Кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин» методические указания по дисциплине «разрушение горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин» специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» для студентов очной,

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт Нефти и Газа

Кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине «РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН» специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» для студентов очной, заочной и заочно-сокращенной форм обучения

(часть 1 - Механические свойства горных пород)

Тюмень – 2007

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители: В.Г. Абатуров - к.т.н., доцент;

А.Ф. Семененко – ассистент.

Под общей редакцией профессора В.П. Овчинникова

Рецензент: д-р техн. наук, профессор Г.А. Кулябин

Содержание

Введение……………………………………………………………….....4

Лабораторная работа № 1 Изучение плотностных свойств горных

пород……………………………………………………………………...5

Лабораторная работа № 2 Способы определения предела прочности

горных пород.……………………………………………………………7

Лабораторная работа № 3 Определение абразивности горных по-

род……………………………………………………………………….11

Лабораторная работа № 4 Определение механических свойств гор-

ных пород методом вдавливания штампа.……………………………16

Лабораторная работа № 5 Определение микротвердости минералов

и горных пород.………………………………………………………...20

Список использованных источников…………………………………..23

Введение

Методические указания предназначены для студентов специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» очной, заочной и заочно-сокращенной форм обучения и могут быть использованы при выполнении учебно-исследовательских работ студентами других специальностей.

Целью получения студентами знаний по методам измерения механических свойств горных пород.

Методические указания будут полезны при изучении курсов по технологии бурения нефтяных и газовых скважин и заканчивания скважин.

Лабораторная работа № 1

Тема: Изучение плотностных свойств горных пород.

Цель работы: Изучить плотностные свойства горных пород

К ним относятся плотность, объемная масса, пористость, трещиноватость.

Плотностью называется масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) горной породы. Плотность зависит, главным образом от плотности минералов, слагающих породу.

Плотность основных породообразующих минералов в земной коре колеблется в диапазоне от 1900 до 3500 кг/м³.

Плотность осадочных горных пород - в пределах от 1850 до 3200 кг/м³. Чаще всего в геологических разрезах встречаются породы с плотностью от 1850 до 2700 кг/м³.

Важным структурным фактором является объемная масса горной породы. Это масса единицы объема породы в ее естественном состоянии, то есть с минеральным скелетом, порами и трещинами. Объемная масса имеет то же значение, что и плотность монолитных (без пор и трещин) пород.

Для пористых пород объемная масса всегда меньше их плотности. Объемная масса пород, имеющих в порах и трещинах капельную жидкость, больше объемной массы сухих пород. Разница возрастает по мере роста пористости и минерализации пластовой воды.

При увеличении глубины скважины за счет роста горного давления происходит уплотнение пород, смятие пор и пустот, поэтому объемная масса возрастает.

С ростом глубины скважины увеличивается температура горных пород. Повышение температуры вызывает увеличение объема минерального скелета и пластового флюида, поэтому объемная масса несколько снижается.

В работе [1] было предложено плотностью называть осредненные значения объемной массы породы для значительных интервалов и даже полностью для геологического разреза. В таблице 1 приведены плотности основных осадочных пород.

Таблица 1 – Плотность осадочных пород [1]

Горная порода

Плотность, кг/м³

Горная порода

Плотность, кг/м³

Песчаники

2320-3200

Алевролиты

2340-3040

Глины

1850-2200

Известняки

2360-2980

Аргиллиты

2630-2860

Доломиты

2460-3190

Мергели

2370-2920

Каменная соль

2100-2200

Наиболее важным структурным признаком породы является пористость, определяемая наличием в ней пор, трещин (пустот).

Общая (абсолютная, физическая, полная) пористость характеризуется отношением объема пор к объему всей породы. Коэффициент общей пористости К_п есть отношение объема всех пор V_пор к полному объему образца породы V_обр, в долях или процентах

К_п = (1)

Известна также открытая пористость, которая учитывает сообщающиеся между собой поры. Она всегда меньше или равна общей пористости.

Динамическая (эффективная) пористость учитывает только часть объема открытых пор с движущимся пластовым флюидом. Пористость магматических и метаморфических пород весьма мала (0,8-1,2 %) [2]. Осадочные породы имеют большую пористость (таблица 2).

Таблица 2 – Общая пористость основных пород нефтяных и газовых

месторождений

Горные породы

К_п, %

Горные породы

К_п, %

Глины

0-62

Песчаники

0-53

Аргиллиты

0-25

Известняки

0-45

Глинистые сланцы

0,5-4

Доломиты

2,5-33

Пески

2-55

Алевролит

0-47

Пористость зависит от формы и размеров зерен, степени их окатанности, уплотнения, цементирования обломков и зерен.

Пористость пород-коллекторов нефтяных и газовых месторождений чаще всего находится в следующих пределах (%):

Пески 20-25;

Песчаники 10-30;

Карбонатные породы 10-20.

По происхождению поры, трещины могут быть первичными и вторичными. К первым относятся поры и трещины, образующиеся во время осадконакопления и формирования массива горных пород. Вторичные поры и трещины образовались в течение постдиагенетического изменения. В этом отношении наиболее характерными являются карбонатные породы, например, при доломитизации известняков образуется значительное количество пустот.

По размеру поровые каналы пород-коллекторов условно делят на три группы [3]: сверхкапиллярные – более 0,5 мм; капиллярные - 0,5-0,0002 мм; субкапиллярные – менее 0,0002 мм.

Структура порового пространства зависит от следующих факторов:

- степени трещиноватости;

- гранулометрического состава пород;

- характеристики цементации.

Измерения коэффициента полной пористости горных пород К_п основывается на следующем соотношении

(2)

где V_зерн – объем минерального скелета образца.

С учетом того, что масса образца складывается из слагающих его зерен, уравнение (2) может быть представлено так

(3)

где и - суть плотности образца породы и плотности минерального

скелета.

Плотности горных пород () определяются с помощью весов [2, 4, 5] на основании того, что она равна массе пород, отнесенной к ее объему. Масса породы (m _г.п) определяется или путем вытеснения воды в мерном сосуде или посредством гидростатического взвешивания. Последний из перечисленных методов включает подвешенную на тонкой проволоке образец пород, взвешенный на воздухе и при погружении его в воду.

Объем вытесненной воды V_вв численно равен объему образца горной породы. Масса породы фиксируется при взвешивании образца на воздухе. Таким образом плотность горной породы равна

(4)

Лабораторная работа № 2

Тема: Способы определения предела прочности горных пород.

Цель работы: Определения предела прочности горных пород.

Прочность – это способность пород сопротивляться разрушению под действием нагрузок. Критические значения напряжений, при которых происходит разрушение породы, называют пределом прочности. Различают пределы прочности пород на одноосное сжатие , растяжение , изгиб , сдвиг (срез) . При бурении глубоких скважин разрушение горных пород на забое происходит в условиях всестороннего сжатия, поэтому рассматривается также понятие «предел прочности при всестороннем сжатии» [1, 2, 5, 6, 7].

Наиболее простым видом определения прочности является одноосное сжатию, так как она проводится при простом напряженном состоянии, то есть < 0; - = 0.

Определение предела прочности при одноосном сжатии

Производится на образцах цилиндрической (керн) или призматической формы. В настоящее время разработан и действует ГОСТ 21153.2-84, в соответствии с которым определение прочности пород при одноосном сжатии производится на образцах размеры, которого 423 мм при отношении высоты h к диаметру d (ширине, длине), равном единице. Торцовые поверхности образцов шлифуют, их выпуклость (вогнутость) после шлифования не должна быть более 0,05 мм. Они также должны быть параллельны друг к другу (отклонение не более 0,1 мм) и перпендикулярны к образующим цилиндра (отклонение 1,0 мм).

Этот метод является стандартным. Определение прочности проводят на гидропрессах. Схема проведения опыта приведена на рисунке 1.

1 – образец породы; 2 – плиты пресса; 3 – стол гидропресса

Рисунок 1 – Установка для определения предела прочности на

одноосное сжатие

Образец породы 1 размещается на столе 3 гидропресса, нагружается давильной плитой 2 до разрушения.

В опыте фиксируется максимальная нагрузка Р_max, соответствующая моменту разрушения образца породы. Предел прочности на одноосное сжатие рассчитывается как отношение разрушающей нагрузки Р_max к площади поперечного сечения образца F

. (5)

В опытах с хрупкими породами возможно определение таких упругих свойств как модуль продольной упругости при одноосном сжатии (модуль Юнга) и коэффициент Пуассона . При изменении размеров образцов в продольном и поперечном направлении [1, 7]: предположим длина образца l уменьшилась на величину Δl, а поперечный размер d увеличился на Δd. Коэффициент Пуассона определяется

(6)

Модуль Юнга Е_сж -

(7)

В таблице 3 приведена классификация горных пород по прочности на одноосное сжатие, разработанная в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) [1].

Таблица 3 – Классификация горных пород по прочности на

одноосное сжатие

Группы

Категории

, МПа

Группы

Категории

, МПа

Весьма слабые

< 4

4-6

6-10

Средней прочности

35-52

52-80

80-120

Слабые

10-15

15-23

23-35

Прочные

Очень прочные

120-180

180-270

< 270

Наибольшей прочностью обладают породы, содержащие кварц. Кварц имеет предел прочности при одноосном сжатии равный 5·10⁸ ПА. Полевые шпаты, входящие в некоторые осадочные породы, обуславливают их малую прочность.

Определение прочности при растяжении

Цилиндрические образцы пород стандартных размеров (диаметром 40-50 мм с отношением высоты к диаметру, равным 0,9 – 1,1) могут быть использованы для определения предела прочности при растяжении _р. Определение производят методом диаметрального сжатия (рисунок 2), в результате чего в образцах возникают растягивающие напряжения.

Рисунок 2 – Схема испытания на растяжение цилиндрического

образца методом раздавливания

Расчет предела прочности (_р, МПа) производят по формуле Герца

_р =, (8)

где Р – разрушающее усилие, кгс;

d - диаметр образца см.

Результаты испытаний этим методом, как показывает опыт, отличаются высокой стабильностью.

Определение прочности при сдвиге G_сд

Прочность на сдвиг (срез) определяют в специальных стальных матрицах (рисунок 3, ГОСТ 21153.5-88). Образец находится в условиях среза со сжатием. При испытаниях важно обеспечить равномерное распределение усилия пресса по сечению испытуемого образца. Испытания проводят на цилиндрических образцах диаметром 420,1 мм, высотой 422,5 мм. Допуски на параллельность, выпуклость торцов, а также перпендикулярность их к образующей цилиндра ± 0,05 мм.

Углы наклона матриц 30⁰, 45⁰ и 60⁰, клиньев 5⁰, что позволяет менять угол наклона среза в пределах от 25⁰ до 65⁰ через каждые 5⁰. Зазор между разъемными половинами матрицы при вложенном в нее образце должен иметь постоянную ширину не более 2 мм.

1 – матрицы; 2 – вкладыши; 3 – клинья; 4 – плиты; 5 – ролики;

6 - образец породы

Рисунок 3 – Определение прочности пород при сдвиге

Нормальное давление на плоскость среза  и предел прочности при срезе G_ср вычисляют по формулам

; (9)

, (10)

где Р – вертикальная максимальная разрушающая сила, кгс;

 - угол между плоскостью среза и направлением действия силы Р,

градус;

d – диаметр образца, см;

h – высота образца, см.

Лабораторная работа № 3

Тема: Определение абразивности горных пород.

Цель работы: Научиться определять абразивность горных пород с помощью метода эталонных стержней.

Абразивность горных пород - это способность породы на забое скважины и бурового шлама изнашивать элементы долота, в том числе его вооружения. Слово абразивность, происходит от латинского слова “abrasio”, что означает соскабливание.

Оценка абразивности производится по изменению веса металлических стержней за время испытания.

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

Чем легче отделяются зерна, тем быстрее обновляется абразивная поверхность и тем выше абразивный износ. Чем меньше будет прочность связи и зерна будут отрываться еще острыми, тем меньше будет абразивный износ.

Форма зерен: остроугольные зерна боле абразивны; окатанные – менее абразивные. Максимальные абразивные свойства имеют равномерно - зернистые породы.

Размер зерен влияет на абразивный износ через шероховатость горных пород. Больший размер зерен способствует большему абразивному износу. Зерна оставляют на инструменте более глубокие царапины.

По степени абразивности кристаллические горные породы можно расположить так: гипс < барит < доломиты < известняки < кремнистые породы < железистомагнезиальные породы < кварц и кварциты.

Из обломочных наиболее абразивны кварцевые песчаники и алевролиты. При одинаковом минералогическом составе абразивность обломочных пород обычно выше абразивности кристаллических горных пород. Это обусловлено характером шероховатости поверхности трения.

Чем больше пористость, крупнее обломки и остроугольнее их форма, тем больше шероховатость обломочной породы. С увеличением шероховатости уменьшается реальная площадь контакта металла с породой, возрастает контактное давление, которое может достигать твердости металла.

Абразивность обломочных пород возрастает с увеличением содержания в них кварца и уменьшением прочности цемента, связывающего минеральные зерна.

Схема установки по исследованию абразивности горных пород и общий вид приведены на рисунках 4 а, б.

Установка включает следующие узлы: тиски 1 и прокладки 2 для фиксации образца горной породы 3, эталонный стержень из некаленной стали, покрытый серебрянкой 4, патрон 5 для крепления эталонного стержня, шпиндель 6, корпус установки 7, дополнительный груз 8, клиноременная передача 9 и электродвигатель 10.

На фотографии общего вида установки показана модификация с нижним размещением груза.

Испытания проводятся при следующих режимных параметрах. Осевая нагрузка 150 Н (15 кг), скорость вращения стержня 6,7 с^-1 (400 об/мин), длительность опыта 10 мин, диаметр стержней 0,008 м (8 мм), их длина 0,07 м (70 мм). Для равномерного износа стержня, во всех породах, в одном из его торцов высверливается отверстие диаметром 4 мм и глубиной 10-12 мм (торцовые поверхности перпендикулярны к оси).

а б

Рисунок 4 – Установка для определения абразивного износа

Образец породы должен иметь массу в пределах от 0,1 до 2 кг и при закреплении его в тисках верхняя поверхность образца должна занимать горизонтальное положение. Методика испытаний предусматривает истирание стержней на естественной поверхности образцов.

Подготовка опыта заканчивается взвешиванием стержня с точностью до 0,1 мг.

Порядок проведения опыта

Стержень закрепляется в патроне шпинделя и опускается на поверхность образца породы, включается электродвигатель установки и в течение 10 мин осуществляется истирание стержня о породу. Нагрев стержня должен быть не более 200-220 ⁰С (соломенно-желтый цвет побежалости). Затем установка выключается, стержень в патроне переворачивается и опускается на новый участок рабочей поверхности образца. В течение 10 мин производится истирание второго конца эталонного стержня.

Необходимость проведения парного опыта объясняется стремлением уменьшить возможное расхождение конечных результатов путем усреднения полученных данных. Установлено, что в малоабразивных породах износ стержней цилиндрической формы больше, чем у стержней с кольцевой формой, в то время как на полиминеральных породах больше изнашиваются стержни второго вида.

После окончания опыта стержень очищается от продуктов разрушения, промывается, сушится на воздухе в течение 10-15 мин и взвешивается.

Обработка результатов

Показатель абразивности горной породы а определяется по формуле

, (11)

где q - уменьшение веса эталонного стержня, мг;

n - число парных опытов.

По величине а определяется характеристика и класс породы по абразивности (таблица 4).

Необходимое число опытов определяется следующим образом. В зависимости от желаемой точности определения показателя абразивности задаются допустимые отношения К_доп. В зависимости от структуры горной породы выбирается коэффициент вариации К_в показателя «а» (таблица 5).

По величине отношения К_доп к коэффициенту К_в определяется число единичных опытов (таблица 6).

Пример. Определить необходимое число опытов при испытании мелкозернистой горной породы на абразивность с точностью К_доп = 15 %.

По таблице 1 приложения находим значение К_в = 19.

Отношение К_доп / К_в=15/19 = 0,789.

Ближайшее четное число единичных опытов (таблица 6) равно 6, следовательно, число парных опытов равняется 3.

Таблица 4 - Классификация горных пород по абразивности по

Л.И. Барону

Класс

абразивности

Наименование класса

Показатель

абразивности,

мг

Характеристика

породы

Весьма

малоабразивные

До 5

Известняки, каменная соль, мрамор

Малоабразивные

5-10

Аргиллиты, глинистые сланцы

III

Ниже средней

абразивности

10-18

Тонкозернистый песчаник, окремнелый известняк

Продолжение таблицы 4

Среднеабразивные

18-30

Кварцевый и аркозовый тонкозернистый песчаник, диабаз, окварцованный известняк

Выше средней

абразивности

30-45

Кварцевый и аркозовый средне- и крупнозернистый песчаник, диорит, гнейс, габбро

Повышенной

абразивности

45-65

Гранит, кварцевый и окварцованный сланец, гнейс

VII

Высокоабразивные

65-90

Порфирит, диомит, гранит, сленит

VIII

В высшей степени

абразивности

>90

Корундо-

содержащая порода

Таблица 5 – Коэффициенты вариации показателей абразивности для

горных пород различной структуры

Структура горной

породы

Размер зерна, мм

Коэффициент вариации (округлено), %

Крупнозернистая

Среднезернистая

2-5

Мелкозернистая

Тонкозернистая с наличием включений

0,2

Таблица 6 – Определение числа единичных опытов

Величина отношения допустимого отклонения к коэффициенту вариации

Необходимое число единичных опытов

Величина отношения допустимого отклонения к коэффициенту вариации

Необходимое число единичных опытов

2,000

0,591

1,386

0,566

1,132

0,544

0,980

0,524

0,876

0,506

0,800

0,490

0,741

0,475

0,693

0,462

0,653

0,450

0,620

0,438

Лабораторная работа № 4

Тема: Определение механических свойств горных пород методом вдавливания штампа.

Цель работы: Изучить метод статического вдавливания штампа по Л.А. Шрейнеру, позволяющий определять твердость, упругие и пластические характеристики горных пород. В образец горной породы с двумя плоско-параллельными плоскостями вдавливается штамп в форме цилиндра или усеченного конуса с плоским основанием. При этом регистрируется нагрузка на штамп Р и глубина его внедрения .

Твердость занимает особое место среди механических свойств пород, поскольку для определения ее используется прием проникновения внутрь породы (индектора), который в определенной степени моделирует разрушение породы острым инструментом.

В настоящее время твердость пород по Шрейнеру Л.А. определяется нагрузкой на единицу площади штампа, при которой заканчиваются упругие и пластические деформации, завершающиеся полным хрупким разрушениям участка пород под площадью штампа, т.е. в качестве меры твердости принята величина контактного давления, при котором напряжения в породе под штампом достигают предела прочности. Преимущество штампа с постоянной на время опыта площадью контакта перед вдавливаемым конусом предопределило широкое его применение. Используемые в опытах штампы представлены на рисунке 5.

а б

а – закаленная сталь; б – твердый сплав

Рисунок 5 – Штампы

По рекомендациям Шрейнера Л.А. [1] для плотных и однородно-пористых пород применяются штампы площадью до 2 мм². При испытании пород с размером зерен более 0,25 мм рекомендуется использовать штампы площадью 3 мм², а в опытах с малопрочными и сильнопористыми породами рекомендуются штампы с контактной площадью 5 мм² и более.

Определение твердости методом статического вдавливания штампа производится на специальных установках УМГП - 3 и УМГП - 4, на которых результаты опыта автоматически записываются на ленте, также на приборах, изготовленных на базе гидропресса рисунок 6.

1 - цилиндр гидравлического пресса; 2 – манометр; 3 - рычаг ручного насоса; 4 - корпус насоса; 5 – траверса; 6 – штамп; 7 - индикатор глубины внедрения; 8 - столик поршня; 9 - образец горной породы; 10 - кран гидронасоса

Рисунок 6 – Гидропресс

Штамп вдавливается под нагрузкой в образец породы, при этом фиксируются попарно нагрузка – глубина внедрения штампа в породу. Вдавливание продолжается до момента хрупкого разрушения породы и выкола лунки. После этого производится построение графиков зависимости нагрузки на штамп от глубины внедрения.

Шрейнер Л.А. определил, что все горные породы по характеру их “поведения” при деформации подразделяются на 3 группы: 1 - хрупкие, 2 – хрупко-пластичные, 3 – высоко-пластичные, сильнопористые, не дающие общего хрупкого разрушения. Каждая группа пород имеет характерный график деформации, по которым определяют твердость и некоторые другие механические свойства пород. На рисунке 7 а, б, в приведены графики деформации всех трех групп.

а – для хрупких горных пород; б - для хрупко - пластичных горных пород; в - для высоко-пластичных горных пород

Рисунок 7 - Графики деформаций горных пород

На рисунке 7 а - график деформации хрупких пород. Зависимость ε = f (Р) линейная. До момента разрушения (точка А) деформация только упругая. По максимальной нагрузке Р_р, соответствующей моменту выкола лунки определяется твердость Р_ш

(12)

где F- площадь основания штампа.

График деформации хрупко-пластичных пород (рисунок 7 б) состоит из двух частей – упругой и пластичной. В области упругой деформации (участок ОА) деформация протекает быстрее. В точке А происходит переход упругих деформаций в пластические. На участке АВ происходит пластическая деформация породы. При ступенчатом нагружении штампа наступает интенсивная деформация, причем рост деформации каждый раз продолжается некоторое время и после прекращения повышения нагрузки. Это так называемое пластическое течение. На графике этот участок характеризуется уменьшением угла наклона кривой деформации. В точке В происходит выкол лунки.

Твердость определяется аналогично первому графику.

. (13)

В точке В наблюдается переход упругих деформаций в пластические. Это дает возможность по нагрузке Р₀, соответствующей переходу деформаций, определить предел текучести породы Р_т

. (14)

За меру пластичности принимается отношение общей работы, затраченной до момента разрушения А_р (пропорциональной площади ОАВС) к работе упругого деформирования А_уп (пропорциональной площади ОДЕ) – это отношение называют коэффициентом пластичности К_п.

. (15)

Шрейнер Л.А. предложил считать работу упругого деформирования пропорциональной площади треугольника ОДЕ, то есть то, что упругие константы породы сохраняют свою величину и в области пластической деформации. Высокопластичные, сильнопористые не дают общего хрупкого разрушения под штампом. За меру твердости и за начало разрушения условно принимается предел текучести Р_т, соответствующий нагрузке Р₀ рисунок 7 в.

. (16)

Коэффициент пластичности условно принят равным бесконечности К_п= ∞.

На основе анализа материалов применение метода статического вдавливания штампа Шрейнером предложена классификация горных пород по твердости и пределу текучести (таблица 7).

Таблица 7 – Классификация горных пород по твердости и пределу

текучести

Группа пород

Категория

Р_ш, МПа

Р_т, МПа

Мягкие

<100

100-250

250-500

<40

40-110

110-250

Средней твердости

500-1000

1000-1500

250-550

550-850

Твердые

1500-2000

2000-3000

850-1200

1200-1900

Крепкие

3000-4000

4000-5000

1900-2500
2500-3500

Очень крепкие

5000-6000

6000-7000

>7000

3500-4200

4200-5100

>5100

Классификация горных пород по пластичности представлена в таблице 8.

Таблица 8 – Классификация горных пород по пластичности

Категория

К_пл

1-2

2-3

3-4

4-6

6-∞

Первая категория включает хрупкие горные породы, вторая, третья, четвертая, пятая хрупко-пластичные, а в шестой – высоко-пластичные и сильнопористые.

Лабораторная работа № 5

Тема: Определение микротвердости минералов и горных пород.

Цель работы: Научиться измерять твердость небольших образцов хрупких горных пород, для исследования которых невозможно использовать метод статического вдавливания штампа.

Твердость определяется путем измерения площади отпечатка, полученного при вдавливании алмазной пирамиды в образец при небольших нагрузках.

Измерения производятся с помощью прибора ПМТ-3 (рисунок 8). Алмазная пирамида имеет квадратное основание и угол при вершине между гранями 136⁰ (пирамида Виккерса). Нагрузки от 2 до 200 г.

Описание прибора

1 – станина; 2 – стойка; 3 – кронштейн; 4 – гайка; 5 – предметный столик; 6 – рукоятка; 7 – координатный винт; 8 – нагружающий механизм; 9 – пирамида; 10 – груз; 11 – ручка арретира; 12 – регулировочная гайка; 13 – закрепляющий винт; 14 – тубус; 15 – объектив; 16 – макроподача; 17 – микроподача; 18 – окуляр-микрометр; 19 – отсчетный барабанчик; 20 – осветительное устройство; 21 центровочный винт; 22 – диафрагма;

23 – подставка

Рисунок 8 – Микротвердометр ПМТ-3

Алмазная пирамида закреплена на тубусе микроскопа. Кронштейн тубуса перемещается на стойке гайкой. Кроме того, тубус микроскопа может быть перемещен по направляющим кронштейна с помощью винтов грубой и тонкой подачи.

Прибор оснащен двумя сменными объективами. Объектив с фокусным расстоянием 6,2 мм обеспечивает увеличение до 487 раз, а объектив с фокусным расстоянием 23,2 мм до 130 раз. Предметный столик поворачивается вокруг центральной оси на 180⁰. Рабочая поверхность столика перемещается с двух взаимно-перпендикулярных направлениях.

Окулярный винтовой микрометр МОВ 1-15 имеет неподвижную шкалу и подвижную сетку в виде перекрестия нитей и двух штрихов, перемещаемые точным винтом окуляра с измерительным барабаном, разделенным на сто делений. Прибор оснащен специальным осветителем, закрепленном на тубусе микроскопа. Осветитель имеет светофильтры для снижения интенсивности освещения и увеличения контрастности наблюдаемого отпечатка.

Подготовка прибора и проведения опыта

Прибор включается в электросеть. Образец породы устанавливается на предметном столике под микроскопом и закрепляется. Тумблером трансформатора включается лампа осветителя 20 и с помощью винтов макро- и микропередачи фокусируют микроскоп на поверхность образца породы. Поворотом предметного столика 5 образец перемещают под механизм нагружения. Фиксируется это положение установочным винтом. На утолченную часть штока механизма нагружения пирамиды устанавливается груз. Рекомендуются следующие величины нагрузок металл – 200 г, минерал и горная порода – 20 г. Медленным поворотом рукоятки механизма против часовой стрелки опускают алмазную пирамиду на поверхность образца. Продолжительность выдержки под нагрузкой 5-30 секунд.

После нанесения отпечатка плавным поворотом рукоятки по часовой стрелке убирают пирамиду в исходное положение. Столик поворачивают таким образом, чтобы образец оказался под микроскопом, и производят замеры длины диагонали отпечатка.

Измерение длины отпечатка диагонали

Микровинтами столика подводят отпечаток к перекрытию так, чтобы оно при передвижении вдоль неподвижной шкалы перемещалось по диагонали отпечатка. Вращением измерительного барабана 19 перекрестие подводится к одному из углов отпечатка и берется отсчет по неподвижной шкале и барабану 19. После этого крест нитей с помощью барабана микрометра передвигается вдоль диагонали отпечатка до совмещения с его противоположными сторонами и снова берется отсчет.

Величина диагонали отпечатка определяется разницей отсчетов, умноженной на цену деления измерительного барабана. Отсчет берется с точностью до 2-х знаков. Полный оборот барабана соответствует одному делению неподвижной шкалы. Цена деления измерительного барабана при использовании объектива с фокусным расстоянием 6,2 мм равно 0,3 микрона.

Пример. Риски подвижной сетки расположены между делениями 2 и 3 неподвижной шкалы. На измерительном барабане отсчет равен 82 деления. Значит первый отсчет равняется 282 делениям. После перемещения перекрытия нити риски расположены между 4 и 5 делениями неподвижной шкалы, а на барабане фиксирует 92 деления. Второй отсчет равен 492 делениям, величина диагонали отпечатка (492-282)∙0,3 = 63 микрон.

Обработка результатов.

Для ускорения вычислений рекомендуется твердость Н, кг/мм² определять по формуле

, (17)

где Р – нагрузка, г

d - диагональ отпечатка, мк.

При испытании необходимо на каждом образце получить не менее

3-х отпечатков, а искомое значение твердости образца определяется как среднее арифметическое трех значений. Данные опытов записываются в таблицу 9.

Таблица 9 - Данные опыта

№№ опытов

Название образца

Нагрузка, г

Измерение

диагонали отпечатка

Величина диагонали, мк

Твердость, кг/мм²

отсчет 1

отсчет 2

разница отсчетов

Список использованных источников

1 Спивак А.И. Абразивность горных пород /А.И. Спивак, А.Н. Попов - М.: Недра, 1994.- 240 с.

2 Ильницкая Е.И. Свойства горных пород и методы их определения. - М.: Недра, 1973.

3 Гиматудинов Ш.К. Физика нефтяного и газового пласта / Ш.К. Гиматудинов, А.И. Ширковский. Учеб. для вузов - М.: Недра, 1982.- 311 с.

4 Лапинская Т.А. Основы петрографии / Т.А. Лапинская, Б.К. Прошляков - М.: Недра, 1981.- 232 с.

5 Ржевский В.В. Основы физики горных пород / В.В. Ржевский, Г.Я. Новик - М.: Недра, 1978.- 390 с.

6 Сулакшин С.С. Технология бурения геологоразведочных скважин.- М.: Недра, 1973.- 320 с.

7 Голубинцев О.Н. Механические и абразивные свойства горных пород и их буримость.- М.: Недра, 1968.- 198 с.

Методические указания по дисциплине «РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН» специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» для студентов очной, заочной и заочно-сокращенной форм обучения (часть 1 - Механические свойства горных пород). - Тюмень: ТюмГНГУ, 2007.- 24 с.

Составители: канд. техн. наук, доцент Абатуров В.Г.

ассистент Семененко А.Ф.