Основные физико-механические свойства горных пород

Способность горных пород реагировать на внешние воздействия изменением размеров, формы и целостности называют механическими свойствами.

Способность горных пород изменять без разрушения форму и размеры в результате силовых воздействий называют деформируемостью.

Если после снятия внешней нагрузки деформация исчезает и тело принимает первоначальные размеры, то такую деформацию называют упругой.

Если деформация полностью или частично сохраняется, то ее называют пластической.

Основными свойствами горных пород, влияющих на процесс бурения считаются упругие и пластические свойства, твердость, абразивность, сплошность.

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

Пластичность– способность горных пород изменять форму под влиянием силовых воздействий и сохранять остаточную деформацию после устранения воздействия.

Упругие свойства горных пород характеризуются модулем упругости Е и коэффициентом Пуассона μ

Е = 0,03 ∙ 10 ÷ 1,7 ∙ 10 МПа - для большинства пород

Модуль упругости зависит от:

1) минералогического состава

2) пористости пород

3) вида деформации

4) величины приложенной нагрузки

5) состава цементирующего вещества

Коэффициент Пуассона зависит от продольной деформации (Еу) и поперечной деформации (Ех).

М = = 0,10 ÷ 0,45 (2)

Таблица 1 – Значения модуля упругости

Пластичность горных пород зависит от минерального состава пород и уменьшается с увеличением содержания кварца. Пластичность возрастает с увеличением давления всестороннего сжатия. Пластические свойства с увеличением температуры и влажности возрастают (глины, соли).

Если деформировать тело на некоторую величину и оставить его в напряженном состоянии таким образом, чтобы величина деформации не изменялась, то напряжение внутри тела самопроизвольно уменьшится, или рассосется. Это явление называется релаксацией.

Если на тело действует нагрузка длительное время и происходит постепенное увеличение деформации вплоть до разрушения тела. Такое явление называется ползучестью.

Объемная масса – масса единицы объема породы в ее естественном состоянии, то есть с учетом пор и его содержимого. От величины объемной массы зависит величина пластового давления.

Горные породы имеют различную прочность. Прочность – это сопротивление твердых тел механическому разрушению (Н/м ). На прочность оказывают влияние природные (геологические) и технические факторы.

Природные факторы

1) Минералогический состав – чем больше количество кварца, растворенного в породе, тем выше прочность породы.

2) Размер и форма зерен кристаллов, образующих породу.

3) Структура и текстура породы. Тип цемента, количественное отношение между цементом и обломочным материалом.

4) Пористость и слоистость. Прочность породы увеличивается с уменьшением пористости.

5) Глубина залегания; уплотненность; возраст пород; тектонические нарушения.

Технические факторы

1) Вид деформации. Горные породы оказывают значительное сопротивление сжатию. При равномерном всестороннем сжатии прочность горных пород резко возрастает.

2) Масштабный фактор. Прочность зерен минералов уменьшается с увеличением размеров зерен. Прочность горных пород зависит и от механических свойств цемента, заполняющего межкристаллические пространства.

3) Время приложения разрушающих усилий. Разрушение горных пород может наступить и при напряжениях меньших предела прочности, если эти напряжения действуют длительное время.

Твердость – это свойство тела оказывать противодействие проникновению в него другого тела. Условная твердость определяется методом царапания по шкале Мооса на 10 классов.

1 кл. Тальк - 2,5 кгс/мм 6 кл. Ортоклаз

2 Гипс 7 Кварц

3 Кальций 8 Топаз

4 Флюорит 9 Корунуд

5 Апатит 10 Алмаз - 10000 кгс/мм

Абразивность – способность горных пород изнашивать металлы при трении, чем выше абразивность горных пород, тем выше темп износа металла.

Абразивность породы зависит от:

1) твердости, образующих ее минералов;

2) размера, формы зерен и характера их поверхности;

3) содержание кварца (при содержании кварца> 20 % абразивность становится выше).

Полиминеральные горные породы более абразивны, чем мономинеральные. Из обломочных пород наиболее абразивны кварцевые песчаники и алевролиты.

Метод оценки абразивности был предложен Шрейнером, который заключается в измерении износа эталонного кольца, трущегося о породу под нагрузкой при n = const.

По степени возрастания абразивности горные породы делятся на 7 категорий:

1. гипс 5. кремнистые породы

2. барит 6. железистомагнезиальные породы

3. доломит 7. кварц и кварциты

4. известняк

Буримость горных пород – это степень трудности разрушения тех или иных горных пород на данном уровне развития техники и технологии бурения.

Правильная оценка буримости необходима для выбора типа долота, режима бурения (осевой нагрузки и частоты вращения). Оценку буримости проводят по показателям проходки на долото (м) и механической скорости (м/час).

Сплошностью называется способность пород, окружающих скважину, пропускать через себя промывочную жидкость. По сплошности породы подразделяют на 4 категории:

· промывочная жидкость уходит вместе с обломками выбуренной породы;

· в породу может проникать дисперсионная среда и дисперсная фаза (коллоидные глинистые частицы) промывочной жидкости;

· в породу может проникать только маловязкая дисперсионная среда;

· в породу промывочная жидкость не проникает.

Рыхлые породы делятся на связные (глинистые) и несвязные. Большое влияние на свойства этих пород оказывает вода, заполняющая поры. Горные породы являются гидрофильными телами (хорошо смачиваются водой). Вода в порах и на поверхности горных пород может быть в связанном и свободном состояниях. Количество воды, содержащейся в породе, оценивается влажностью породы, которая определяется по формуле (3):

, (3)

где G_п - масса влажной породы;

G_с – масса скелета породы.