Абразивність гірських порід і геостатична температура

Під абразивністю гірських порід розуміють їх здатність зношувати в процесі тертя метали та тверді сплави. Абразивна здатність порід проявляється при взаємодії з ними породоруйнуючого інструменту та інших елементів бурового обладнання. Чим більша абразивність породи, тим вищий темп зносу інструменту, а значить він швидше буде виходити з ладу. Часта заміна породоруйнуючого інструменту в глибокій свердловині суттєво збільшує тривалість і вартість її будівництва. Наявність даних про абразивні властивості гірських порід дозволяє більш правильно вибрати модель породоруйнуючого інструменту і цим самим підвищити ефективність процесу буріння.

Методів оцінки абразивних властивостей гірських порід існує багато. В основу більшості методів покладено зміну об’єму або маси металу, зношеного в процесі тертя в гірську породу при деяких постійних для даного методу умовах.Суть лабораторного методу, запропонованого професором Л. А. Шрейнером, полягає в тому, що еталонне кільце з досліджуваного матеріалу, притиснуте боковою циліндричною поверхнею до горизонтальної шліфовальної поверхні досліджуваного зразка гірської породи із заданою силою, обертається навколо горизонтальної осі з постійною швидкістю. Зразок гірської породи при цьому поступально переміщається відносно кільця з деякою заданою швидкістю. Продукти руйнування, що утворюються при терті кільця в поверхню породи, видаляються струменем води, яка подається до місця контакту. Абразивні властивості оцінюють за об’ємом зруйнованих матеріалів кільця та гірської породи на довжині шляху тертя в 1 м.

Встановлено, що для більшості мінералів і гірських порід об’ємний знос матеріалу еталонного кільця не залежить від швидкості обертання і прямопропорціональний силі притиску. Коефіцієнт пропорціональності між об’ємом (Vз) зношеного матеріалу кільця на довжині шляху тертя в 1 м і силою притиску (Р_к ) до взірця породи називається коефіцієнтом абразивності (a_a).

(2.3)

Він характеризує абразивні властивості досліджуваної гірської породи стосовно матеріалу еталонного кільця.

Іншою характеристикою абразивних властивостей порід при цьому методі оцінки є відносний знос, тобто відношення об’єму зношеного матеріалу еталонного кільця до об’єму зношеної породи на шляху тертя в 1 м.

Абразивні властивості породи можна оцінювати також і за роботою, затраченою на знос одиниці об’єму матеріалу еталонного кільця або самої породи, або за відносною абразивністю. Під відносною абразивністю розуміють відношення відносного зносу досліджуваної гірської породи до відносного зносу гіпсу, прийнятого умовно за одиницю. Гіпс є найменш абразивною породою. Відносна абразивність – величина безрозмірна і не залежить від умов досліду. Вона зручна для порівняльної оцінки абразивних властивостей гірських порід і мінералів.

Абразивний знос металу і твердого сплаву залежить як від абразивності породи, так і ряду інших факторів: співвідношення твердості породи і металу (сплаву), шорсткості поверхонь, які труться, контактного тиску, тем-ператури, властивостей охолоджуючого середовища (мастила). Абразивність гірської породи залежить від мікротвердості утворюючих її мінеральних зерен, їх розміру, форми та характеру поверхні.

За ступенем збільшення абразивності гірські породи можна розташувати в такий ряд: гіпс < барит < доломіти < вапняки < кременисті породи (халцедон, кремінь) < залізномагнезіальні і польовошпатові породи < кварц і кварцити.

Якщо твердість мінеральних зерен, що утворюють породу, значно менша за твердість металу, відбувається тонкий поверхневий знос металу за рахунок сил тертя та інтенсивний знос самих зерен і породи в цілому. Якщо твердість мінеральних зерен близька до твердості металу, відбувається дуже тонке, але об’ємне руйнування металу внаслідок високої місцевої концентрації напружень в місцях контакту тіл, що труться. У цьому випадку суттєву роль в зносі відіграє початкова шорсткість породи і металу. Вивержені полімінеральні породи, як правило, більш абразивні, ніж мономінеральні. Це пояснюється, очевидно, тим, що поверхня тертя стає більш шорсткою із-за неоднакового зносу різних мінералів, що входять до складу породи. Серед уламкових порід найбільшою абразивністю характеризуються кварцеві пісковики та алевроліти. При однаковому мінералогічному складі абразивність уламкових порід звичайно вища, ніж абразивність кристалічних порід, що зв’язано з характером шорсткості поверхні тертя. Чим більша пористість, більші уламки і гострокутіша їх форма, тим більша шорсткість уламкової породи. Чим більша шорсткість породи, тим менша реальна площа контакту металу з породою. Стикання відбуваються лише на вершинах виступів шорсткостей. Із зменшенням реальної площі контакту при даному навантаженні збільшується контактний тиск, величина якого може досягати твердості металу.

Абразивність пісковиків зростає із зменшенням їх твердості. Найбільшою абразивністю володіють кварцеві та польовошпатові пісковики. Це пояснюється тим, що твердість уламкових гірських порід визначається твердістю цементуючої речовини. Чим менша твердість цементу, тим легше оголюються мінеральні зерна, які мають більшу твердість, ніж сама порода, і тим більша шорсткість поверхні тертя, так як інтенсивність зносу мінеральних зерен і цементу не однакова із-за різниці їх міцнісних характеристик. Кварц є найбільш абразивним і найбільш твердим із породоутворюючих мінералів.

Абразивність алевролітів трохи менша, ніж абразивність пісковиків однакового мінералогічного складу внаслідок меншого розміру зерен.

Деякі осадові гірські породи (глинисті, карбонатні, сульфатні) в чистому вигляді малоабразивні. Але їх абразивність зростає із збільшенням вмісту кварцу. Особливо інтенсивно абразивність маломіцних порід зростає при збільшенні вмісту кварцу. При вмісті кварцу більше 20% абразивність маломіцних порід стає вищою, ніж абразивність кварцитів.

Температура гірських порід визначається природним тепловим полем Землі і суттєво залежить від глибини залягання порід і місцезнаходження району. Температура верхнього, відносно невеликого за товщиною, шару порід може змінюватись від сезону до сезону і навіть протягом доби і залежить від коливань атмосферної температури.

Температура більш глибоко залягаючих порід залишається практично постійною протягом багатьох століть. Цю, практично постійну для даного району і для даної глибини залягання породи, температуру називають геостатичною. З глибиною геостатична температура збільшується. Величину приросту температури із збільшенням глибини на 1 м називають геотермічним градієнтом. Вважають, що в середньому геотермічний градієнт приблизно дорівнює 0,03 град/м. В реальності він значно змінюється від району до району і навіть в межах одного району, залежно від глибини. Орієнтовано геостатичну температуру на глибині Z визначають з виразу:

(2.4)

де Т₀ – температура нейтрального шару Землі, градуси;

Г – геотермічний градієнт порід даного району, град/м;

Z₀ – глибина залягання нейтрального шару, м.

Дата добавления: 2014-01-07