребристыми зернами, чем при трении о крупнозерни­стые породы с окатанными зернами.

При трении инструмента о породу (нешлифованную) коэффициент \^ является возрастающей функцией нормального давления вплоть до момен­та, когда это давление не станет равным твердости породы. В дальнейшем Цу остается примерно постоянным.

Для расчетов при бурении в реальных породах \л^ следует определять при нормальных давлениях на трущихся поверхностях. Установлено, что при росте скорости скольжения коэффициент трения изменяется, имея максимум; при увеличении нормального давления максимум Цу смещается в сторону меньших скоростей. При сухой чистой поверхности горных пород коэффициент трения имеет наивысшие значения для данной пары. Смо-

ченная водой порода для той же пары имеет более низкие значения, кото­рые еще более снижаются при покрытии поверхности горной породы бу­ровым раствором.

Температура выше 200 °С способствует повышению коэффициента трения. В случае применения твердосплавных разрушающих инструментов влияние температуры начинает проявляться при более высоких ее значе­ниях.

Технология сбора плавающей нефти с водных поверхностей

КАК РАСПОЗНАТЬ ЯДОВИТЫЙ ГРИБ

Обратите внимание: