ФІЗИКО-МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГІРСЬКИХ ПОРІД

 

5.1. Загальні відомості про гірські породи.

 

За походженням гірські породи розділяються на три групи:

1. Магматичні.

2. Осадові.

3. Метаморфічні.

Магматичні гірські породи(базальти, граніти та ін.) утворилися в результаті охолодження та затвердівання розплавленої магми.

Осадові породи (глини, вапняки, пісковики, кам'яна сіль і т.п.) виникли в результаті відкладення на дні стародавніх озер і морів частинок зруйнованих вивержених порід, солей та органічних речовин.

Метаморфічні гірські породи (мармур, гнейс, кристалічні сланці та ін.) утворилися в результаті дії на вапняки, сульфатні солі, глини та інші породи високих температур і тисків при занурюванні їх в надра землі.

Переважна більшість родовищ нафти і газу пов'язана з осадовими породами, які складають близько 5% маси земної кори. Основними мінералами, що входять до складу осадових гірських порід є монтморилоніт, каолініт, галуазит, кварц, кальцит, доломіт, ангідрит, гіпс, та деякі мінерали групи алюмосилікатів.

Осадові породи, залежно від кількості мінеральних компонентів, що входять їх до складу, діляться на: прості (мономінеральні) і складні (полімінеральні). До мономінеральних осадових порід належать галіт, кам'яна сіль, гіпси, ангідрити, вапняки, доломіти, викопний лід. До полімінеральних– пісковики, глини, сланці, конгломерати.

Родовища нафти і газу утворюються в породах, які представлені в основному глинами, пісками, пісковиками, доломітами, ангідритами, солями, гіпсами. Знання будови, складу та властивостей осадових порід дозволяє вибрати найефективніші способи та засоби для їх руйнування, забезпечити максимально можливе видобування із земних надр нафти та газу.

Під структурою породи розуміють особливості її будови, які обумовлені формою, розміром і характером поверхні породоутворюючих мінералів, а також характером зв'язку між ними. За своєю структурою всі осадові породи поділяються на кристалічні та уламкові.

До кристалічних належать органогенні та хемогенні породи. Найпоширеніші породи карбонатні (вапняки, доломіти, мергелі), сульфатні (гіпси, ангідрити), галогенні (кам'яна сіль) та кременисті (діатоміти, опоки, кремні).

Уламкові породи поділяють на:

а) грубоуламкові з розміром уламків більше 2 мм (гравій, галька, брекчія);

б) піскові з розміром уламків від 0,1 до 2 мм(незцементовані породи і пісковики);

в) дрібноземи з розміром від 0,01 до 0,1 мм(алевроліти, суглинки, супіски, лес);

г) глинисті з розміром частинок менше 0,01 мм(глини, аргіліти, глинисті сланці)складають біля 55% маси осадових порід.

За природою сил зчеплення між частинками осадові породи поділяють на три основні групи:

а) скельові (пісковик, вапняк, мергель) в яких сили зчеплення характеризуються молекулярним притяганням частинок одна до одної, а також наявністю сил тертя;

б) зв'язані або пластичні (глинисті породи) в яких сили зчеплення характеризуються взаємодією колоїдних частинок, які адсорбуються на поверхні уламків, а також наявністю сил тертя;

в) сипучі (піски), які не мають зчеплення в сухому стані та при повному насиченні водою, при обмеженому насиченні водою у цих порід існують сили зчеплення, обумовлені тертям.

Породам властиві сили внутрішнього тертя, які залежать від сил притиску частинок між собою.

У кристалічних породах кристали зв'язані між собою силами молекулярної взаємодії у місцях контакту. В уламкових породах зв'язок між уламками здійснюється з допомогою сторонніх цементуючих речовин (кременистий, карбонатний, залізний, глинистий цемент).

Під текстурою розуміють особливості будови породи, обумовлені взаємним просторовим розміщенням кристалів або уламків: шаруватість, сланцюватість, пористість, тріщинуватість. Шаруватість виявляється у зміні петрографічного складу порід у вертикальному напрямку. Сланцювата текстура виникає під дією високих тисків і температур та в результаті перекристалізації мінеральних речовин.

З текстурою порід зв'язана їх анізотропність – відмінність властивостей в різних напрямках.

Коефіцієнтом анізотропії називають відношення показника властивостей (наприклад міцності) у напрямку, паралельному площині шаруватості (сланцюватості), до показника цієї ж властивості у перпендикулярному до неї напрямку.

Між твердими мінеральними зернами осадової породи є різні за походженням, формою та розміром пори.

Загальною пористістю називають сумарний об'єм пор, які містяться в1 м³ породи, виражений у відсотках.

Ефективною пористістю називається сумарний об'єм пор сполучених між собою і якими може перетікати пластовий флюїд під дією існуючих в природі градієнтів тисків в 1 м³породи.

У породах є деяка кількість замкнутих, а також капілярних і субкапілярних пор, якими рух при існуючих градієнтах тисків практично не можливий.

Пористість породи залежить від її петрографічного складу, глибини залягання в земній корі, ступеня зруйнованості під дією тектонічних сил, лугів, перекристалізації та інших факторів.

Тріщинуватість порід пов'язана з тектонічними рухами земної кори, а також з процесами перекристалізації. Тріщини можуть бути вертикальними, горизонтальними і похилими.

 

5.2. Фізико-механічні властивості гірських порід

 

Густиною гірської породи називається маса одиниці об'єму її твердої фази при нульовій пористості. Вона залежить від густини породоутворюючих мінералів і цементуючих речовин та співвідношення між вмістом мінералів і цементу. Густина осадових порід змінюється від 2100 до 2900 кг/м³.

Об'ємною масою називається маса одиниці об'єму породи в її природному стані (з порами, тріщинами і їх вмістом). Взаємозв'язок між об'ємною масою (ρ_об.) та густиною (ρ_г.) породи описується виразом

 

, (5.1)

 

де П – пористість породи, %;

ρ_ф. – густина флюїду в порах, кг/м³.

Об'ємна маса більшості гірських порід знаходиться в межах від 1500 –3500 кг/м³, а осадових порід – 1800 – 2500 кг/м³. Від величини об'ємної маси порід залежить величина гірського тиску, під яким знаходяться породи в надрах землі внаслідок ваги вищележачих порід.

Міцність характеризує таке напруження, при якому гірська порода починає руйнуватися. На міцність впливають природні і технічні фактори. До природних факторів належать:

а) Мінералогічний склад. Найміцнішим породоутворюючим мінералом є кварц, міцність якого при одноосьовому стискуванні перевищує 500 МПа. Тому міцність породи зростає із збільшенням вмісту кварцу.

б) Розмір та форма зерен кристалів, що утворюють породу. Порода, яка складається із зерен найміцніших мінералів найменшого розміру і найбільш кутастої форми, має найбільшу міцність.

в) Структура і текстура, тип цементу, кількісне відношення між цементом та уламковим матеріалом.

г) Глибина залягання і ступінь метаморфізації.

д) Пластова температура. З підвищенням температури міцність, наприклад, глинистих порід збільшується внаслідок спікання або метаморфізації.

До технічних факторів належать:

а) Вид деформації. Гірські породи чинять найбільший опір руйнуванню при стиску.

б) Масштабний фактор. Міцність зерен мінералів закономірно зменшується із збільшенням лінійних розмірів.

в) Тривалість дії навантаження. Руйнування гірської породи може наступити і при напруженнях менших, ніж гранична міцність, якщо ці напруження діють тривалий час.

Проникність це здатність породи пропускати через себе під дією градієнту тиску рідини, гази або газорідинні суміші. Майже всі осадові породи містять певну кількість сполучених між собою пор, і здатні пропускати через себе рідини та гази. Породи, у яких є лише закриті і субкапілярні пори, чинять надто великий опір руху рідин (газів), і тому їх вважають практично непроникними.

Пружність. Більшість породоутворюючих мінералів є тілами пружно-крихкими, які підпорядковуються закону Гука і руйнуються, коли напруження досягає границі пружності.

За характером залежності деформації від напружень при статичному навантаженні гірські породи можна умовно розділити на три групи (рис. 5.1):

1. пружнокрихкі, які підпорядковуються закону Гука (крива 1).

2. пружнопластичні, руйнуванню яких передує пластична деформація (крива 2).

3. високопластичні і дуже пористі породи, пружна деформація яких незначна або практично дорівнює нулю (крива 3).

Пружні властивості гірських порід характеризуються модулем пружності (Е) та коефіцієнтом Пуассона (μ).

 

Рис. 5.1. Залежності між навантаженням на різні гірські породи і деформацією при одноосьовому стисненні

Модулем пружності називається коефіцієнт пропорційності між нормальним напруженням в породі і відповідною йому відносною деформацією

 

,…………………………..…(5.2)

 

де σ – механічне напруження, визначається, як сила (F), що припадає на одиницю площі поперечного перерізу тіла (S), МПа;

– величина відносної деформації (відносне видовження); ( ця формула дійсна лише при малих пружних деформаціях).

Величина модуля пружності залежить від мінералогічного складу, пористості породи, виду деформації та величини прикладеного навантаження. Із збільшенням пористості модуль пружності гірських порід зменшується.

За модулем Юнга всі гірські породи розділені на вісім категорій (табл.5.1).

Таблиця 5.1

Класифікація гірських порід за модулем пружності (модуль Юнга)

 

Категорія
Модуль Юнга, МПа	<2500	2500-5000	5000-10000	10000-25000	25000-50000	50000-75000	75000-100000

 

Коефіцієнт Пуассона – це коефіцієнт пропорціональності між відносними поперечними і поздовжніми деформаціями.

 

,……………..…….………………..(5.3)

 

де ε' – деформація в поперечному напрямку (негативна при осьовому розтягу, позитивна при осьовому стиску);

ε – поздовжня деформація (позитивна при осьовому розтягу, негативна при осьовому стиску).

Коефіцієнт Пуассона для більшості осадових порід і мінералів знаходиться в межах 0,1 –0,4.

Коефіцієнт Пуассона і модуль пружності при стиску завжди більші, ніж при розтягу.

Пластичність. Руйнуванню багатьох осадових гірських порід передує пластична деформація. Вона починається коли напруження в породі перевищують границю пружності і розвивається одночасно із зміцненням породи (крива 2, рис. 5.1). Пластичність залежить від мінерального складу гірських порід і зменшується із збільшенням вмісту кварцу, польового шпату та інших крихких мінералів.

За величиною коефіцієнту пластичності всі гірські породи розділені на шість категорій (табл. 5.2).

Таблиця 5.2

Класифікація гірських порід за пластичністю

 

Категорія
Коефіцієнт пластичності		1-2	2-3	3-4	4-6
Клас порід	пружно-крихкі	пружно-пластичні	високопластичні і значнопористі

 

Повзучість гірських порід – повільна безперервна пластична деформація під впливом постійного навантаження або механічного напруження. Повзучість в тому чи іншому ступені властива всім твердим тілам, як кристалічним, так і аморфним. Значною повзучістю відзначаються глини, глинисті сланці, деякі різновиди вапняків та хемогенних порід.

Твердість характеризує локальну міцність породи при втискуванні в неї іншого твердішого тіла.

Усі породи залежно від твердості за штампом, розділені на три групи: м'які, середні і тверді. Кожна група, в свою чергу, розділена на чотири категорії(всього дванадцять категорій) (табл. 5.3).

До першої групи належать породи високопластичні і дуже пористі. Із порід, що трапляються при бурінні нафтових і газових свердловин до цієї групи відносяться глинисті породи, аргіліти, найбільш пористі різновиди алевролітів, пісковиків і вапняків.

До другої групи за твердістю належать в основному породи класу пружно-пластичних, зокрема: алевроліти, вапняки, ангідрити, доломіти та пісковики.

До третьої групи за твердістю належать породи з класу пружно-крихких. Це в основному вивержені і метаморфічні породи: кремній, кварцити, окремі різновиди вапняків і доломітів.

Таблиця 5.3

Класифікація гірських порід за твердістю

 

Група	І	II	III
Категорія
Твердість за штам-пом, МПа	<100	100-250	250-500	500-1000	1000-1500	1500-2000	2000-3000	3000-4000	4000-5000	5000-6000	6000-7000	>7000
Клас порід	Високо пластичні і значнопористі	пружно-пластичні	пружно-крихкі

 

Абразивність гірських порід це їх здатність зношувати в процесі тертя метали та тверді сплави. Абразивна здатність порід проявляється при взаємодії з ними породоруйнуючого інструменту та інших елементів бурового обладнання. Чим більша абразивність породи, тим вищий темп зносу інструменту. Наявність даних про абразивні властивості гірських порід дозволяє правильніше вибрати модель породоруйнуючого інструменту і цим підвищити ефективність процесу буріння.

Абразивність гірської породи залежить від мікротвердості утворюючих її мінеральних зерен, їх розміру, форми та характеру поверхні.

За ступенем збільшення абразивності гірські породи можна розташувати в ряд: гіпс < барит < доломіти < вапняки < кременисті породи (халцедон, кремінь) < залізомагнезіальні і польово-шпатові породи < кварц і кварцити.