Классификация горных пород по абразивности

Класс абразивности	Класс пород	Показатель абразивности а, мг	Характерные породы
I	Весьма малоабразивные	до 5	Известняки, мраморы, мягкие сульфиды без кварца (галенит, сфалерит, пирротин), апатит, каменная соль
II	Малоабразивные	6-10	Сульфидные руды, барито-сульфидные руды; аргиллиты, мягкие сланцы: углистые, глинистые, хлоритовые, хлорито-аспидные
III	Ниже средней абразивности	11-18	Джеспилиты, роговики (рудные и нерудные), кварцево-сульфидные руды, магматические тонкозернистые породы, песчаники кварцевые и аркозовые тонкозернистые, руды железные, известняки окремненные
IV	Среднеабразивные	19-30	Песчаники кварцевые и аркозовые, мелкозернистые диабазы, крупнозернистый пирит, арсенопирит, жильный кварц, кварцево-сульфидные руды, мелкозернистые магматические породы, окварцованные известняки, джеспероиды
V	Выше средней абразивности	31-45	Песчаники кварцевые и аркозовые, средне- и крупнозернистые, плагиограниты, нефелиновые сиениты, мелкозернистые граниты, мелкозер­нистые диориты, порфирита, грей-зены, габбро, гнейсы, скарны (рудные и нерудные)
VI	Повышенной абразивности	46-65	Средне- и крупнозернистые граниты, диориты, гранодиориты, порфириты, нефелиновые сиениты, сиениты, кератофиры, пироксениты, монцониты, амфиболиты, сланцы кварцевые и окварцованные, гнейсы
VII	Высокоабразивные	66-90	Порфириты, дориты, граниты, гранитоидные нефелиновые сиениты
VIII	В высшей степени абразивные	Свыше 90	Корундосодержащие породы

Абразивные свойства горных пород определяются только их литолого-петрографическими и механическими показателями. Та кие характеристики, как твердость зерен породы, прочность связь между ними, их форма и размер, пористость и степень неоднородности пород представляют собой неуправляемые природные факторы, как бы в чистом виде характеризующие абразивность - - способность изнашивать инструмент.

Абразивные свойства горных пород изучены в меньшей степени, чем механические. 

Он характеризует абразивные свойства испытуемой горной породы по отношению к материалу эталонного кольца. Экспериментально установлено, что в случае эталонного кольца из сплава ВК-15 указанная прямая пропорциональность сохраняется даже при испытании кварцевых пород. Если же эталонное кольцо из закаленных сталей, зависимость сохраняется при трении по кристаллическим породам, кроме кварцевых; при трении же по кварцевым породам величина коэффициента а является функцией силы прижатия и окружной скорости;

Коэффициент абразивности характеризует абразивные свойства горных пород или минералов по отношению к материалу эталонного образца. 

При заполировании алмазов в коронке, что показывает на несоответствие износостойкости матрицыабразивным свойствам горной породы или параметров режима бурения характеру разбуриваемых пород. 

Абразивность горной породы характеризует способность изнашивать породо-разрушающий инструмент. Абразивные свойства горных пород проявляются при движении резцов по породе под определенной нагрузкой, когда происходит износ породы и резцов. 

Особое свойство пород, выражающееся в способности изнашивать породоразрушающий инструмент в процессе бурения; количественно может определяться абсолютной величиной потери массы эталонного стержня при определенных условиях его трения об образец породы и другими способами. Абразивные свойства горных пород в массиве вызывают износ объемных и подрезных алмазов буровой коронки, которые постоянно находятся в контакте с горной породой и изнашиваются. Еще большее значение при алмазном бурении имеют абразивные свойства тлама горных пород, который вызывает износ матрицы алмазной коронки. 

Абразивность горной породы, как и любой другой показатель механических свойств, отражает ее поведение в конкретных условиях испытания или работы. Понятие об абразивной способности тесно связано с понятием о внешнем трении и износе. Абразивные свойства горных пород изучены недостаточно. На трение существенно влияет среда. Коэффициент трения о породу, поверхность которой смочена глинистым раствором, меньше, чем тот же коэффициент при трении о породу, смоченную водой, и значительно ниже, чем коэффициент трения о сухую породу. 

Абразивность горной породы, как и любой другой показатель механических свойств, отражает ее поведение в конкретных условиях испытания или работы. Понятие об абразивной способности тесно связано с понятием о внешнем трении и износе. Абразивные свойства горных пород изучены слабо. На величину трения существенное влияние оказывает среда. Коэффициент трения о породу, поверхность которой смочена глинистым раствором, меньше, чем тот же коэффициент при трении о породу, смоченную водой, и значительно ниже, чем коэффициент трения о сухую породу. Твердость горной породы, размер и форма зерен, образующих породу, существенно влияют на коэффициент внешнего трения. Коэффициент трения о породу с более высокой твердостью при прочих равных условиях обычно более высокий, чем о породу с меньшей твердостью. Это объясняется тем, что абразивные зерна из такой породы выламываются трудней, а разрушающий инструмент царапается зернами этой же породы более интенсивно. 

Продолжали развивать это направление исследований в Уфимском нефтяном институте в отраслевой научно-исследовательской лаборатории бурения А. И. Опивак, А. Н. Попов, Л. А. Алексеев, Г. В. Конесев, В. Н. Трушкин и другие. Ими были созданы экспериментальные установки для исследования абразивности горных пород в режиме разрушения буровыми долотами. Сначала были установлены режимы работы долот, а затем исследованы абразивные свойства горных пород применительно к этим условиям бурения. 

Важную роль в выборе типа лопастных долот и режимных параметров их отработки имеют абразивные свойства разбуриваемых пород. Для повышении стойкости долот в породах средней абразивности скорость вращения их следует ограничивать до получе -, ния окружных скоростей 3 м / с. Поэтому выбор интервалов для бурения лопастными долотами, их конструкций и режимных параметров отработки должны быть обоснованы физико-механическими и абразивными свойствами горных пород. 

Во втором издании учебника отражены новые данные, полученные в результате исследований устойчивости стенок скважины, энергоемкости и абразивности горных пород. Рассмотрены механические свойства главным образом осадочных горных пород; основные факторы, влияющие на эти свойства; методы исследования свойств, а также механизм разрушения горных пород в процессе вдавливания в них различных наконечников при статической и динамической нагрузках. Изложены вопросы энергетики и основные закономерности разрушения горных пород при бурении глубоких скважин. Описаны абразивные свойства горных пород, методы их оценки и влияние на износ буровых долот. Приведены сведения о буримости горных пород. 

При прочих равных условиях вооружение элементов лопастных долот меньше изнашивается при использовании растворов на углеводородной основе. Однако из-за отсутствия их фильтрации в породу ( имеется только поверхностное увлажнение породы) эффект разрушения породы несколько снижается. В промышленных условиях установлено, что механическая скорость бурения увеличивается только на 35 - 40 % при повышении 3 5 - 4 6 раза стойкости лопастных долот, армированных твердым сплавом ВК8 - В. Некоторые расхождения в значениях стойкости твердосплавных долот, полученных при бурении скважины и при исследованиях в лабораторных условиях, объясняются влиянием других видов изнашивания, обусловленных температурным режимом и абразивными свойствами горных пород. 

Под абразивностью горных пород понимается их способность изнашивать при трении металлы, твердые сплавы и другие твердые тела, в частности, породоразрушающий инструмент. При абразивном износе поверхность инструмента истирается вследствие царапания (микрорезания) ее небольшими твердыми шероховатыми частицами породы. Абразивные свойства пород зависят от их петрографических характеристик, основными из которых являются: 1) твердость зерен пород, увеличивающая абразивность пород (например, высокоабразивными являются кварц- и корундсодержащие породы); большая разность в твердости зерен и цемента также увеличивает абразивность; 2) форма зерен (остроугольные более абразивны, чем окатанные); 3) размер зерен (влияет на степень шероховатости, крупные зерна вызывают повышенный абразивный износ); 4) пористость (также увеличивает шероховатость и способствует повышению абразивности); 5) влажность (способствует понижению абразивности некоторых осадочных пород). В результате абразивного износа постепенно меняются размеры и геометрия рабочих органов. В частности, уменьшается диаметр коронок, на резцах образуются площадки притупления, уменьшается толщина стенок бурильных труб при трении о стенки скважин, изнашиваются ковши, кузова, транспортеры. Абразивность является важнейшим технологическим свойством, оказывающим непосредственное влияние на сроки службы инструмента. Абразивность определяют путем оценки износа материала, контактирующего с перемещаемой по отношению к нему горной породой. Наиболее простой и распространенный способ заключается в определении износа при истирании торцов цилиндрических стержней из специальной нержавеющей стали-серебрянки. В одном из торцов стержня просверливают углубление диаметром 4 мм. Таким способом имитируется кольцевой забой. Это необходимо для усреднения результатов опытов, так как было установлено, что в малоабразивных породах меньший износ дает сплошной забой, а в абразивных — кольцевой. Испытания проводят на установке, состоящей из настольного сверлильного станка и тисков для крепления исследуемого образца. Стержень из стали зажимают в патроне станка, прижимают к необработанной поверхности породы с заданным усилием и вращают определенное время. Стандартные условия проведения испытаний следующие: осевая нагрузка (сила прижатия) — 150 Н, частота вращения — 400 мин-1, длительность истирания — 10 мин, диаметр стержня — 8 мм, длина стержня — 70 мм. Испытания проводят дважды — со сплошным торцом и кольцевым. Стержень из стали взвешивают до и после испытаний с точностью до 0,1 мг на высокоточных аналитических весах. После этого определяют показатель абразивности (мг) по формуле

где m1 — уменьшение массы стержня за каждую пару испытаний; n — число пар испытаний. По величине показателя абразивности все горные породы подразделяют на восемь классов.

Абразивность может быть определена и в производственных условиях. Например, известен метод оценки абразивности по удельному износу коронок (применим к инструменту малой массы). Коронки взвешивают до (m1) и после (m2) эксперимента. Параметры режима бурения стандартизованы. Показатель абразивности (г/м) определяется по формуле

где L — пробуренный интервал, м.