ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ВДАВЛИВАНИЯ ЖЕСТКОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ШТАМПА
Методические указания к выполнению лабораторной
работы по курсу "Физика разрушения горных пород"
для студентов специальности 090800 "Бурение нефтяных
и газовых скважин" очного (заочного) обучения
Томск 1997
ВВЕДЕНИЕ
Механические свойства, к которым чаще всего относят только трещиностойкость (иначе, прочность) горных пород, определяются различными способами: одноосным сжатием образцов или их растяжением, испытанием образцов пород в более сложных напряженных состояниях (двух-, трёхосное нагружение) и пр. Получаемые в таких испытаниях связь между напряжением и деформацией, а также значения прочности, предела упругости образцов горных пород несут важную информацию об особенностях деформационного поведения различных пород, но к деформационному поведению пород на забое скважины имеют лишь косвенное отношение.
Вдавливание жесткого цилиндрического штампа в образцы горных пород более точно воспроизводит процесс разрушения породы на забое скважины при действии на неё специальным инструментом, чем разрушение, реализуемое при одноосном сжатии или в более сложных напряженных состояниях. К тому же определение механических свойств горных пород методом вдавливания штампа не занимает много времени, что позволяет считать данный метод экспрессным.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЯ
Для определения механических свойств горных пород методом вдавливания штампа используется установка УМГП-3, сконструированная под руководством Л.А.Шрейнера. Установка позволяет получить диаграмму деформирования, т.е. связь между усилием вдавливания F, развиваемым установкой, и величиной абсолютной деформации, т.е. глубиной проникновения штампа в породу. Кривая деформации записывается автоматически. Установка позволяет с помощью четырёх входящих в её комплект грузов с различным условным весом использовать следующие пределы нагружения:
1. О - 1000 Н (груз с условным весом 0,582 кг),
2. 0 - 2500 Н (груз с условным весом 2,605 кг),
3. 0 - 5000 Н (груз с условным весом 6,105 кг),
4. 0 - 10000 Н (груз с условным весом 13,0 кг).
Следует иметь в виду, что масштаб записи нагрузки при использовании различных условных грузов будет различен: при использовании четвертого условного груза 1 мм на оси F соответствует 100 Н, для третьего условного груза 1 мм на оси F соответствует 50 Н и т.п.
Максимальная измеряемая абсолютная деформация горной породы достигает 750·10-6 м.
При помощи вдавливания штампа в образцы горных пород на установке УМГП-3 можно определить следующие механические характеристики: твердость Рш, условный предел текучести (предел упругости) Р0, условный коэффициент пластичности Кпл, удельную контактную энергию разрушения А3, удельную объёмную энергию разрушения Аv, жесткость горной породы С.
Подготовка образцов к исследованию
Образцы горных пород, подготавливаемые к исследованию, должны иметь две плоско-параллельные поверхности. Чаще всего образцы изготавливаются из кернов при помощи алмазного круга для получения полированной торцовой поверхности. Боковая поверхность образцов не обрабатывается. Цилиндрические образцы из кернов имеют высоту (30 ÷ 50)·10-3 м и диаметр (40 ÷ 60)·10-3 м. Проверка параллельности торцовых поверхностей образца производится при помощи микрометра: допуск на непараллельность не должен превышать (0,05 ÷ 0,1)·10-3 м при длине образца, равной 50·10-3 м.
После изготовления образцы подсушиваются в сушильном шкафу при температуре, не превышающей 100 °С, в течение (2 ÷ 2,5) часов., а затем медленно охлаждаются на воздухе.
Геометрия используемых штампов
В комплект установки входят цилиндрические штампы с плоским основанием и конические штампы с усеченной плоской вершиной; угол α при вершине конуса должен быть не более 60°. Конические штампы изготавливаются из твердого сплава с площадью контакта с поверхностью образца горной породы, равной приблизительно 1·10-6 м2. Для достижения больших контактных давлений Рк = F/ Sш, где Sш есть площадь вдавливаемой поверхности штампа, допустимо использование штампов и с меньшей величиной Sш. При выборе величины Sш основным критерием является следующий: диаметр штампа должен в несколько раз превосходить линейный размер зёрен минералов, входящих в состав горной породы. Только в этом случае
определяемая методом вдавливания штампа горную породу твердость последней может быть названа агрегатной.
Материалом для изготовления цилиндрических штампов служат различные легированные стали, подвергающиеся в последующем закалке. Площади основания цилиндрических штампов, входящих в комплект установки, изменяются в диапазоне (1 ÷ 5)·10-6 м2.
Штампы из закаленной стали используются при испытании малоабразивных горных пород, твердость которых не выше (2500÷3000) МПа. При исследовании абразивных горных пород, а также пород с предположительной твердостью, превышающей величину (2500÷3000) МПа, следует использовать цилиндрические штампы из твердого сплава. Для более твердых горных пород необходимо использовать конические штампы из твердого сплава.
Для плотных и однороднопористых горных пород следует использовать штампы с.площадью (1÷2)·10-6 м2; для горных пород с линейным размером зерен, превышающим величину 2,5·10-4 м, рекомендуется применять штампы с площадью 3·10-6 м2, а для сильнопористых и малопрочных пород - штампы с площадью основания 5·10-6 м2.
Диаметр рабочей части цилиндрического штампа измеряется микрометром, а конического - с помощью микроскопа. В процессе работы состояние торцовой поверхности штампа контролируется при помощи лупы.
При определении механических свойств горных пород считается, что жесткость материала, из которого изготовлены штампы, значительно превосходит жесткость горных пород. Это означает, что штампы при вдавливании в породу не деформируются столь значительно, как горные породы в месте вдавливания в них штампа, и работа деформирования штампов практически равна нулю.