Proprietăţile fizice şi mecanice ale rocilor traversate de foraj.

Proprietăţile fizice şi mecanice ale rocilor

Eficienţa dislocării rocilor în talpa sondei, precum şi stabilitatea pereţilor sondei sunt influenţate de proprietăţile fizice şi mecanice ale rocilor traversate.

2.1.1. Proprietăţile fizice ale rocilor

a. Porozitatea – se referă la volumul spaţiilor dintr-o rocă, neocupat de substanţa solidă şi se exprimă prin raportul dintre volumul golurilor şi volumul total al rocii. Prezenţa porilor reduce duritatea rocii şi rezistenţa ei la pătrunderea unui corp solid. Într-o primă etapă, până la o anumită valoare a forţei de apăsare, roca se deformează, fără a obţine dislocare.

b. Permeabilitatea – capacitatea unui corp poros de a permite deplasarea prin golurile sale comunicante a unui fluid, la crearea unei diferenţe de presiune. În talpa sondei are loc pătrunderea de fluid de foraj pe o anumită adâncime, ceea ce duce la echilibrarea diferenţei de presiune dintre zona de deasupra şi cea de sub talpă, realizându-se condiţii favorabile dislocării rocii cu instrumentele de lucru.

c. Neomogenitatea – este specifică rocilor, ele fiind neomogene din punct de vedere al compoziţiei mineralogice, porozităţii, permeabilităţii, gradului de fisurare, tasare, etc. Această proprietate condiţionează comportamentul rocilor la solicitările mecanice din timpul dislocării.

d. Abrazivitatea – este capacitatea rocilor de a uza prin frecare instrumentele de dislocare. Capacitatea abrazivă a rocilor se manifestă asupra instrumentelor de dislocare, dar şi asupra altor componente ale echipamentului de foraj.

Abrazivitatea rocilor este o proprietate relativă. Un oţel poate fi uzat abraziv de o rocă, dar aceeaşi rocă poate să aibă o capacitate abrazivă nesemnificativă asupra unui aliaj dur, de tipul unor carburi metalice.

Uzura abrazivă a instrumentelor de dislocare depinde de abrazivitatea rocii, dar mai depinde şi de rugozitatea suprafeţelor de contact, presiunea de contact, temperatura, viteza relativă de deplasare, natura şi compoziţia noroiului de foraj, etc.

Abrazivitatea rocilor depinde de microduritatea mineralelor componente, de forma şi dimensiunile lor, de forma şi proprietăţile suprafeţelor de contact, etc. În general rocile polimenerale, chiar foarte compacte cum sunt cele magmatice, sunt mai abrazive decât cele monominerale.

Rocile sedimentare cele mai abrazive sunt gresiile cuarţoase. La compoziţii mineralogice similare rocile detritice rezultate din claste cimentate ulterior, sunt mai abrazive decât rocile cristalizate.

2.1.2. Proprietăţile mecanice ale rocilor

1. Elasticitatea

Unele roci precum şi minerale componente ale rocilor se comportă asemeni unor corpuri elastice. La aplicarea unor presiuni exterioare în interiorul lor se produc deformaţii liniare. Rocile poliminerale nu sunt corpuri elastice.

1. Plasticitatea

În procesul dislocării unele roci se deformează plastic, deformare care începe atunci când starea de tensiune depăşeşte limita elasticităţii. Plasticitatea rocilor depinde de compoziţia mineralogică. Creşterea conţinutului de cuarţ, feldspaţi, sau alte minerale cu duritate mare, reduce plasticitatea rocilor. Cea mai mare plasticitate o au argilele hidratate.

Plasticitatea rocilor influenţează mult procesul dislocării. În cazul acestor roci (plastice) efortul pentru separarea de fragmente în talpa sondei este mai mare. Deci contează foarte mult viteza şi tipul de sapă cu care se acţionează.

1. Rezistenţa (tăria) rocilor

Rezistenţa unei roci este capacitatea sa de a se opune la deformare, în momentul în care este solicitată de către o forţă.

Este o proprietate care influenţează în mare măsură procesul de dislocare prin foraj, respectiv viteza de avansare a sapei, uzura sapelor, tendinţa de deviere, etc. Rezistenţa rocilor este dependentă de tipul solicitării, care poate fi: compresiune, întindere, sau forfecare. Rezistenţa mecanică a rocilor este influenţată de factori naturali şi de factori tehnici. Dintre factorii naturali putem aminti:

• Compoziţia mineralogică a rocilor – natura mineralelor şi cantitatea;

– tipul şi cantitatea cimentului;

• Gradul de fisurare, stratificaţia, clivajul (ex. în roci cu şistuozitate, rezistenţa la compresiune uniaxială este de două ori mai mare, în planul perpendicular pe cel de şistuozitate);
• Structura şi textura rocilor- rocile cu structură cristalină fină au o rezistenţă mai mare;
• Gradul de porozitate;
• Adâncimea rocilor – cu cât sunt situate mai adânc în scoarţa terestră, au o rezistenţă mai mare (vezi presiunea);
• Gradul de alterare.

Factorii tehnici care pot influenţa rezistenţa rocilor:

• Tipul solicitării (compresiune, întindere, forfecare);
• Durata de acţionare a sarcinii- rezistenţa scade cu creşterea duratei de acţionare;
• Viteza de aplicare a forţei de dislocare- experimental s-a constatat că tăria rocilor creşte cu viteza de aplicare a solicitărilor.

1. Duritatea sau rezistenţa la pătrundere

Prin rezistenţa la pătrundere se înţelege valoare presiunii din centrul suprafeţei de acţiune a sapei, la care se atinge starea limită şi roca cedează. Această proprietate este dependentă de chimismul şi structura cristalină a mineralelor componente.

Deosebim o duritate a mineralelor (duritate absolută) şi o duritate a rocilor (duritate agregativă). Duritatea mineralelor influenţează durata de uzură a elementelor de dislocare (capul carotierei cu role, vidia sau diamante), iar duritatea agregativă influenţează viteza de avansare a sculei de dislocare. Pentru rocile monominerale duritatea se stabileşte cu ajutorul scarii Mohs.

Duritatea rocilor poliminerale se determină cu ajutorul mai multor metode. Una dintre acestea este metoda lui Schreiner. Metoda permite determinarea durităţii, precum şi a elasticităţii şi plasticităţii rocilor şi se bazează pe pătrunderea prin apăsare, a unui poanson într-o rocă cu suprafaţa plană, bine şlefuită. Elementul activ al poansonului este un cilindru cu suprafaţa frontală plană. Sarcina pe poanson creşte treptat (se încarcă), cu posibilitatea ca la fiecare sarcină, deformaţia să se producă până la capăt. Dependenţa dintre deformaţie şi sarcina pe poanson este ilustrată cu ajutorul unor curbe caracteristice, diferitelor tipuri de roci. După această metodă rocile se împart în trei grupe (slabe, medii şi tari), fiecare grupă cu patru categorii.

Pentru majoritatea rocilor, valoarea rezistenţei la pătrundere este mai mare decât rezistenţa la compresiune.

2.1.3. Forabilitatea rocilor

În practica săpării sondelor, dificultatea dislocării rocilor se apreciază printr-un indicator global, numit forabilitate. Forabilitatea depinde de proprităţile fizico-chimice ale rocilor, de duritatea, structura şi textura rocilor, etc. Depinde în egală măsură de instrumentul de dislocare şi metoda de foraj aplicată.

Forabilitatea este o proprietate caracteristică a rocilor, în lucrările de planificare şi normare, de ea depinzând cheltuielile şi durata forajului.

2.1.4. Clasificarea rocilor după rezistenţa lor la forare şi perforare

Rocile se clasifică după proprietăţile lor fizico-mecanice, dar nu există o proprietate care să caracterizeze complet comportamentul unei roci. Complexitatea interacţiunilor din talpa sondei în procesul de dislocare al rocii, face imposibilă găsirea unui criteriu unic de clasificare al rocilor. Interacţiunile complexe sunt generate de comportamentul variabil al rocilor la solicitare, de tipurile de instrumente care acţionează diferit.

Clasificarea rocilor din punctul de vedere al forabilităţii, serveşte la planificarea lucrărilor de foraj, la elaborarea devizelor şi a normativelor de consum de materiale, precum şi la stabilirea normelor de lucru pentru echipa de foraj.

Această clasificare împarte rocile în şase grupe (foarte moale, moale, semitare, tare, foarte tare, extra tare), cu 12 categorii. (fig.)

2.3. Mecanismul dislocării rocilor

Dislocarea rocilor are loc prin pătrunderea sub apăsare, a elementelor active ale instrumentelor de lucru, acestea având forme şi dimensiuni diferite.

Printre procesele simple de dislocare se numără:

• Despicarea – este un proces de dislocare realizat de un corp cu o anumită formă, la simpla pătrundere în rocă sub acţiunea unei forţe. Se întâlneşte la unele sape cu role şi apare la forarea rocilor elastice şi plastice foarte tari.
• Aşchierea – deformare apărută la pătrunderea unui corp în rocă, de o parte şi alta a suprafeţelor de contact corp-rocă. Se întâlneşte la argilele moi. În acest caz, pentru a obţine dislocarea rocii, este necesar ca odată cu pătrunderea, corpul să execute o mişcare de deplasare paralelă cu suprafaţa rocii, sub acţiunea unei forţe.
• Erodarea – proces superficial de dislocare, care apare atunci când instrumentul de lucru are o suprafaţă mare de contact cu roca şi execută deplasarea paralelă cu suprafaţa ei, fiind sub apăsarea unei sarcini. Acest tip de dislocare apare la forajul cu sape cu lame, la sapele cu diamante, în roci tari şi extratari.

2.4. Condiţiile din sondă în procesul de dislocare

Factorii din sondă care influenţează proprietăţile fizico-mecanice ale rocilor din talpă, deci şi eficienţa dislocării sunt: temperatura, presiunea şi fluidul din sondă.

Temperatura

În scoarţa terestră temperatura creşte cu adâncimea (gradientul geotermic 2-3 grade/100m). Gradientul geotermic este variabil de la o zonă la alta, funcţie de o serie de factori din crusta terestră.

La creşterea temperaturii domeniul deformărilor plastice se măreşte, iar limita de curgere şi rezistenţa se micşorează. Fluidul de foraj prezent în talpa sondei reduce temperatura. Rezistenţa rocilor argiloase, calcarelor şi dolomitelor scade cu creşterea temperaturii.

Presiunea

La o anumită adâncime în roci se manifestă presiunea litostatică (p_g – geostatică), presiunea laterală (p_l – confinare) şi presiunea de strat (p_s – presiunea fluidului din porii rocii). În procesul de forare, asupra rocii din talpă acţionează un sistem de presiuni care duc la compresiune triaxială. În planul vertical acţionează presiunea fluidului de foraj (p_n), iar în plan orizontal presiunea laterală.

Un foraj se execută în condiţii de siguranţă, dacă presiunea fluidului de foraj este mai mare decât presiunea fluidului din porii rocii. Compresiunea triaxială este uniformă dacă p_n=p_l şi neuniformă dacă p_n diferit p_l.

Fluidul din sondă

Rezistenţa rocilor este influenţată în condiţiile compresiunii triaxiale (uniforme sau neuniforme) de fluidul pătruns în porii rocilor. Acesta provine de cele mai multe ori din fluidul de foraj. Rocile sunt corpuri hidrofile şi se umectează uşor. Apa din fluidul de foraj influenţează stabilitatea rocilor. Pot apărea deformaţii plastice, diverse reacţii chimice, funcţie de substanţele existente în fluidul pătruns în rocă, influenţând rezistenţa rocii, în sensul creşterii sau scăderii ei.

2.5. Instrumente de dislocare a rocilor

Instrumentele de dislocare a rocilor se impart în trei grupe:

1. Sape de foraj – pentru dislocarea pe întreaga suprafaţă a tălpii sondei;
2. Carotiere – folosite pentru extragerea de probe (carote). Dislocarea în acest caz se face pe o suprafaţă inelară;
3. Instrumente de dislocare cu destinaţie specială – pentru operaţii deosebite în gaura de sondă.