Напряженное состояние горных пород

Лекция 3. Механические свойства горных пород. Механика их разрушения.

Горные породы - это природные агрегаты минералов, слагающие земную кору и сформировавшиеся в результате геологических процессов.
Горные породы подразделяются на:
- магматические, образовавшиеся в результате извержения, охлаждения и затвердевания магмы;
- метаморфические, которые образуются в результате изменения внутреннего строения, химического состава и физических свойств пород под влиянием высоких температур и давления;
- осадочные, образовавшиеся в результате разрушения земной коры, которые бывают кристаллическими и обломочными.

Нефтяные и газовые месторождения приурочены к осадочным горным породам: глины, глинистые сланцы, аргиллиты, мергели, глинистые пески, песчаники, алевролиты, известняки, мел, доломиты, ангидриты, гипсы, соли и др.

Сложность задачи бурения скважины состоит в необходимости разрушения горных пород на забое при обеспечении устойчивости стенки ее открытого ствола.

Механические свойства горных пород -способность горных пород реагировать на внешнее воздействие.

Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения:

Ø упругость;

Ø пластичность;

Ø прочность (твердость);

Ø абразивность;

Ø сплошность.

Упругость - способность горных пород изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и полностью восстанавливать первоначальное состояние после устранения воздействий.

Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости (модуль Юнга) и коэффициентом Пуассона. Модуль упругости горных пород зависит от их минералогического состава, вида нагружения и величины приложенной нагрузки, от структуры, текстуры и глубины залегания пород, от состава и строения цементирующего вещества, от степени влажности, песчаности и карбонатности пород.

Пластичность - способность горных пород изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и сохранять остаточные деформации после устранения воздействий.

Разрушению некоторых пород предшествует пластическая деформация. Она начинается, как только напряжения в породе превысят предел упругости. Пластичность зависит от минералогического состава горных пород и уменьшается с увеличением содержания кварца, полевого шпата и некоторых других минералов. Высокими пластическими свойствами обладают глины и некоторые породы, содержащие соли.

Прочность – способность горной породы сопротивляться механическому разрушению.

Основным показателем прочностных свойств горной породы является Твердость – способность породы сопротивляться внедрению в нее постороннего тела.

Твердость по штампу – местная прочность на вдавливание в образец породы стального штампа, имеющего плоскую опорную поверхность.

По характеру деформации под штампом все осадочные породы поделены на 12 категорий:

Мягкие (категории 1 – 3) М

Средние (категории 4 – 5) С

Твердые (категории 6 – 7) Т

Крепкие (категории 8 – 9) К

Очень крепкие (категории 10 – 12) ОК

Абразивность – способность горной породы изнашивать контактирующий с ней породоразрушающий инструмент в процессе их взаимодействия.

Оценивается по интенсивности износа эталонного образца при взаимодействии с породой.

Среди горных пород наибольшей абразивностью обладают кварцевые и полевошпатовые песчаники и алевролиты (сцементированные обломочные породы с обломочными зернами размером от 0,01 до 0,1 мм).

По показателю абразивности все горные породы поделены на 8 категорий (от малоабразивных до высокоабразивных)

Сплошность характеризует структурное состояние горных пород, которое зависит от внутриструктурных нарушений (трещин, пор, поверхностей рыхлого контакта зерен и т. д.).

Сплошность определяется пористостью горной породы и характеризует возможность передачи внутрь породы давления внешней жидкостной или газовой среды.

Разделяют четыре категории сплошности:

1- породы, внутрь которых может проникнуть исходный глинистый раствор;

2- породы, внутрь которых проникает не только жидкость, но и твердые (глинистые) частицы;

3- породы, внутрь которых передается давление только маловязкой жидкости (типа воды);

4- породы, внутрь которых внешнее гидравлическое давление не передается.

Анизотропность горных пород – неравнозначность их механических свойств в разных направлениях. Анизотропность связана со структурой и с текстурой горных пород.

Осадочные горные породы состоят из твердого скелета – зерен, кристаллов, обломков различных минералов и вещества, связывающего (цементирующего) эти частицы, а также пор (пустот), заполненных пластовым флюидом – жидкостью или газом.

Коэффициент пористости m = Vп / V

Vп - общий объем пустот в горной породе;

V - объем горной породы.

Дата добавления: 2014-01-07