Механические, абразивные и теплофизические свойства горных пород
Сопротивление горных пород разрушению в процессе бурения наиболее полно характеризуется показателями физико-механических свойств горных пород. Эти свойства необходимо также знать при расчетах и проектировании, связанных с решением различных технико-технологических задач бурения (выбор рационального способа бурения и породоразрушающих инструментов, оптимальных параметров технологического режима бурения и др.)
Физическое состояние горной породы характеризуют:
К механическим свойствам горных пород относятся:
Теплофизические свойства пород ( теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность).
Ниже приведены средние теплопроводности, Вт/(м°·С), некоторых породообразующих минералов (λм) и горных пород(λ).
|
Минерал |
Галит |
Кварц |
Кальцит |
Вода |
Лед |
|
Горная порода |
Каменная соль |
Кварц |
Мрамор | ||
Резкое отличие λ от λм обусловлено как наличием пор в породах, так и повышенным сопротивлением на границах зерен. Увлажнение пористых пород приводит к повышению их теплопроводности, в то время как замерзание воды в порах сопровождается резким ростом λ горных пород.
Удельная теплоемкость с пород изменяется от380 до 2100 Дж/(кг°С) (низкие значения имеют рудные минералы).
Теплоемкость пористых, насыщенных водой пород всегда больше теплоемкости плотных пород. Показатели теплофизических свойств, связаны между собой соотношением
λ = αсρ, (1.15)
где α - температуропроводность (скорость изменения температуры).
Классификация горных пород геологического разреза
Для классификации пород геологического разреза и его разделения на характерные пачки, а также выбора рациональных типов и конструкций шарошечных долот разработана комплексная методика, которая определяет общий порядок и методические основы работ.
На первом этапе в соответствии с этой методикой необходимо провести классификацию пород геологического разреза и выделить характерные пачки. Классификация пород осуществляется на основе их классификационных характеристик. К классификационным характеристикам горных пород, от которых наиболее явно зависят показатели работы долот в каждых заданных геологических условиях, относятся твердость, абразивность и сплошность. Классификационные характеристики пород определяются на основе региональных исследований их свойств, а в случае отсутствия таких данных - на основе литологического соответствия пород.
Пример 1.1. Масса образца песчанистого сланца m=6510-3кг; общий объем его v=26·10-6 м3. Определить плотность и удельный вес образца песчанистого сланца.
Решение. Плотность образца
Сила тяжести породы G = mg = 65 • 10-3 • 9,81 = 637 • 10-3 Н.
Тогда удельный вес породы γ =G/V = 637·10-3/26-10-6=24,5·103H/м3.
Пример 1.2. Цилиндрический керн диаметром d=4,1·10-2 м и длиной l = 12·10-2 м, поднятый из скважины в чистом и сухом виде, имеет массу m1=0,32 кг. Масса керна при насыщении его на 100% пресной водой составляет m2=0,32 кг. Требуется определить пористость керна и плотность твердой фазы породы.
Решение. Объем пор и пустот в керне, согласно выражению (1.5)
Общий объем керна
V2 =πR2l = 3,14(2,05 ·10-2)l2 ·10-2 = 158,4 10-6м3
(R - радиус керна).
Подставляя полученные значения в уравнение (1.4), получаем
Плотность твердой фазы породы можно определить по формуле (1.1)
Пример 1.3. Пористый керн диаметром d=4,1•10-2м, длиной l =15·10-2м был подвергнут испытанию на линейную фильтрацию воды. Были получены следующие данные: давление на входе в керн ρ1=0,35 МПа; давление на выходе из керна р2=0,1 МПа; объемная скорость фильтрации Q=6·10-6м3/c.
Решение. Приняв μ=1,05-10-3, из уравнения (1.6)
Пример 1.4. Какова прочность образца гранита площадью поперечного сечения S=4,5·10-4 2 на сжатие, если при испытании на гидравлическом прессе разрушающее усилие сжатия составило ρсж=78·103Н.
Решение. Прочность на сжатие по формуле (1.8)
