Физико-механические свойства горных пород

 

 

3. Устойчивость

Устойчивость горных пород - способность породы длительное время сохранять первоначальное положение при вскрытии ее в массиве (при бурении скважин, проходке шахт и других горных выработок); зависит от условий залегания, характера связи между частицами породы, трещиноватости и степени выветривания.

При бурении в слабоустойчивых  породах обрушаются стенки скважины, снижается выход керна, повышается износ буровых коронок и снижается  скорость бурения за счет потери времени  на борьбу с осложнениями.

Устойчивость пород в стенках  скважин – это способность  пород не обрушаться при обнажении  их буровыми скважинами. От устойчивости, т.е. способности горных пород не разрушаться при вскрытии, зависят  прежде всего состояние ствола скважины и выход керна. По устойчивости породы разделяют на четыре группы.

1. Устойчивые породы высокой или средней твердости, имеющие прочную связь между слагающими их зернами. Породы этой группы монолитны или слаботрещиноваты, не размываются промывочной жидкостью. При их бурении не требуется крепление стенок скважины. Столбик керна, используемый для опробования, хорошо сохраняется.
2. Слабоустойчивые породы невысокой твердости с недостаточно прочной связью между зернами, а также трещиноватые, раздробленные и сбрекчированные породы. При бурении таих пород необходимы меры против потери промывочной жидкости, вывалов породы из стенок скважины, истирания и размывания керна.
3. Породы с изменяющейся устойчивостью – плотные, невысокой прочности породы, легко растворяющиеся или размываемые промывочной жидкостью (глинистые породы, каменная соль). Бурение таких пород сопровождается образованием каверн в стенках скважины и сложностью сохранения керна.
4. Неустойчивые породы, не имеющие связи между зернами (песок, гравий, галечник). Бурение таких пород, особенно обводненных, наиболее сложно.

 

4. Пористость горных пород

 

Под пористостью горной породы понимается наличие в ней пор (пустот). Пористость характеризует способность горной породы вмещать жидкости и газы.

В зависимости от происхождения  различают следующие виды пор:

• Поры между зёрнами обломочного материала (межкристаллические). Это первичные поры, образовавшиеся одновременно с формированием породы.
• Поры растворения – образовались в результате циркуляции подземных вод.
• Пустоты и трещины, образованные за счёт процессов растворения минеральной составляющей породы активными флюидами и образование карста.
• Поры и трещины, возникшие под влиянием химических процессов, например, превращение известняка (СаСО₃) в доломит (МgСО₃) – при доломитизации идёт сокращение объёмов породы на 12%.
• Пустоты и трещины, образованные за счёт выветривания, эрозионных процессов, закарстовывания.

Виды пор (2)-(5) – это так называемые вторичные поры, возникшие при геологохимических процессах.

Объём пор зависит от:

• формы зёрен;
• сортировки зёрен (чем лучше отсортирован материал, тем выше пористость);
• размера зёрен;
• укладки зёрен – при кубической укладке пористость составляет » 47,6%, при ромбической укладке – 25,96% (см. рис. 3);

однородности и окатанности  зёрен в виде цемента (рис. 4.)

 

Рис. 3. Различная укладка сферических зёрен одного размера, составляющих пористый материал: а – менее плотная кубическая укладка, б – более компактная ромбическая укладка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Разновидности цемента горных пород

Не все виды пор заполняются  флюидами, газами, нефтью. Часть пор  бывает изолирована, в основном, это  внутренние поры.

Виды пористости

Общая (полная, абсолютная) пористость – суммарный объём всех пор (V_пор), открытых и закрытых.

Пористость открытая эквивалентна объёму сообщающихся (V_сообщ) между собой пор.

На практике для характеристики пористости используется коэффициент  пористости (m), выраженный в долях или в процентах.

Коэффициент общей (полной, абсолютной) пористости (m_п) в процентах зависит от объема всех пор:

 

 

Коэффициент открытой пористости (m_о) зависит от объёма сообщающихся между собой пор:

 

Коэффициент эффективной пористости (m_эф.) оценивает фильтрацию в породе жидкости или газа, и зависит от объёма пор (V_{пор фильтр}), через которые идёт фильтрация.

Для зернистых пород, содержащих малое  или среднее количество цементирующего материала, общая и эффективная  пористость примерно равны. Для пород, содержащих большое количество цемента, между эффективной и общей  пористостью наблюдается существенное различие.

Для коэффициентов пористости всегда выполняется соотношение:

m_п > m_o > m_эф.

 

Для хороших коллекторов пористость лежит в пределах 15-25%

Поровые каналы нефтяных пластов условно  подразделяются на три группы: субкапиллярные (размер пор < 0,0002 мм) – практически  непроницаемые: глины, глинистые сланцы, эвапориты (соль, гипс, ангидрит);

капиллярные (размер пор от 0,0002 до 0,5 мм);

сверхкапиллярные > 0,5 мм.

По крупным (сверхкапиллярным) каналам  и порам движение нефти, воды, газа происходит свободно, а по капиллярам – при значительном участии капиллярных  сил.

В субкапиллярных каналах жидкость удерживается межмолекулярными силами (силой притяжения стенок каналов), поэтому практически никакого движения не происходит.

Породы, поры которых представлены в основном субкапиллярными каналами, независимо от пористости практически  непроницаемы для жидкостей и  газов (глины, глинистые сланцы).

Пористость пород продуктивных пластов определяют в лабораторных условиях по керновому материалу. Пористость пласта на больших участках определяется статистически по большому числу  исследованных образцов керна.

С пористостью связаны величины насыщения пласта флюидами: водонасыщенность (S_в), газонасыщенность (S_г), нефтенасыщенность (S_н), величины, выраженные в долях или в процентах.

Связь пористости и коэффициента насыщенности в долях:

 

 

S_насыщ = 1; S_г = 1 – (S_B + S_H)

 

Рис. 5. Влияние естественного уплотнения пород на их пористость: 1. – песчаники, 2. – глины

Общая и открытая пористость зависят  от:

глубины залегания, падает с увеличением  глубины рис. 3.; от плотности пород; количества цемента и др.

 

5. Плотность горных пород

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 таблице 1 приведены плотности основных осадочных пород.

Таблица 1. - "Плотность осадочных пород."

Горная порода	Плотность, кг/м3	Горная порода	Плоность,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

 

 

 

6. Анизотропия

 

Анизотропность  свойств горных пород зависит  от упругих свойств, плотности, структурных  и ее текстурных особенностей. Этот показатель, как и степень наклона  чередующихся по твердости и мощности пластов, оказывает наибольшее влияние (из геологических причин) на искривление скважин. Поэтому при изучении закономерностей естественного искривления скважин очень важно располагать данными об этом показателе.

Анизотропностью называется способность твердых  тел в разной степени проявлять  одни и те же свойства в зависимости  от направления, в котором они  определяются. Анизотропность свойств пород может проявлятся не только у явно слоистых пород, но и у пород, разбитых строго ориентированной системой трещин или имеющих рассланцовку тектонического происхождения. В таких случаях сопротивление пород разрушению вдоль плоскости трещиноватости выше, чем в перпендикулярном направлении.

Существуют различные  методы оценки анизотропности механических свойств пород.

А.Лубинским введен буровой индекс анизотропии, определяемый как

1-А= υ_II/υ_┴,

где А - показатель анизотропии (А=0 соответствует изотропной породе); υ_II и υ_┴, - буримость горных пород соответственно параллельно напластованию и перпендикулярно к нему.

Поскольку υ_┴ имеет максимальное значение, то индекс анизотропии всегда меньше единицы и для осадочных пород оценивается значением от близкого к нулю до 0,75.

Анизотропию пород  можно оценить и по акустическим данным путем сравнения скорости распространения ультразвуковых волн в двух диаметрально противоположных  направлениях - ζ1 по высоте (вдоль) образца  породы (керна) и ζ2 по диаметру.

Коэффициент анизотропии  теплопроводности слоистых пород в  среднем составляет 1,10-1,50. В слоистых средах наблюдается большая теплопроводность вдоль слоистости (λII), чем перпендикулярно слоистости (λ┴).

Для практических расчетов принимается среднее значение:

λ=1/2 (λII+λ┴)

Условные  обозначения: II — параллельно слоистости; ┴- перпендикулярно слоистости.

 

 

7. Степень связанности

 

СВЯЗНОСТЬ горных пород - сопротивляемость горных пород стремлению разъединить слагающие их минеральные частицы растяжением, сжатием, кручением, разломом.

Связность характеризует физико-химические особенности горных пород, их прочность, сопротивление упругим и вязкопластичным деформациям, которые определяют смещение одних минеральных частиц относительно других, степень постоянства и восстанавливаемости связей после их нарушения, водостойкость связей и т.п.

По степени связности горные породы разделяются на три основные группы: скальные, связные и несвязные (сыпучие).

• Скальные породы характеризуются наличием между частицами значительных ионных и молекулярных сил сцепления, которые после разрушения породы не восстанавливаются ни при высоком давлении, ни при увлажнении.

Скальные породы разделяются  на хрупкие и вязкие.

Хрупкие породы разрушаются по достижении предела упругости. Разрушению вязких пород предшествуют не только упругие, но и остаточные вязко-пластические деформации. Поэтому на разрушение вязких пород затрачивается больше работы, чем на разрушение хрупких.

При всестороннем равномерном сжатии хрупкие горные породы выдерживают  значительные нагрузки, проявляя пластические свойства.

Скальные породы бывают монолитные и трещиноватые. Стенки скважин, проведенные  в скальных породах, устойчивы за исключением случаев пересечения  сильно трещиноватых участков.

• Связные породы отличаются тем, что силы сцепления между частицами этих пород могут сильно изменяться в зависимости от влажности и восстанавливаться после нарушения связности путем применения высокого давления и увлажнения.

Связные породы дают большие остаточные деформации без нарушения связности. Некоторые связные породы увеличиваются  в объеме при увлажнении (глинистые  породы, мел). В этих породах стенки скважины иногда бывают неустойчивыми  и могут выпучиваться.