P-2

ISTRAŽNO BUŠENJE ZA NAFTU I GAS

P-22

Fizičko-mehaničke, tehničke i strukturne osobine stena

P-23

Svi u praksi primenjivani postupci bušenja stena zasnivaju se na mehaničkom razaranju stenskog masiva na dnu bušotine. Razumljivo je stoga da je za uspešan izbor tehnologije bušenja presudno poznavanje fizičko-mehaničkih osobina stena koje se buše. Nabušeni materijal se transportuje, iznosi iz bušotine suspenzijama gline u vodi - isplakom ili vodom, odnosno vazduhom; pri čemu neke stene u dodiru sa vodom menjaju svojstva itd. Dakle potrebno je poznavati čitav niz fizičkih osobina pre nego što se pristupi bušenju. Sve čvrste stene su manje ili više ispucale. Kroz pukotine u steni je moguća migracija isplake iz bušotine te je i poznavanje rupturnog sklopa veoma važno.

Gustina i zapreminska masa

Masa jedinične zapremine stene sa prirodnim šupljinama u njoj je zapreminska masa. Masa jedinične zapremine stene bez poroznosti je gustina. Obe vrednosti se određuju standardizovanim laboratorijskim metodama i izražavaju istom jedinicom (kg/m3). Na gustinu utiče najviše mineralni sastav stene, a na zapreminsku masu i poroznost. Veća razlika između gustine i zapreminske mase karakteristika je jako poroznih materijala. Vrednosti gustine nekih stena i minerala date su u tabeli br. 1.

P-24

Tabela 1. Vrednosti gustine pojedinih vrsta stena i minerala

P-25

Čvrstoća stena

Čvrstoća je svojstvo stenskog masiva da pruža otpor dejstvu spoljnih sila. Ako se stenski masiv optereti, i ako se opterećenje postepeno uvećava u jednom trenutku će dostići graničnu vrednost do koje stena pruža otpor bez uvećanih vidljivih deformacija. Svakim daljim porastom opterećenja dolazi do loma stene. Vrednost napona u trenutku loma naziva se čvrstoćom, na smicanje, zatezanje, pritisak, u zavisnosti od načina opterećenja pri kome nastupa lom. Čvrstoća stenskog masiva ne može da se definiše jednom veličinom i njeno definisanje je obično empirijsko. Veza između komponenti napona u trenutku loma, uspostavlja se uz pomoć parametara čvrstoće koji ne predstavljaju materijalne karakteristike stenskog masiva. Čvrstoća stena određuje se standardizovanim laboratorijskim metodama. Najčešće se u tehničkim proračunima koristi jednoaksijalna čvrstoća na pritisak koja se može odrediti i terenskim metodama ili se čak može proceniti primenom odgovarajuće metodike. U tabeli 2 dat je pregled najvažnijih fizičko-mehaničkih osobina stena. U tabeli su korišćene sledeće oznake: σc - jednoaksijalna čvrstoća na pritisak, σt- čvrstoća na zatezanje, Ε - modul elastičnosti, ν - Poasonov koeficijent, ρ -gustina.

P-26

Tabela 2. Osnovne fizičko-mehaničke osobine stena na lokaciji rudnog tela »Borska Reka« - Rudnici bakra i nemetala Bor

OPISρ

(kg/m3)σc

(MPa)σt

(MPa)Ε

(MPa)ν(-)

Silifikovani andezit 2810 79,95 7,99 39410 0,21

Kaolinisani andezit 2770 43,00 6,10 28098 0,22

Svež andezit 2750 78,00 6,30 33858 0,23

Konglomerat 2790 103,00 10,90 37900 0,22

Borski peliti - 82,00 7,20 19600 -

P-27

Ako se može doći do uzoraka, a nema nikakve opreme za ispitivanje, jednoaksijalna čvrstoća na pritisak (σc) se može odrediti tzv. deskriptivnim postupkom. U tabeli 3 date su približne ekvivalentne vrednosti za σc. Interpolacija između postojećih kategorija vrši se na osnovu sopstvene procene.

Kada nije na raspolaganju ni jedna od napred navedenih metoda, a znamo vrstu stene, procenu njene jednoaksijalne čvrstoće na pritisak možemo obaviti korišćenjem tabele 4. Vrednosti u ovoj tabeli su tipične vrednosti za svežu, nealterisanu neraspadnutu suvu stenu. Ako su uslovi u masivu takvi da se može smatrati da je stena zasićena vodom, treba uzeti 75% vrednosti iz tabele. Za neke procente vlage treba, izvršiti interpolaciju između 0,75 i 1,0. Raspadanje stena ima daleko veći uticaj na čvrstoću, što se mora imati u vidu, uzimajući u obzir dubinu eksploatacije, uticaje intruzija, rasede itd.

P-28

OPISNA ČVRSTOĆA STENE σc (MPa)

Lako se gnječi između prstiju, pokazuje jasan otisak pete. 0,05

Teško se gnječi prstima, slab otisak pete. 0,07

Vrlo teško se gnječi prstima, teško se seče ručnimašovčićem

0,15

Ne može se gnječiti prstima; Ne može se seći ručnim ašovčićem; Može se odbijati ručno.

0,5

Vrlo zbijena žilava stena; Teško se odlama ručno, pijukom; Zahteva pneumatski alat za kopanje.

0,7

Drobi se pod jakim udarima oštre strane geološkog čekića i može se ljuštiti nožem; Suviše je tvrda da bi se ručno isekao uzorak.

3,0

Može se grebati i ljuštiti nožem; Dubina otiska do 3 mm pri jakim udarima geološkim čekićem.

7,0

Ne može se grebati ni ljuštiti nožem; Jednim jakim udarom geološkim čekićem po uzorku držanom u ruci izaziva se njegov lom.

20

Uzorak držan u ruci lomi se posle više udaraca geološkim čekićem. 70

Da bi se polomio monolitan komad uzorka potrebno je više udaraca geološkim čekićem.

200

Tabela 3. Određivanje čvrstoće stene na osnovu njenog opisa

P-29

STENA σc, MPa STENA σc, MPa

Amfibol 210 Argilit, glinena stena 30

Andezit 240 Sijenit 250

Mermer 140 Porfir 250

Bazalt 230 Piroksenit 150

Kreda 4 Kvarcit 240

Rožnac, silik. škriljac 300 Kamena so 40

Ugalj 40 So 35

Dijabaz 240 Porozni peščar 80

Hematit 270 Kvarcni peščar 200

Gabro 280 Kristalasti škriljac∗ 150

Gnajs 220 Glin. škriljac, glinac∗ 120

Dolomit 100 Alevrolit, očvrsli prah 140

Granit 220 Glinac∗ 210

Gips 20 Tuf 200

Krečnjak 180 * Izrazita anizotropija čvrstoće

Tabela 4. Tipične vrednosti jednoaksijalne čvrstoće na pritisak za neizmenjenu, svežu i suvu stenu

P-210

Tvrdoća

Tvrdoća se definiše kao otpor prodiranju nekog tvrđeg tela, npr. alata za bušenje u stenu. Tvrdoća se kreće u veoma širokim granicama za razne materijale. Nema jedinstvenog propisanog postupka za kvantitativno određivanje tvrdoće. Najveću primenu kod određivanja tvrdoće stena su našla dva postupka. Prvi je postupak Shore-a, a tvrdoća se izražava u Šorovim jedinicama (HS). Ovo je takozvana skleroskopska metoda. Metoda se sastoji u merenju visine odskoka lakog odbojnika instrumenta sa uglačane površine uzorka stene. Tvrdoća po [oru kreće se u granicama od 5 do 105 HS. Druga je takozvana sklerometarska tvrdoća (Schmidt) koja se određuje sličnom procedurom, s tim što se ispitivanje vrši na prirodnoj površini krupnog stenskog uzorka ili stenske mase u prirodnom okruženju. Ova tvrdoća se kreće od 10 do 80 u zavisnosti od stene ili rude koja se ispituje. Stena je mineralni agregat i njena tvrdoća je definisana tvrdoćom minerala koji je izgrađuju. Minerali se po tvrdoći najčešće klasifikuju korišćenjem Mosove skale relativne tvrdoće. Skala ima 10 stepeni i svaki stepen je predstavljen jednim etalon mineralom. Minerali sa većim stepenom tvrdoće paraju one sa manjim stepenom tvrdoće. Apsolutna tvrdoća minerala se razlikuje od njihove relativne tvrdoće po Mosovoj skali.

P-211

U tabeli br. 5 dat je uporedni pregled tvrdoće etalon minerala po Mosovoj i Rozivalovoj skali. Rozivalova metoda određivanja tvrdoće prema otpornosti bušenju pokazala je da intervali između određenih stepena tvrdoće nisu jednaki. Tako, npr. dijamant je oko 140 puta tvrđi od korunda, korund je 5,5 puta tvrđi od topaza, a topaz je samo 31% tvrđi od kvarca.

Tabela 5. Tvrdoće minerala po Mosu i Rozivalu

MINERAL KARAKTERISTIČNO SVOJSTVO

STEPEN TVRDOĆE

Mohs Rosiwal

TalkGips

Paraju se noktom 12

0,031,25

KalcitFluoritApatit

Paraju se nožem345

4,55

6,5FeldspatKvarc

Paraju staklo 67

37120

TopazKorundDijamant

Seku staklo89

10

1751000

140000

P-212

Žilavost

Žilavost je otpor koji materijal pruža udaru. Stene mogu imati veliku čvrstoću na pritisak ali mogu imati veoma malu žilavost pa se onda karakterišu kao krte stene. Žilavost stena se određuje laboratorijski razbijanjem kocke veličine 1 cm3

po Rosiwalu. Žilavost se kvantitativno izražava kao rad potreban da se razbije navedena kocka, uzorak stenskog masiva. U tabeli br. 6 date su vrednosti žilavosti nekih stena.

Tabela 6. Žilavost nekih stena

NAZIV STENE ŽILAVOST, Nm/cm3

Granit 22,4Dijabaz 41,8Bazalt porozan 52,8Bazalt jedar 71,1Peščar tercijar 13,3Peščar kredni 40,3Mermer krupnozrni 17,0Mermer sitnozrni 27,2

P-213

Abrazivnost

Abrazivnost se definiše kao osobina stene da haba deo pribora za bušenje koji je sa stenom u kontaktu. Abrazivnost u prvom redu zavisi od tvrdoće minerala koji izgrađuju stenu, veličine i oblika mineralnih zrna i od veziva. Najabrazivnije su stene izgrađene od tvrdih minerala (kvarca, korunda, granata) cementovane mekim vezivom. Veoma su abrazivne i čestice tvrdih stena nošene isplakom. Tom prilikom se intenzivno haba telo bušaće krune, jezgrene cevi, bušaće šipke itd. Postoji više postupaka za utvrđivanje abrazivnosti stena koje se buše. Najjednostavniji je postupak koji se sastoji u određivanju razlike u težini bušaće krune u određenom intervalu bušenja. Abrazivnost se u ovom slučaju izražava u gramima po dužnom metru bušenja (gr/m).

P-214

NAZIV STENE ABRAZIVNOST, gr/mKrečnjak 1Dolomit 2Gabro 30Sijenit 38Kvarcni peščar 62Granodiorit 143Granit sitnozrni 263

Tabela 7. Prosečne abrazivnosti nekih stena

Prosečne vrednosti za abrazivnost nekih stena određene ovom metodom date su u tabeli br. 7. Poznavanje abrazivnosti stene čije se bušenje planira, veoma je značajno za pravilan izbor krune.

P-215

Poroznost

Prostori u steni neispunjeni stenskim materijalom nazivaju se porama. Prisustvo pora u steni naziva se poroznošću. Poroznost se kvantitativno izražava koeficijentom poroznosti.

gde je:k - koeficijent poroznostin - poroznost

n1nk−

=

.j.d1ns

z⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ρρ

−=gde je:

ρz - zapreminska masa steneρs - gustina stene

Apsolutna poroznost podrazumeva ukupnu zapreminu svih međuprostora-praznina u stenskoj masi (pora, šupljina, pukotina, prslina, kaverni, kanala, stilolita i dr.) bez obzira na njihovu genezu, oblik, veličinu i međusobnu povezanost. Efektivna (otvorena) poroznost obuhvata zapreminu povezanih međuprostora tj. pornih provodnika u steni ispunjenih slobodnim, pokretnim fluidima. U zatvorenom-pasivnom pornom prostoru fluidi se ne kreću.

P-216

Sa stanovišta tehnologije bušenja stene se prema poroznosti dele u tri grupe:

Superporozne, gde spadaju: šljunkovi, drobine, šupljikavi krečnjaci itd. Pri bušenju kroz ove stene isplaka se uglavnom gubi.

Porozne, gde spadaju: peskovi, peščari, konglomerati, trošni krečnjaci itd. Kod ovih stena ima pojava filtracije isplake.Neporozne, gde spadaju: gline, lapori, kompaktni krečnjaci i sve eruptivne i

metamorfne stene.

Vodopropusnost

Vodopropusnost predstavlja svojstvo stena da kroz svoje pore propuštaju slobodnu vodu. Vodopropusnost zavisi od veličine pora, njihove strukture i povezanosti. Tako stene koje imaju veoma veliku poroznost mogu biti potpuno nepropusne za vodu, kao na primer gline. Na osnovu vodopropusnosti sve stene se mogu podeliti u tri grupe:

P-217

- Vodopropusne, šljunkovi, peskovi i veoma ispucale karstifikovane stene.- Polupropusne, zaglinjeni peskovi, les, laporci, itd.- Vodonepropusne, masivne i kompaktne metamorfne, magmatske i sedimentne stene bez pukotina.

Vodopropusnost se određuje koeficijentom vodopropusnosti, odnosno koeficijentom filtracije Kf (m/dan, m/s, cm/s). Veličina koeficijenta vodopropusnosti zavisi od razmere i strukture pora ali i od fizičko-hemijskih svojstava tečnosti.

Sklop stene

Kod čvrstih stena koje se buše isključivo dijamantskim krunama veoma je važno poznavati sklop stene. Naročito je važno poznavati krupnoću mineralnih zrna. Ova osobina je veoma važna za pravilan izbor dijamantske krune i prema austrijskim standardima sve stene su prema krupnoći zrna podeljene na sedam kategorija (tabela br. 8).

P-218

Tabela 8. Kategorizacija stene po krupnoći zrna

KATEGORIJA STENE

MAGMATSKE STENEveličina zrna, mm

SEDIMENTNE STENEveličina zrna, mm

Grubozrne preko 15 preko 4

Veoma krupnozrne 10-15 2-4

Krupnozrne 5-10 1,25-2

Srednjezrne 3-5 0,75-1,25

Sitnozrne 2-3 0,25-0,75

Fina zrna do 2 do 0,25

Jedre Zrno se ne vidi golim okom u sklopu stene

P-219

Vodootpornost

Određene vrste stena su vodootporne, ne reaguju sa vodom, međutim dobar broj stena je podložan uticaju vode. Uticaj odnosno dejstvo vode na stenu može biti dvojako hemijsko i fizičko. Prema hemijskom dejstvu stene se dele na:postojane, slabo rastvorljive (karbonatne stene) i jako rastvorljive (sulfatne, nitratne, hloridne itd.). Određene stene izložene dejstvu vode menjaju fizičko-mehaničke karakteristike. Neke stene omekšavaju, bubre, postaju lepljive itd. Očigledno da je poznavanje ovog svojstva stene bitno kod određivanja tehnologije istražnog bušenja.

P-220

Bušivost

Bušivost stene je tehnička osobina stene i izražava se brzinom prolaza krune kroz stenu. Bušivost u sebi objedinjuje većinu fizičko-mehaničkih osobina stene, ali i konstrukcione osobine pribora i režim bušenja. Bušivost se određuje opitno, a u toku procesa bušenja između ostalog služi kao pokazatelj uspešnosti bušenja. Po pravilu, sitnozrne stene i stene sa čvršćim vezivom imaju manju bušivost. U literaturi se sreće više klasifikacija stena po bušivosti. Bušivost stena je parametar koji se veoma mnogo koristi kod planiranja i projektovanja istražnih radova i koji je veoma korisno poznavati pre početka rada. Za procenu bušivosti koriste se iskustveni podaci. U tabeli 9 stene su po bušivosti razvrstane u 12 kategorija.

P-221

Kategorijastene pobušivosti

STENEBrzina

bušenja, m/h

Koeficijentčvrstoće po

M.M.Protođakonovu

Itreset, les, slaba kreda, pesak i šljunak bez gline

23-30 0,3-1

IItreset, slabo vezani pesak, pesak, glina, laporci, kreda

11-15 1-2

III

slabo vezani peščari, laporci, krečnjaci, sprudni krečnjaci, kompaktna glina, glinovito-peskoviti sedimenti sa sadržajem sitnog šljunka 5,7-10,0 2-4

IVglinci, glinovito-peskoviti, ugljonosni, sericitisani škriljci, slab peščar, čvrst lapor, serpentin 3,5-5,0 4-6

Všljunak, hloritsko-sericitsko-liskunski škriljci, filiti, argilošisti, krečnjaci, mermeri, laporoviti dolomiti, duniti 2,5-3,5 6-7

VIglinoviti škriljci, arkozni peščari, konglomerati, sedimentne stene sa karbonatnim cementom, apatiti 1,5-2,5 7-8

VIIamfibolitski škriljci, silifiko-vani krečnjaci, krupnozrni dioriti i gabrovi, konglomerati sa frag-mentima magmatskih stena do 50%

1,9-3,0 8-10

VIIIkvarcni peščari, silifikovani škriljci, granitski skarnovi

1,3-2,5 11-14

IXsijeniti, krupnozrni graniti, jako silifikovani krečnjaci, kon-glomerati magmatskih stena, ba-zalti 0,75-1,5 14-16

Xgraniti, granodioriti, silifiko-vani skarnovi, kvarcne žice, blo-kovi magmatskih stena 0,5-0,75 16-18

XIkvarciti, kalcedonske stene, gvožđeviti rožnaci

0,3-0,5 18-20

XIImasivni kvarciti, rožnaci i korundske stene 0,15-0,25

20 i više

Tabela 9. Klasifikacija stena po bušivosti

P-222

Ispucalost stena

Ispucalost stenskog masiva predstavlja njegovo posedovanje skupine preloma do kojih dolazi kada se stenski masiv izloži naponima koji prelaze granicu njegove čvrstoće. Ukupnost pukotina jednog područja čini pukotinski sklop ili rupturni sklop ako obuhvata sve vidove ruptura.

Pukotina je potpuno definisana kada su utvrđene sledeće njene karakteristike: način postanka, položaj u prostoru, orijentacija, oblik, dimenzije i vrsta ispune i čvrstoća zidova pukotine. Genetske karakteristike pukotine su naročito interesantne sa stanovišta ekstrapolacije rezultata na područja koja nisu zahvaćena istraživanjima. Pod dimenzijama pukotine podrazumevaju se njena dužina i širina.

Ispucalost stena otežava proces bušenja, povećava gubitak isplake, smanjuje procenat dobijenog jezgra, smanjuje stabilnost zida bušotine, povećava abrazivnost stene i izaziva zaglave bušaćeg pribora. Ispucalost je bitno svojstvo stenskog masiva koji se istražuje dubinskim bušenjem, koje bitno utiče na izbor metode i tehnologije otkopavanja, ali i samog procesaistraživanja. Za potrebe bušenja ispucalost se određuje preko broja komada jezgra u dužnom metru. Po osnovu ispucalosti stene se dele na: kompaktne, slabo ispucale, ispucale, jako ispucale i razdrobljene.

P-223

Klasifikovanje stena prema tehnologiji bušenja

Prema metodi bušenja koja se može primeniti, opremi koja se pri tome koristi i režimu bušenja, sve stene se mogu podeliti u tri kategorije:

- nevezane i meke- srednje tvrde- tvrde i ekstremno tvrde

Nevezane i meke stene su najteže za izvođenje istražnog bušenja. Zbog izražene heterogenosti ovih stena često se mora menjati režim u toku bušenja. Procenat dobijenog jezgra uglavnom je mali. Otežano je održavanje zidova bušotine. Bušenje se izvodi nazubljenim krunama. U ovu grupu spadaju: pesak, šljunak, drobina, gline, les, laporac, gips, ugljevi, boksit, magnezit, kaolin, kamena so, serpentin itd.

P-224

Srednje tvrde stene su povoljnije za bušenje. Procenat dobijenog jezgra je veći. Homogenost ovih stena je veća. Zidovi bušotine se dobro stabilizuju odgovarajućom isplakom, a ponekad se održavaju stabilni i bez isplake. Bušenje se izvodi krunama sa umecima od tvrdog metala i dijamantskim. U ovu grupu spadaju: konglomerati sa čvrstim vezivom, krečnjaci sa sadržajem skarna, jako vezani peščari, silifikovani krečnjaci, kvarcni peščari, tufovi, bazalti itd.

Tvrde i ekstremno tvrde stene daju veliki otpor bušenju i imaju veliki stepen abrazivnosti. Procenat dobijenog jezgra je veliki. Za bušenje se koriste isključivo dijamantske krune. Zid bušotine je stabilan. U ovu grupu spadaju sledeće stene: kvarciti, sitnozrni graniti, jaspis, rožnaci, pegmatiti itd.

P-225

KRAJ