Физико-механические свойства горных пород

АСТРАХАНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Институт  нефти и газа  (Нефтегазовое дело)

Кафедраa: Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений.

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

По дисциплине

«Разрушение пород »

На тему: «Физико-механические свойства горных пород»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                  Выполнил: студент группы ДННБ-21б

                                                                                                                           Хазраткулов Абдулазиз.                                

                                                                                                                         Проверила: доц. Егорова. Е

 

Астрахань 2014

 

Содержание  

 

 1.ПЛОТНОСТЬ.

2.ПРОЧНОСТЬ .

3. УПРУГОСТЬ.

4. ПЛАСТИЧНОСТЬ. 

5. ТВЕРДОСТЬ. 

6. АБРАЗИВНОСТЬ.

7. ПРОНИЦАИМОСТЬ.

8. КРЕПОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Упругость, прочность на сжатие и  разрыв, пластичность - наиболее важные механические свойства горных пород, влияющие на ряд процессов, происходящих в пласте в период разработки и эксплуатации месторождений. Так, например, от упругих свойств  горных пород и упругости пластовых  жидкостей зависит перераспределение  давления в пласте во время эксплуатации месторождения. Запас упругой энергии, освобождающейся при снижении давления, может быть значительным источником энергии, под действием которой  происходит движение нефти по пласту к забоям скважин. Действительно, если пластовое давление снижается, то жидкость (вода и нефть) расширяется, а поровые  каналы сужаются. Упругость пород  и жидкостей очень мала, но вследствие огромных размеров пластовых водонапорных систем в процессе эксплуатации значительное количество жидкости (упругий запас) дополнительно вытесняется из пласта в скважины за счет расширения объема жидкости и уменьшения объема пор  при снижении пластового давления.Не менее существенный эффект упругости  жидкости и пласта заключается в  том, что давление в пласте перераспределяется не мгновенно, а постепенно после  всякого изменения режима работы скважины, после ввода новой или  остановки старой скважины. Таким  образом, при большой емкости  пласта и высоком пластовом давлении с самого начала эксплуатации пласт  будет находиться в условиях, для  которых характерны длительные неустановившиеся процессы перераспределения пластового давления. Скорости этих процессов  в значительной мере определяются упругими свойствами пород и жидкостей. Оказывается, что по скорости перераспределения  давления при известных упругих  свойствах пород и жидкости можно  судить о проницаемости и других параметрах. В процессе эксплуатации месторождения  весьма важно знать также и  прочность пород на сжатие и разрыв. Эти данные наряду с модулем упругости  необходимы при изучении процессов  искусственного воздействия на породы призабойной зоны скважин (торпедирование, гидроразрыв пластов), широко применяемых  в нефтепромысловом деле для увеличения притока нефти. При рассмотрении физических свойств  горных пород следует учитывать, что в зависимости от условий  залегания механические свойства породы могут резко изменяться.

 

 

Плотность

 

К ним относятся  плотность, объемная масса, пористость, трещиноватость. Плотностью называется масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) горной породы. Плотность зависит, главным образом  от плотности минералов, слагающих породу. Плотность основных породообразующих минералов в земной коре колеблется в диапазоне от 1900 до 3500 кг/м³. Плотность осадочных горных пород находится в пределах от 1850 до 3200 кг/м³ Чаще всего в геологических разрезах встречаются породы с плотностью от 1850 до 2700 кг/м³. Важным структурным фактором является объемная масса горной породы. Это масса единицы объема породы в ее естественном состоянии, то есть с минеральным скелетом, порами и трещинами. Объемная масса имеет то же значение, что и плотность монолитных (без пор и трещин) пород.

Для пористых пород объемная масса  всегда меньше их плотности. Объемная масса пород, имеющих в порах  и трещинах капельную жидкость, больше объемной массы сухих пород. Разница  возрастает по мере роста пористости и минерализации пластовой воды. При увеличении глубины скважины за счет роста горного давления происходит уплотнение пород, смятие пор и пустот, поэтому объемная масса возрастает. Горные породы осадочного комплекса имеют объемную массу, равную 1800-2500 кг/м³, а насыщенные водой осадочные породы имеют объемную массу 2000-2700 кг/м³. С ростом глубины скважины увеличивается температура горных пород. Повышение температуры вызывает увеличение объема минерального скелета и пластового флюида, поэтому объемная масса несколько снижается.

В работе [5] было предложено плотностью называть осредненные значения объемной массы породы для значительных интервалов и даже полностью для геологического разреза. В таблице 2.1 приведены плотности  основных осадочных пород.

 

Таблица 2.1 – Плотность осадочных пород  [5]

 

Горная порода	Плотность, кг/м3	Горная порода	Плотность, кг/м3
Песчаники	2320-3200	Алевролиты	2340-3040
Глины	1850-2200	Известняки	2360-2980
Аргиллиты	2630-2860	Доломиты	2460-3190
Мергели	2370-2920	Каменная  соль	2100-2200

 

Наиболее  важным структурным признаком  породы является пористость, определяемая наличием в ней пор, трещин (пустот).

Общая (абсолютная, физическая, полная) пористость характеризуется  отношением объема пор к объему всей породы. Коэффициент общей пористости к_п есть отношение объема всех пор V_пор к полному объему образца породы V_обр, в долях или процентах

 

                                          К_п =                                               (2.2)

 

Известна  также открытая пористость, которая  учитывает сообщающиеся между собой  поры. Она всегда меньше или равна  общей пористости.

Динамическая (эффективная) пористость учитывает  только часть объема открытых пор  с движущимся пластовым флюидом. Пористость магматических и метаморфических  пород весьма мала (0,8-1,2 %) [1]. Осадочные породы имеют большую пористость (таблица 2.2).

 

Таблица 2.2 – Общая пористость основных пород  нефтяных и 

                                   газовых  месторождений

 

Горные породы	Кп, %	Горные породы	Кп, %
Глины	0-62	Песчаники	0-53
Аргиллиты	0-25	Известняки	0-45
Глинистые сланцы	0,5-4	Доломиты	2,5-33
Пески	2-55	Алевролит	0-47

 

Как следует  из таблицы, наибольшую общую пористость имеют глины, пески, песчаники, но у  глины поры в основном закрытые, то есть не сообщающиеся друг с другом. Обломочные породы весьма пористы. С ростом глубины пористость обломочных пород уменьшается. Пористость зависит от формы и размеров зерен, степени их окатанности, уплотнения, цементирования обломков и зерен. Пористость пород-коллекторов нефтяных и газовых месторождений чаще всего находится в следующих пределах (%):

Пески                                            20-25

Песчаники                                    10-30

Карбонатные породы                  10-20.

По происхождению  поры, трещины могут быть первичными и вторичными. К первым относятся  поры и трещины, образующиеся во время  осадконакопления и формирования массива  горных пород. Вторичные поры и трещины  образовались в течение постдиагенетического изменения. В этом отношении наиболее характерными являются карбонатные  породы, например, при доломитизации  известняков образуется значительное количество пустот.

По размеру  поровые каналы пород-коллекторов  условно делят на три группы [4]:

- сверхкапиллярные  – более 0,5 мм;

- капиллярные  -           0,5-0,0002 мм;

- субкапиллярные  – менее 0,0002 мм.

Структура порового пространства зависит от следующих  факторов:

- степени  трещиноватости;

- гранулометрического  состава пород;

- характеристики  цементации.

Измерения коэффициента полной пористости горных пород к_п основывается на следующем соотношении

                                                 (2.3)

где V_зерн – объем минерального скелета образца.

С учетом того, что масса образца складывается из слагающих его зерен, уравнение (2.3) может быть представлено так

                                                                                                     (2.4)

где и суть плотности образца породы и плотности минерального

                         скелета.

Определение плотности [1, 3, 6].

Плотности горных пород  определяется с помощью весов на основании того, что она равна массе пород, отнесенной к ее объему. Масса породы определяется или путем вытеснения воды в мерном сосуде или посредством гидростатического взвешивания. Последний из перечисленных методов включает подвешенную на гидростатических весах на тонкой проволоке образец пород, взвешенный на воздухе и при погружении его в воду. Объем вытесненной воды V_вв численно равен объему образца горной породы. Масса породы фиксируется при взвешивании образца на воздухе. Таким образом плотность горной породы равна

 

                                                  .                                                      (2.5)

 

Прочность

 

Прочность определяется способностью пород сопротивляться разрушению под действием нагрузок. Критические значения напряжений, при  которых происходит разрушение породы, называют пределом прочности. Различают  пределы прочности пород на одноосное  сжатие , растяжение , изгиба , сдвига (среза) . При проходке глубоких скважин разрушение горных пород на забое происходит в условиях всестороннего сжатия, поэтому рассматривается также понятие «предел прочности при всестороннем сжатии [1, 5, 6, 8, 9]. В горнодобывающей промышленности применяется термин «крепость» как синоним понятия «прочность». Широко известен коэффициент крепости Протодьяконова М.М., определяемый отношением значения предела прочности породы при одноосном сжатии к 100. Наиболее простым видом определения прочности является одноосное сжатию, так как она проводится при простом напряженном состоянии, то есть < 0; - = 0. Этот метод является стандартным. Определение прочности проводят на гидропрессах. При подготовке образцов пород к опыту следует помнить что размер образца цилиндрической или прямоугольной формы должен быть близким к 40-50 мм с примерно одинаковыми размерами длины и диаметра для цилиндра  и поперечными и продольными размерами для образцов прямоугольной формы.

Схема проведения опыта приведена на рисунке 2.1.

 

 

 

 

 

 

1 – образец  породы; 2 – плиты пресса; 3 – стол гидропресса

Рисунок 2.1 – Установка для определения  предела прочности на

                         одноосное сжатие

Образец породы 1 размещается на столе 3 гидропресса, нагружается давильной плитой 2 до разрушения. В опыте фиксируется максимальная нагрузка Р_max, соответствующая моменту разрушения образца породы. Предел прочности на одноосное сжатие рассчитывается как отношение разрушающей нагрузки Р_max к площади поперечного сечения образца F

 

                                                    .                                         (2.7)  

В опытах с хрупкими породами возможно определение  таких упругих свойств как  модуль продольной упругости при  одноосном сжатии (модуль Юнга) и  коэффициент Пуассона  . При измерении изменений в продольном и поперечном направлении образца это решается так [5, 9]: предположим то, что в процессе опыта длина образца l уменьшилась на величину Δl, а поперечный размер d увеличился на Δd.

В этом случае коэффициент Пуассона равен

                                               (2.8)

 

а модуль Юнга Е_сж рассчитывается по формуле

                                                                          (2.9)

В таблице 2.3 приведена классификация горных пород по прочности на одноосное  сжатие, разработанная в УГНТУ  [5].

Таблица 2.3 – Классификация горных пород  по прочности на

                                   одноосное сжатие

 

Группы	Категории	, МПа	Группы	Категории	, МПа
Весьма слабые	1 2 3	< 4 4-6 6-10	Средней прочности	7 8 9	35-52 52-80 80-120
Слабые	4 5 6	10-15 15-23 23-35	Прочные   Очень прочные	10 11 12	120-180 180-270 < 270