Глава 5. Физко-механические свойства пород

5.1 Технологические процессы. Прочность горных пород

Для того чтобы определить способ бурения, правильно выбрать породоразрушающий инструмент, истирающий материал, параметры технологических режимов, требуется тщательное изучение физико-механических свойств горной породы, в первую очередь ее минерального состава и прочности связей в кристаллической решетке минерала.

Процесс в переводе с латинского - продвижение. Под технологическим процессом мы понимаем совокупность последовательных действий, в результате которых наблюдаются качественные изменения обрабатываемого предмета.

При бурении горных пород наблюдают два основных процесса: разрушение горной породы (собственно бурение) и вынос разрушенной горной породы из скважины потоком промывочной жидкости (промывка скважины).

При разрушении горной породы всегда налицо два факто­ра, противоположно действующих друг на друга: резец, разру­шающий горную породу (активный фактор), и горная порода, сопротивляющаяся этому разрушению (пассивный фактор). Ре­зец, встречая сопротивление горной породы, сам претерпевает разрушение - износ.

Взаимодействие резца с породой происходит под воздейст­вием третьего силового фактора - технологических режимов бу­рения.

Эффективность разрушения горной породы зависит как от параметров (свойств) горной породы (объективных, независимых от воли человека факторов), так и от параметров резцов и техно­логических режимов бурения (субъективных, зависимых от чело­века факторов).

К основным параметрам горной породы, влияющим на эффективность разрушения горной породы, относят прочность (упругость, вязкость); абразивность, трещиноватость.

Прочность горных пород, как и других твердых тел, обу­словлена химическим составом и прочностью химических связей между атомами в зернах, величиной зерен и расстоянием между ними.

Энергия связи между атомами определяется типами связи и электроотрицательностью атомов. Наиболее часто в горных по­родах наблюдается ионно-ковалентный и ионный типы связей. Ионо-ковалентный тип связи характерен для магматических пород.

Прочность ковалентной связи с уменьшением межъядерного расстояния (суммы радиусов взаимодействующих атомов) воз­растает. Ее можно определить по формуле Полинга

, кДж/моль, (5.1)

где E₁, Е₂ - энергия связи атомов в простых молекулах; Э - раз­ность их электроотрицательностей; r — межъядерное расстояние.

Поливалентные элементы образуют кратные (двойные, тройные) связи.

Наиболее прочные связи образуют элементы второго третьего периода таблицы Д. И. Менделеева с малым атомным радиусом, кратными связями и высокой электроотрицательностью:

С = О (1072 кДж/моль); N = N (946 кДж/моль);

С = С (837 кДж/моль); Si = О (803 кДж/моль);

А1 = О (750 кДж/моль).

Вследствие высокой электроотрицательности кислорода, высокой прочности связей атомов кремния и алюминия, около; 90% земной коры представлено силикатами и алюмосиликатами.

Помимо химических связей на прочность минеральных зе­рен оказывают влияние их структура (координационная, каркас­ная, листовая) и плотность упаковки атомов. Координационная и кольцевая структуры с плотной упаковкой (алмаз, гранаты) ха­рактерна для минералов, образованных при высоком давлении и температуре. Каркасные силикаты с неплотной упаковкой (кварц) образуются при небольших давлениях и относительно невысокой температуре.

Ионный тип связей характерен для минералов, образован­ных в водоемах из растворов карбонатов, сульфатов, галоидов и др. Прочность связей - невысокая, минералы легко растворяются в воде.

По типу связей между зернами горные породы делят на породы с кристаллизационными связями, сцементированные, связные, раздельнозернистые.

Кристаллизационные связи обусловлены межмолекуляр­ным взаимодействием зерен и поэтому могут возникнуть только в процессе кристаллизации или перекристаллизации горной поро­ды при высоких давлениях и температуре, когда расстояния меж­ду зернами ничтожно малы и когда могут действовать ванн-дерваальсовы силы. Чем меньше расстояние между кристаллами, тем прочнее связи.

Энергию взаимодействия между кристаллитами в соответ­ствии с теорией ДЛФО можно определить по формуле

кДж/моль, (5.2)

где А = 10^-19 -10^-21 Дж - константа Гамакера; r - расстояние меж­ду кристаллитами.

Расчет по этой формуле показывает, что на малых расстоя­ниях (0,25 нм) энергия межкристаллитной связи приближается к энергии химической связи.

При значительных размерах зерен величина контакта меж­ду ними невелика, невелико и межкристаллическое взаимодей­ствие (практически равно нулю). Породы, сложенные такими от­дельными зернами, называют раздельнозернистыми.

Тонкодиспергированный материал имеет суммарную пло­щадь контакта между зернами значительно больше, чем между крупными зернами, расстояние между кристаллитами в них резко понижается, сила взаимодействия между ними соответственно повышается. Расстояние между зернами снижается еще более при увеличении давления и температуры. В результате воздейст­вия этих факторов тонкодиспергированные частицы, располо­женные в порах между зернами горной породы, взаимодейству­ют между собой и зернами, связывая их в единый массив. Так возникают обломочно-осадочные и метаморфические горные породы.

Тонкодиспергированные глинистые частицы горной поро­ды без воздействия давления и температуры друг с другом взаи­модействуют слабо. Но при наличии между ними пленок воды они оказываются связанными друг с другом. Такие породы на­зывают связными или глинистыми. Тонкие пленки воды облада­ют значительной прочностью и вязкостью, потому связные породы весьма пластичны.