Технология и техника бурения в 2 частях Часть Горные породы

Твердость горных пород
Наиболее распространенное определение твердости — это свой-
ство тела оказывать противодействие проникновению в него другого 
тела. 
Твердость есть прочность на вдавливание с соответствующим 
данному виду деформации характером напряженного состояния. 
Понятие «твердость» до сих пор не получило достаточной опре-
деленности. Некоторые исследователи определяют твердость как 
работу, которая требуется для образования единицы новой поверх-
ности твердого тела при постоянстве остальных факторов, другие 
рекомендуют принимать за меру твердости поверхностную энергию.
Между показателями прочности и твердости существует кор-
реляция. В геологии твердость минералов чаще всего определяют 
царапанием и классифицируют по шкале Мооса (табл. 2.10).
Таблица 2.10
Шкала Мооса
Минерал
Твердость
Минерал
Твердость
Тальк
1
Ортоклаз
6
Гипс
2
Кварц
7
Кальцит
3
Топаз
8
Флюорит (плавиковый шпат) 
4
Корунд
9
Апатит
5
Алмаз
10
2.4.

---

2. Физико-механические и технологические свойства горных пород 
95
В шкале Мооса номера возрастают в арифметической прогрес-
сии, а значения относительной твердости данных минералов, опре-
деляемые методом вдавливания, — в геометрической.
Установлено, что если, например, твердость талька принять 
равной единице, то изменения твердости других минералов можно 
выразить зависимостью
 
Н = А
n – 1
,
(2.24)
где Н — твердость; А — средний показатель геометрической про-
грессии; n — номер шкалы Мооса.
Для практических целей нужно знать не условную или относи-
тельную, а абсолютную твердость горной породы.
В 50-е гг. ХХ в. Л.А. Шрейнер пришел к заключению, что из 
всех методов измерения твердости наиболее целесообразным яв-
ляется метод вдавливания, позволяющий непосредственно опреде-
лять значение абсолютной твердости пород.
Суть метода Шрейнера сводится к следующему. Если при опре-
делении твердости (сопротивления вдавливанию) металлов обыч-
но задается нагрузка и измеряется соответствующая ей площадь 
образовавшегося пластического отпечатка под вдавливаемым на-
конечником, то по методу Шрейнера поступают наоборот. Задается 
постоянная площадь контакта и измеряется нагрузка, в результате 
действия которой под вдавливаемым наконечником происходит 
хрупкое разрушение горной породы, что указывает на достижение 
ее предела прочности.
Наиболее удобной геометрической формой вдавливаемого на-
конечника является цилиндрический штамп с плоским основани-
ем. В этом случае площадь контакта в процессе вдавливания не уве-
личивается, что имеет место при вдавливании конуса, пирамиды, 
двухгранной призмы — клина или сферы.
Метод вдавливания Шнейнера позволяет не только определять 
твердость горных пород, но и оценивать их упругие и пластические 
свойства. Кроме того, этот метод позволяет определять механиче-
ские свойства на небольших образцах горных пород, как правило, 
на кернах, извлекаемых в процессе бурения скважин с различных 
глубин залегания пород. Это, в свою очередь, позволяет определять 
механические характеристики практически всех горных пород по 
геологическому разрезу, вскрываемому скважиной.

---

96 I. 
Основные 
физико-механические свойства горных пород
Для определения механических свойств горных пород по мето-
ду Шрейнера необходимы образцы пород (в виде керна или куби-
ков) высотой 30–50 мм и диаметром 40–60 мм с двумя плоскопа-
раллельными поверхностями, которые получают шлифованием с 
использованием абразивного порошка.
В подготовленные образцы пород вдавливают штампы 
(рис. 2.4). Штампы изготавливаются из различных сталей с по-
следующей закалкой или из твердого сплава. Штампы из твердо-
го сплава (рис. 2.4, б) используют при определении механических 
свойств очень твердых пород.
d
d/
2
а
б
h
= 16
8
Твердый
сплав
d
60
°
Рис. 2.4. Цилиндрические штампы
При испытании плотных и однородных пористых пород можно 
использовать штампы площадью до 2 мм
2
, а для пород незначитель-
ной твердости с величиной зерна больше 0,25 мм лучше использо-
вать штампы площадью 3 мм
2
. Для сильно пористых и малопрочных 
пород применяют штампы с площадью основания 5 мм
2 
и более.
Испытания выполняют с использованием специально создан-
ной установки, позволяющей автоматически осуществлять запись 
графиков деформации; одна из модификаций такой установки — 
УМГП-3 (рис. 2.5).
УМГП-3 настольного типа, имеет электрический привод и со-
стоит из трех основных узлов: нагрузочного приспособления, элек-
трического индикатора для измерения деформаций и столика для 
установки образца породы. 
Электродвигатель 3 при помощи ходового винта 4 перемещает 
в вертикальном направлении ролик 5, через который переброшена 
тонкая стальная лента 6, связанная одним концом с рычагом 7, а 
другим с маятником 1.

---

2. Физико-механические и технологические свойства горных пород 
97
13
9
10
11
12
14
16
1
2
3
4
5
6
7
8
15
Рис. 2.5. Принципиальная схема УМГП-3 
Малое плечо рычага при помощи ножа и призмы передает уси-
лие от маятника динамометра штоку 9, который вдавливает штамп 
10 в образец 11, установленный на столике 12.
Усилие, действующее на штамп, через рычаг 7 и ленту 6 пере-
дается на маятник 1, который уравновешивает это усилие, откло-
няясь на некоторый угол. С маятником связано перо, которое при 
отклонении маятника записывает нагрузку вдоль оси барабана 2.
При внедрении штампа 10 в образец отклоняется рычаг 8 элек-
трического индикатора и замыкает контакт, который включает 
специальную реверсивную муфту 14. Муфта приводит в движение 
винт и устанавливает контактную вилку рычага 8 в нейтральное 
положение. Ось муфты 14 связана передачей с барабаном 2, поэто-
му барабан поворачивается пропорционально внедрению штампа 
10 в образец.
Наблюдение за изменениями деформаций осуществляется с 
помощью индикатора часового типа 15, а за изменениями нагруз-
ки — по шкале 16. Подъем столика 12, а также ручное нагружение 
образца производятся маховиком 13.
Установка УМГП-3 рассчитана на нагрузки 0–100, 0–250, 0–500 
и 0–1000 кГ с предельной величиной деформации 750 мкм. С ее по-

---

98 I. 
Основные 
физико-механические свойства горных пород
мощью в процессе работы на одной ленте можно получить несколь-
ко графиков деформаций, снятых в различных местах образца. Это 
позволяет судить о степени однородности породы и наблюдать в 
процессе испытаний за разбросом значений, что определяет необ-
ходимое количество замеров на одном образце.
Штамп в образец вдавливается до тех пор, пока при некоторой 
предельной нагрузке не произойдет общее разрушение породы под 
штампом. Поскольку процесс нагружения идет непрерывно, то гра-
фики деформации, получаемые на данной установке, имеют вид 
плавных кривых.
На основании многочисленных исследований Шрейнер предло-
жил классификацию горных пород по пластичности (см. табл. 2.9)и 
твердости (табл. 2.11), которая выгодно отличается от других (шка-
ла Мооса) тем, что наиболее полно учитывает основные физико-
механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения.
Таблица 2.11