8.2 Фізичні явища при руйнуванні гірських порід

Руйнування твердих тіл, в тому числі і гірських порід, відбувається або в результаті відриву (від нормальних розтягуючи напружень), або сколювання, зсуву, зрізу (від дотичних напружень). При розтягу порода руйнується переважно на відрив, при стискуванні – на сколювання.

Руйнування виникає не одночасно по всій поверхні, як це приймають в теоретичних розрахунках, а поступово, послідовно і починається з того місця, де напруження досягає граничних значень.

При руйнуванні на відрив спостерігаються дві зони поверхні розриву – дзеркальна і шорстка, яким відповідають дві стадії розриву – повільна і швидка. При деякому критичному навантаженні (і максимальній технічній міцності) повільна стадія переходить у швидку, коли розрив відбувається зі швидкістю, близькою до швидкості звуку у матеріалі. На основі дослідів встановлено, що тріщини ростуть і при навантаженнях, менших за критичні, але не так швидко. Цим і пояснюється наявність повільної стадії розриву. Із збільшенням тріщин зростає швидкість розриву, і в момент, коли перенапруження коло вершини тріщини досягає теоретичної величини, процес набуває критичного характеру і переходить у швидку стадію.

Послідовність руйнування при сколюванні, зсуві і зрізові, в принципі, така ж, як і при відриві.

При обертовому бурінні енергія на руйнування гірських порід відбирається від інструменту, що обертається, через навантаження долота осьовою силою (притискуванням долота до вибою свердловини). Спостереження показують, що в конкретних умовах буріння момент опору обертанню долота можна приблизно визначати через осьове навантаження, тобто навантаження на долото можна розглядати умовно як параметр реалізованої енергії.

На рис.17 подано типовий графік залежності швидкості руйнування породи від навантаження на долото (при постійній швидкості обертання). Шрейнер Л.А. виділяє три характерні області зміни осьового навантаження, в яких процес руйнування відбувається по-різному.

І область. Швидкість руйнування гірської породи прямо пропорційна навантаженню і досить мала. Ніякого видимого руйнування на поверхні контакту гірської породи з інструментом нема. Утворення виробки в породі відбувається шляхом поступового зняття з поверхні найтонших шарів породи, тобто шляхом стирання за рахунок сил тертя. Такий процес руйнування породи називають поверхневим стиранням. Цей вид руйнування при бурінні найбільш невигідний. Механічна швидкість проходки при такому руйнуванні незначна, питома витрата енергії і питоме зношування інструменту найбільші.

І

Рисунок 17 – Залежність швидкості руйнування породи від навантаження

І область (перехідна). Пряма пропорційність між швидкістю руйнування гірської породи і навантаженням при переході з першої області в другу порушується. На поверхні контакту гірської породи з інструментом розвивається добре видима тріщинуватість. Це пояснюється втомними явищами при багатократній дії породруйнуючого інструменту на породу. В результаті наряду із зняттям тонких поверхневих шарів стиранням спостерігається викришуванням значних об’ємів з поверхні породи. Такий процес руйнування породи називається втомним. Кількість ударів по одному й тому ж місцю, необхідне для руйнування породи, може бути різною. Із збільшенням сили удару вона зменшується, а при певному значенні контактної сили руйнування наступає після першого ж удару.

Механізм руйнування породи при напруженнях, менших за межу міцності, але коли вони діють циклічно, такий же, що і при тривалих статичних зменшених напруженнях. В обох випадках руйнування зумовлене явищем втоми матеріалу (гірської породи). Відомо, що для гірських порід число циклів навантаження при напруженнях, близьких до межі втоми, значно ( в мільйони разів) менше, ніж для металів. Для таких порід як мармур, вапняк, дололоміт, кварцит число циклів навантаження складає 50  110, а відношення межі міцності і втоми залежно від пластичності змінюється в межах 1/21 1/29.

Руйнування гірських порід, зумовлене їх втомою, хоча і має об’ємний характер, але так як і поверхневе руйнування, малоефективне, і при бурінні орієнтуватися на такий режим руйнування не доцільно.

ІІІ область. Напруження в гірській породі досягло граничного значення. При цьому інтенсивно руйнується порода в області, що прилягає до поверхні контакту породи з породорйнуючим інструментом. Швидкість руйнування з ростом навантаження швидко зростає. Такий процес руйнування гірської породи називається об’ємним. При об’ємному руйнуванні породи можна виділити три характерні фази напруженого стану породи під породорйнуючим елементом долота: фазу затухаючих деформацій (ущільнення), фазу розривів і зсувів (граничної рівноваги) і фазу руйнування. Перша фаза характерна тим, що швидкість деформації з часом зменшується, прямуючи до нуля. В скельних породах деформації першої фази є пружними деформаціями, котрі затухають зі швидкістю розповсюдження пружних хвиль. В пластичних глинистих породах перша фаза є фазою ущільнення за рахунок зменшення пористості. Характер руйнування на цій фазі відповідає поверхневому руйнуванню.

Друга фаза характерна тим, що швидкість деформації не затухає, а в момент досягнення певного навантаження набуває постійного значення деформації повзучості. Зовнішнім проявом другої фази деформації є сколювання породи по контуру тиску в крихких породах, зам рахунок чого утворюється клиноподібне заглиблення, або пластичні деформації у пластичних породах. В об’ємі породи, що прилягає до штампу і має сферичну форму, порода сприймає значний усесторонній стиск. Стиснутий об’єм завжди має фізико-механічну неоднорідність. Пори і тріщини є імовірними центрами концентрації перенапружень. Від “небезпечного” дефекту починає розростатися тріщина. По мірі зростання напруження починають рости тріщини і від інших дефектних місць; в породі з’являються поверхні зсувів, при цьому незатухаючі деформації є результатом ряду зсувів, що виникають однин за одним. Тому цю фазу називають фазою розривів і зсувів. Слід відзначити, що одночасно ця фаза є фазою об’ємного руйнування.

Третя фаза – фаза прогресивного зростання деформацій, завершальна фаза об’ємного руйнування. В скельних породах ця фаза триває малі частки секунди. Під індентором формується ядро зім’ятого матеріалу, яке діє подібно ідеальній рідині, передаючи тиск в сторони поверхні, що обмежує зону руйнування. Під дією цього тиску і відбувається руйнування – розрив по поверхні найменшої міцності.