Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

Скорость приложения нагрузки составляет 0,1 – 0,5 МПа/с. При изменении скорости приложения нагрузки в таком небольшом диапазоне не вызывает появления зависимости прочности образца от скорости приложения нагрузки: для этого, как известно, последняя должна изменяться в значительно большем диапазоне: 10-5 – 102 МПа/с.

Рис.18. Схема «бразильского» способа испытания образцов горной породы на разрыв с помощью плит (а) и клиньев (б)

Прочность образца определяется по формуле

sр = 2F/pS,

где S – площадь сечения разрыва образца близка произведению d·l.

Круг напряжений Мора для данного напряженного состояния

s1 = s2 = 0 > – s3 = – sр

на координатной плоскости –  имеет следующие особенности: радиус окружности R = р/2 , центр окружности имеет координаты (– р/2, 0).

5.1.2 Определение прочности при одноосном сжатии

При таком испытании образца (1 > 0, 2 =3 = 0) поверхность  вырождается в точку С на оси 1 (рис. 17). Для широкого круга горных пород выполняется соотношение сж/р = 8  10, хотя нередко это отношение имеет и большее значение. Наибольшую величину прочности на сжатие имеют плотные мелкозернистые кварциты и нефриты (500 – 600 МПа), мелкозернистые граниты (350 МПа).

Испытанию подвергаются образцы горных пород, имеющие цилиндрическое или прямоугольное сечение. Чаще всего образцы изготавливают из кернов горных пород. Диаметр d цилиндрических образцов составляет (40 ч 50) мм. Отношение длины образца к диаметру l / d должно равняться 1,0 ± 0,05. Но часто используются образцы, у которых отношение l / d достигает и больших значений (l / d ≥ 2,0).

Сравнивать получаемые значения прочности образцов, у которых величина отношения l / d различная, нельзя, т.к. увеличение l / d вызывает снижение прочности. Наиболее существенное снижение прочности происходит при изменении отношения l / d в диапазоне 0,5 ч 1,0. Такое снижение прочности связывают с уменьшением влияния трения на торцовых поверхностях образца на развитие разрушения при росте l.

Испытательный пресс должен иметь полированные давильные плиты, между которыми помещается образец горной породы. Необходимо, чтобы одна из давильных плит имела шаровую опору, радиус которой должен в несколько раз превышать радиус нагружаемого образца. Основное назначение шаровой опоры – обеспечить плотное прилегание к давильным плитам непараллельных торцовых поверхностей образца горной породы.

Скорость нагружения образца составляет 0,5 – 1,0 МПа/с.

Прочность образца на сжатие сж определяется по формуле

sсж = Fmax/S,

где Fmax – нагрузка, при которой произошло разрушение образца, S – начальная площадь поперечного сечения образца.

Круг напряжений Мора для напряженного состояния

s1 = sсж, s2 = s3 = 0

имеет такие особенности: радиус окружности R = сж/2, центр окружности имеет координаты (сж/2, 0). Круг напряжений Мора для этого случая значительно превосходит предыдущий и располагается в положительной части оси нормальных напряжений.

Причиной неодинакового сопротивления горных пород растяжению и сжатию является внутреннее трение, усиливающееся в образцах горных пород при их сжатии.

5.1.3 Влияние трения на торцовых поверхностях на разрушение образцов и их прочность

На механизм разрушения при одноосном сжатии образцов горной породы значительное влияние оказывают контактные условия, т.е. условия, возникающие на торцах сжимаемого образца (трение на торцах образца). В зависимости от контактных условий реализуется две основные формы разрушения: конусная, возникающая от действия касательных напряжений и столбчатая, являющаяся следствием развития в образце трещин нормального отрыва.

Когда опорные плиты изготовлены из жесткого недеформируемого материала и торцы образца не смазаны снижающим трение материалом, то опорные плиты сдерживают развитие поперечных деформаций на торцовой поверхности образцов. В этих условиях нагружения непосредственно под давильными плитами в образце горной породы возникает две линзовидных области, в которых действуют радиальные сжимающие напряжения. Они сдерживают развитие трещин в этой области образца при росте сжимающего усилия. В центральной области образца и его угловых областях радиальное сжатие отсутствует и это способствует растрескиванию образца под действием касательного напряжения 1/30.5. Развитие трещин при растрескивании связано с ветвлением уже имеющихся в образце трещин, различным образом ориентированных относительно направления действия сжимающей образец силы. Ветвящиеся трещины являются трещинами нормального отрыва.

В тех областях образца горной породы, в которых отсутствует радиальное сжимающее напряжение, ответвившиеся трещины ориентируются вдоль направления действия сжимающей силыF. Концентрация вертикально ориентированных трещин растет с увеличением F. Когда концентрация таких трещин становится достаточно большой, происходит их слияние, возникают макротрещины, развитие которых приводит к окончательному разрушению образца. Макротрещины, увеличивая свою величину, обходят стороной линзовидную область, в которой из-за радиального сжатия концентрация ответвившихся вертикально ориентированных трещин низка.

Итогом одноосного сжатия образцов горной породы является конусное макроразрушение образцов: разрушение происходит по конической поверхности, на которой обнаруживается значительное истирание в порошок компонент породы. Конусы образуются путем сдвига по плоскостям максимального касательного напряжения (рис. 19 а ).

Рис. 19. Разрушение образцов горных пород при одноосном сжатии с несмазанной (а, б, в) и смазанной (г) торцовой поверхностью: 1 – слабое микрорастрескивание, 2 – сильное микрорастрескивание, 3 – макротрещины

Конусная форма разрушения при проведении испытаний на одноосное сжатие реализуется не всегда: может возникнуть «косое» разрушение (рис. 19 б), комбинированное разрушение (рис. 19 в). Тот или иной вид разрушения образца зависит как от случайных факторов, к которым следует отнести изменение дефектности различных образцов одной и той же горной породы, различное отклонение от параллельности торцовых поверхностей, возникающее при подготовке образцов и пр., так и от соотношения длины l образца и его диаметра d. При l/ d = 1 поверхность разрушения обычно расположена по диагонали образца; при l/ d= 2 происходит образование конусов с углом 45о с каждого края образца.

Если же между опорной плитой помещена свинцовая пластинка, либо на торцовую поверхность образца нанесен слой смазочного материала, снижающего трение между поверхностью образца и опорной плитой, то на торцовой поверхности образца возникают поперечные деформации растяжения, развитие которых приводит к появлению трещин нормального отрыва. В результате возникает столбчатая форма разрушения образца породы.

 Скачать реферат