Сжимаемость горных пород реферат

Обновлено: 05.07.2024

Знание физико-механических свойств горных пород необходимо при строительстве скважин и разработке месторождений. С учетом их следует производить предварительный выбор долот для различных интервалов бурения; учитывать их при проектировании режимов бурения; при выборе типа бурового раствора и его свойств, методов вскрытия продуктивного пласта и конструкции призабойной зоны скважины; для предупреждения возможных осложнений в процессе бурения; иногда - при выборе конструкции скважины. Знать физико-механические свойства горных пород необходимо и при составлении проекта разработки нефтяных и газовых месторождений.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3
1. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД 5
1.1. Плотность 5
1.2. Прочность 5
1.3 Упругость 6
1.4. Пластичность 8
1.5. Твердость 10
1.6. Абразивность 14
2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ 16
2.1 Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения 17
2.2. Основные закономерности разрушения горных пород при бурении 19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 23
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 24

Работа состоит из 1 файл

курс 5.docx

Министерство образования и науки рф

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

Институт геологиии и нефтегазодобычи

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

1. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД 5

1.4. Пластичность 8

1.5. Твердость 10

1.6. Абразивность 14

2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ 16

2.1 Основные физико-механические свойства горных пород, влияющие на процесс бурения 17

2.2. Основные закономерности разрушения горных пород при бурении 19

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 24

Механические свойства горных пород — характеризуют изменения формы, размеров и сплошности горных пород под воздействием механических нагрузок, которые создаются в результате действия естественных (горное давление, тектонические движения) или искусственных факторов (взрывные работы, резание, дробление пород).

Механическое нагружение вызывает в горных породах напряжения и деформации. По виду деформаций и связи с вызвавшими их напряжениями механические свойства подразделяют на упругие (модуль Юнга, коэффициент Пуассона и др.), пластические (модуль полной деформации, коэффициент пластичности и др.), прочностные (пределы прочности горных пород при сжатии, растяжении и др.) и реологические свойства (период релаксации, предел длительной прочности и др.). К показателям механических свойств относят также характеристики воздействия на горные породы жидкостей и газов (например, коэффициент размокания), горнотехнологические параметры горные породы (показатели крепости, твёрдости, буримости, взрываемости, дробимости.

Механические свойства определяют прямыми или косвенными измерениями напряжений и деформаций в горных породах в процессе их различного нагружения. В массиве чаще используют косвенные методы оценки механических свойств — по глубине и усилиям проникновения острого инструмента в горных породах, по зависимости между скоростью упругих волн и механическими свойствами.

На величину показателей механических свойств влияют анизотропия горной породы, силы и характер связей между частицами, ориентация ослабленных зон и слоев горной породы, размер зёрен, пористость, минеральный состав. Это предопределяет широкую вариацию показателей механических свойств от точки к точке в массиве (рис.).

Более монолитные скальные горные породы имеют высокие значения модуля Юнга, прочностных параметров, низкие значения показателей пластичности. Осадочные горные породы, как правило, обладают более низкой прочностью и упругими свойствами, повышенными значениями показателей пластичности, хорошо выраженными реологическими свойствами.

Любые изменения состояния горной породы и её структурных характеристик влияют на величину механических свойств. Увеличение влажности снижает упругие и прочностные, но повышает пластические параметры пород; трещиноватость и высокая пористость пород снижают прочностные и упругие параметры пород. Разрушенная горная порода также способна сопротивляться в определённой степени внешним нагрузкам. Например, несущую способность разрушенных горных пород оценивают особыми механическими свойствами — параметрами запредельного деформирования и прочности, определяемыми на специальных жёстких испытательных прессах.

Плотность d - это отношение массы m вещества к единице объема V. Плотность измеряется в г/см 3 , кг/л или т/м 3 . Так как плотность воздуха мала, то ею пренебрегают и при измерениях плотности взвешивают вещество в воздухе, а не в вакууме. Плотность воды 1 г/см 3 , дерева немного меньше - оно плавает как и жидкая нефть (0,8–0,9 г/см 3 ), растекаясь пятнами на море при авариях танкеров. Плотность человека, выдохнувшего воздух, тоже почти 1 г/см 3 , а вдохнувшего - 0,95 г/см 3 . Плотность густой нефти, и тем более мазута 1,05 г/см 3 – недаром он оседает на дно при крупных разливах нефти в море. Это случается при авариях танкеров, во время военных сражений протекающих на территориях нефтяных промыслов.

Плотности минералов колеблются в очень широком диапазоне от 2,2 г/см 3 у галита, 2,66 г/см 3 у кварца, 2,55 – 2,7 г/см 3 у полевого шпата, 2,72 г/см 3 у кальцита, до 3,9 г/см 3 у сидерита и 5,0 г/см 3 у магнетита. Среди самых тяжелых минералов магнетит, киноварь и золото. Горные породы состоят из комплексов породообразующих минералов, плотности которых колеблются в узких пределах - от 2,55 г/см 3 у ортоклаза до 2,75 г/см 3 у доломита, и поэтому минеральный состав существенно на плотность не влияет. Иное дело жидкая и газообразная фазы породы или, в терминах нефтяной геологии - поры: плотность кварцевого песка снижается при 10% пористости с 2,66 до 2,40 г/см 3 , а при пористости 20% – до 2,10 г/см 3 . Таким образом, плотность горных пород, и особенно пород осадочных, во многом определяется пористостью.

При некоторой тренировке геолог может, взвесив в руке образец, довольно точно определить его плотность, а по ней пористость.

В пластовых условиях, где поры заполнены солеными пластовыми водами, плотность соответственно возрастает при пористости 10% до 2,50 г/см 3 , а при пористости 20% до 2,35 г/см 3 . В науке о бурении плотность породы в пластовых условиях называется объемной массой.

С увеличением всестороннего сжатия объемная масса возрастает благодаря, во-первых, уменьшению пористости и, во-вторых – некоторому увеличению плотности сжимаемого в порах флюида. Кроме того, соленость пород растет с глубиной. Объемная масса осадочных пород обычно колеблется от 2,0 до 2,7 г/см 3 . С ростом объемной массы связано и увеличение горного (литостатического) давления.

Прочность - это способность вещества не разрушаться под действием механических сил – будь то удар молотка или воздействие долота на породу. Прочность измеряется напряжением, при котором вещество разрушается. Измеряется прочность в МПа. Прочность горной породы зависит от вида деформации. Горная порода и минералы могут подвергаться одноосному сжатию и растяжению, деформациям изгиба и сдвига (простым видам деформации), а также нескольким деформациям одновременно (сложные виды деформации). Горные породы наиболее устойчивы по отношению к сжатию, а другим деформациям горные породы противостоят слабее; прочность на растяжение составляет менее 10% от прочности на сжатие. И действительно, из камня сложены стены неприступных крепостей, и даже конструкция арки такова, что и здесь камень в основном, работает на сжатие. Прочность горных пород на сжатие σ_сж, на сдвиг σ_с, на изгиб σ_изг и на растяжение σ_р связаны между собой следующим соотношением:

Приведенное соотношение показывает, что наиболее рациональный способ разрушения горной породы на забое скважины связан с использованием деформации растяжения.

Прочность минералов на сжатие достаточно велика, хотя и колеблется в широких пределах – свыше 500 МПа у кварца до 10–20 МПа у кальцита. Прочность горных пород существенно ниже, что объясняется их неоднородностью, наличием локальных дефектов, трещиноватостью (от зияющих трещин до паутин и микротрещин). Прочность пород существенно зависит от её минерального состава, структуры и текстуры породы, глубины залегания и других. факторов.

Прочность породы уменьшается с ростом влажности, например, прочность песчаников и известняков снижается при насыщении их поровой водой на 25 – 45%, что и происходит в пластовых условиях. Особенно сильно можно снизить прочность пород, используя поверхностно- активные вещества ПАВ (эффект Ребиндера). У слоистых – т.е. анизотропных пород прочность сильно меняется в зависимости от направления действия нагрузки. Отношение прочности перпендикулярно слоям к прочности параллельно им называется коэффициентом анизотропии, который колеблется у различных пород от 0,3 до 0,8. Естественно, что у изотропных, однородных пород, например, известняков или гранитов он равен 1. Прочность пород растет по мере их погружения в недра, отражая уменьшение пористости, изменение структуры и минерального состава и благодаря напряженному состоянию, в котором порода пребывает в недрах. Например, у глин прочность возрастает от 2–10 МПа на поверхности до 50–100 МПа в зоне метаморфизма, где глины преобразуются в сланцы. В процессе разрушения долотом горной породы последняя испытывает сложные виды деформации. Учитывая это, а так же особенности процесса внедрения зубца долота в забой скважины, прочностные характеристики горной породы мало подходят для проектирования процесса её разрушения.

В общепринятом смысле упругость – это свойство тел после снятия напряжения восстанавливать свою форму без остаточной деформации. Деформация упругих тел описывается законом Гука, т.е. относительная деформация x пропорциональна приложенному напряжению σ:

Где Е - модуль Юнга, характеризует упругость тела. Классический пример упругого тела – пружина. Чем сильнее вы её растягиваете (сжимаете), тем больше она удлиняется (укорачивается). Как только вы перестаете на неё воздействовать она возвращается в первоначальное состояние (к первоначальной длине).

Наряду с модулем Юнга упругие свойства горных пород описываются коэффициентом Пуассона m. Он является коэффициентом пропорциональности между относительными продольными и поперечными деформациями.

где x_x и x_y продольная и поперечная деформация породы соответственно.

Коэффициент Пуассона для большинства минералов и горных пород находится в интервале 0,2–0,4. Исключением является кварц, у которого из-за специфики строения кристаллической решетки m достигает 0,07.

Большинство минералов подчиняются закону Гука. Кристаллы ведут себя как упругие тела и разрушаются минуя пластическую деформацию, когда напряжение достигнет предела прочности.

В табл.23 приведены модули Юнга для некоторых горных пород, полученные при одноосном сжатии.

Напряженное состояние пород в условиях залегания. Напряженное состояние пород в районе горной выработки. Рассмотрение деформационных и прочностных свойств пород. Рассмотрение модулей Юнга горных пород нефтяных месторождений Волго-Уральской провинции.

Рубрика	Геология, гидрология и геодезия
Вид	лабораторная работа
Язык	русский
Дата добавления	05.04.2020
Размер файла	87,2 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

ЛЕКЦИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Упругость, прочность на сжатие и разрыв, пластичность - наиболее важные механические свойства горных пород, влияющие на ряд процессов, происходящих в пласте в процессе разработки месторождений. 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 жидкости к забоям скважин. Упругость пород и жидкостей очень мала, но вследствие огромных размеров пластовых водонапорных систем в процессе эксплуатации значительное количество жидкости вытесняется именно за счет расширения ее объема и уменьшения объема пор при снижении пластового давления. С другой стороны следует иметь в виду и негативные факторы, связанные со снижением пластового давления. Это в первую очередь снижение проницаемости пород, а во вторую - выделение газа из пластовых жидкостей, препятствующего их движению.

Не менее существенный эффект упругости жидкости и пористой среды 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 степени определяются упругими свойствами пород и жидкостей.

В процессе эксплуатации залежи важно знать и прочностные характеристики пород на сжатие и разрыв. Эти данные наряду с модулем упругости необходимы при изучении процессов искусственного воздействия на породы призабойной зоны скважин, широко применяемых для увеличения притока нефти. При рассмотрении физических свойств горных пород следует учитывать, что в зависимости от условий залегания механические свойства пород могут резко изменяться.

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ЗАЛЕГАНИЯ

Горные породы находятся в напряженном состоянии, вызванном собственным весом пород и определяющимся глубиной залегания и характером самих пород. До нарушения условий залегания пород скважиной внешнее давление от веса вышележащих пород и возникающие в породе напряжения находятся в условиях равновесия. Составляющие этого нормального поля напряжений имеют следующие значения:

где - вертикальная составляющая напряжений;

- ускорение силы тяжести;

По горизонтали в простейшем случае

где - коэффициент бокового распора.

Величина n для пластичных и жидких пород типа плывунов равна единице и тогда горизонтальное напряжение определяется гидростатическим давлением, а для плотных и крепких пород в нормальных условиях, не осложненных тектонически, n составляет доли единицы.

Коэффициент бокового распора и горизонтального напряжения можно приближенно оценить следующим образом.

Выделим элементарный объем. Относительная деформация, которую это тело получило бы, например, вдоль оси x при сжатии его тремя взаимно перпендикулярными, равномерно распределенными силами, выраженными главными напряжениями ( _z= ₁; _y= _x= ₂=n ₁), равна

где - модуль Юнга;

- коэффициент поперечной деформации - Пуассона, равный отношению поперечной деформации к продольной деформации.

Если принять, что в процессе осадконакопления происходило только сжатие пород в вертикальном направлении, а в горизонтальном направлении деформаций не было, то

то есть коэффициент бокового распора

При достаточно больших давлениях на значительных глубинах вероятно происходит выравнивание напряжений. Если три главных взаимно перпендикулярных напряжения равны между собой, то деформация в направлении каждого из них согласно (1) равна

и коэффициент объемного сжатия равен

Величина 1/ называется модулем объемной упругости (К).

Таким образом, зная модуль Юнга и коэффициент Пуассона, определяемые экспериментальным путем, можно найти коэффициент сжимаемости горных пород

Другой способ оценки коэффициента сжимаемости основан на непосредственном измерении этой величины с помощью специального оборудования. Исследуемый образец породы помещают в специальный кернодержатель, создают внешнее давление равное пластовому. В результате приложения внешнего давления, превышающего внутрипоровое, объем пор будет уменьшаться, что приведет к изменению геометрических размеров образца. Величину этих изменений измеряют по перемещению толкателей, контактирующих с торцами образца.

где - изменение длины образца; - площадь сечения; - начальный объем образца; - изменение давления.

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД В РАЙОНЕ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ

Призабойная зона скважины представляет собой область пласта, от характеристики которой зависит производительность скважины. С бурением скважины здесь изменяется начальное напряженное состояние пород, т.к. происходят возмущения в естественном поле напряжений. Вблизи стенок скважины они находятся в условиях, близких к одноосному сжатию. В результате пластичные породы (глины, глинистые сланцы) частично выдавливаются в скважину, увеличивая ее диаметр. Зона аномалий в естественном поле напряжений в несколько раз превосходит размеры горной выработки. В ней происходят существенные изменения условий залегания горных пород, которые могут быть причиной значительных изменений фильтрационных характеристик.

Если рассматривать призабойную зону как однородный упругий толстостенный полый цилиндр, то поиск распределения напряжений в этой зоне можно свести к решению задачи Ламе. Напряжение в толстостенном цилиндре, сечения которого образованы концентрическими окружностями, подверженном действию равномерно распределенных сил, определяется соотношениями

где - радиальная компонента нормального напряжения;

- окружное или тангенциальное нормальное напряжение (в направлении касательной к окружности, на которой выделен элементарный объем dV).

- расстояние от оси;

C₁ и С₂ - постоянные интегрирования, которые можно определить из граничных условий:

при r=r_c; _r=p_з (забойному давлению);

при r=; _q= _r= gH (горному давлению).

Для упрощения формулы (6) и (7) запишем с другими постоянными в виде

По этим формулам можно вычислить касательные и радиальные напряжения на различных расстояниях от скважины. Из граничных условий найдем:

Из (10) и (11) следует, что при

т.е. на стенке скважины могут действовать тангенциальные напряжения, величина которых при P_з=0 достигает удвоенного горного давления. Это означает, что при наличии пород недостаточной прочности в призабойной зоне возможно их разрушение под действием тангенциальных напряжений и ухудшение фильтрационных характеристик пород вследствие их сжатия под влиянием этих нагрузок. Для приблизительной оценки тангенциальных напряжений можно использовать уравнение

в соответствии с которым величина тангенциальных напряжений на глубине 1000 м составляет около 116 кгс/cм 2 , а на глубине 2000 м соответственно 232 кгс/см 2 .

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОРОД

Большая часть горных пород при отсутствии высокого всестороннего давления как в условиях одноосного, так и сложного напряженного состояния, при быстром нагружении или разгрузке в большом диапазоне напряжений хорошо подчиняется закону Гука. По мере увеличения напряжения на сжатие усиливается и деформация. При нагрузке, соответствующей пределу прочности образца _сж, происходит его разрушение. Характер зависимости между напряжением и деформацией определяется продолжительностью действия нагрузки. У большинства горных пород необратимые пластические деформации при медленном нагружении проявляются при напряжениях, составляющих 10-15% от разрушающих.

Горным породам присуща анизотропия механических свойств, связанная с различием анизотропия механических свойств, связанная с различием упругости при одноосном сжатии вдоль и поперек напластования.

Модули Юнга горных пород нефтяных месторождений Волго-Уральской провинции

Под режимом работы нефтяных залежей понимают характер проявления движущих сил, обеспечивающих продвижение нефти в пластах к забоямэксплуатационных скважин. Различают следующие режимы: водонапорный, упругий и упруговодонапорный, газонапорный или режим газовой шапки, газовый или режим растворенного газа, гравитационный, смешанный. Упругий режим — режим работы залежи, при котором пластовая энергия при снижении давления в пласте проявляется в виде упругого расширения пластовой жидкости и породы.
При разработке нефтегазовых месторожденийчасто возникают неустановившиеся процессы, связанные с пуском или остановкой скважин, с изменением темпов отбора флюидов из скважин. Характер этих процессов проявляется в перераспределении пластового давления, в изменениях во времени скоростей фильтрации, дебитов скважин и т.д. Особенности данных процессов зависят от упругих свойств пластов и жидкостей, т.е. основная форма пластовой энергии – энергияупругой деформации жидкостей и материала пласта.
При упругом режиме движение возникает в призабойной зоне в начале эксплуатации скважины за счет использования потенциальной энергии упругой деформации пласта и жидкости и только через некоторое время оно распространяется на более отдалённые области.
При снижении пластового давления объём сжатой жидкости увеличивается, а объём порового пространствасокращается за счет расширения материала пласта. Всё это способствует вытеснению жидкости из пласта в скважину.
Важнейшими параметрами теории упругого режима являются коэффициенты сжимаемости жидкости и пласта.

1 Понятие сжимаемости

Сжимаемость – способность вещества изменять свой объём под действием всестороннего давления. Сжимаемостью обладают все вещества. Если вещество в процессе сжатия неиспытывает химических, структурных и других изменений, то при возвращении внешнего давления к исходному значению начальный объём восстанавливается. Именно обратимое изменение занимаемого веществом объёма V под равномерным гидростатическим давлением р и называют обычно сжимаемостью (объёмной упругостью). Величину сжимаемости характеризует коэффициент сжимаемости β (называемый также коэффициентомвсестороннего сжатия или просто коэффициентом сжатия, коэффициентом объёмного упругого расширения, коэффициентом объёмной упругости), который выражает уменьшение единичного объёма (или плотности) тела при увеличении р на единицу:

где ΔV Δρ- изменения V и ρ при изменении р на величину Δp.
K=1/β – модуль объемной упругости (модуль объемного сжатия, объемный модуль).

1.1 Сжимаемость горнойпороды

Сжимаемость горных пород – способность горных пород изменять свой объём под воздействием всестороннего давления. Различают два вида сжимаемости горных пород — обратимую и необратимую. Обратимая сжимаемость (объёмная упругость) зависит от температуры, характеризуется коэффициентом сжимаемости, и определяется их упругими свойствами. Необратимая сжимаемость горных пород связана с необратимыми неупругимипроцессами деформации.
Важное значение в процессе разработки нефтяных и газовых месторождений имеют деформации пород, происходящие вследствие изменения пластового давления, которое может уменьшаться со временем и вновь восстанавливаться при искусственных методах поддержания давления в залежи.
До начала эксплуатации залежи пластовое давление жидкости способствует уменьшению нагрузки, передающейся наскелет породы от массы вышележащих отложений (если кровля пласта непроницаема). Тогда давление на скелет породы (эффективное давление):

При извлечении нефти на поверхности пластовое давление падает и давление на скелет пород увеличивается.
Установлено, что с падением пластового давления объем порового пространства пласта уменьшается вследствие упругого расширения зерен.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ
1. гРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ 5
2. тРЕЩИНОВАТОСТЬ 8
3. УСТОЙЧИВОСТЬ 9
4. ПОРИСТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД 9
5. плотность горных пород 10
6. анизотропия 11
7. степень связности 12
8. твердость, прочность и хрупкость горных пород 13

13. ВОДНО-КОЛЛОИДНЫЕ СВОЙСТВА………………

Прикрепленные файлы: 1 файл

Реферат.docx

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет "МЭиФ" (менеджмента экономики и финансов)

Выполнила: студентка группы МД -11

Проверил: доц. Коротун В.Г.

1. гРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ 5

2. тРЕЩИНОВАТОСТЬ 8

3. УСТОЙЧИВОСТЬ 9

4. ПОРИСТОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД 9

5. плотность горных пород 10

6. анизотропия 11

7. степень связности 12

8. твердость, прочность и хрупкость горных пород 13

14. ДРУГИЕ КЛАССИФИКАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД…………………………………………………………22

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.

1. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ (а. granulometric соmposition; н. Kornverteilung; ф. соmposition granulometrique, granulometrie; и. соmposicion granulometrica, granulometria) — распределение зёрен (кусков) по крупности в массивах горной породы, горной массы, почве или искусственном продукте, характеризуемое выходом в процентах от массы или количества зёрен.

Гранулометрический состав — важный показатель физических свойств и структуры материала. Общепринятой классификации по данным гранулометрического состава не существует, что связано с различием целей и объектов, для которых производится определение гранулометрического состава. В геологии (литологии), горном деле, обогащении полезных ископаемых, грунтоведении, почвоведении, технологии строительных материалов и других областях техники применяют различные классификации и шкалы классов (фракций) крупности. Классы (фракции) обычно обозначают в мм, в обогащении полезных ископаемых классы крупнее и мельче данного размера — знаками плюс и минус соответственно. В геологии при оценке осадочных горных пород различают: валуны крупные (свыше 500 мм), валуны средние (500-250 мм), валуны мелкие (250-100 мм), гальку (100-10 мм), гравий крупный (10-5 мм), гравий мелкий (5-2 мм), песок грубый (2-1 мм), песок средний (0,5-0,25 мм), песок мелкий (0,25-0,1 мм), алеврит (0,1-0,05 мм), пыль (0,05-0,005 мм), глину (до 0,005 мм). В горном деле гранулометрический состав горной массы, отделённой от массива, используют для оценки результатов буровзрывных работ, качества продуктов обогащения и учитывают при выборе типа и параметров технологического оборудования в карьерах, на шахтах, дробильно-сортировочных, обогатительных, окомковательных фабриках.

Гранулометрический состав руд, углей, неметаллорудных материалов устанавливается стандартами и техническими условиями, разрабатываемыми для определённых потребителей минерального сырья. В зависимости от цели исследования и размеров частиц гранулометрический состав определяют прямыми и косвенными методами гранулометрии.

Гранулометрический состав может быть выражен в виде дискретной или непрерывной зависимости содержания частиц от их размеров. Для определения дискретной зависимости интервал размеров всех частиц анализируемого вещества подразделяют на классы (фракции) и гранулометрический состав представляют в виде процентного содержания частиц каждой из фракций (фракционный состав). В зависимости от размера максимального куска классификация по крупности осуществляется грохочением пробы на наборе сит (ситовой анализ) либо гидравлической классификацией материала. Величина фракции показывает содержание в веществе частиц в интервале размеров, ограничивающих фракцию. Графическое изображение гранулометрического состава в виде непрерывной зависимости называется кривой распределения. При построении её по оси абсцисс откладывают размеры частиц, а по оси ординат — суммарное содержание всех частиц от начала отсчёта до данной точки, получая интегральную (суммарную) кривую распределения. Если по оси ординат откладывают относительное содержание фракций, причём разность между средними размерами частиц каждой фракции стремится к нулю, получают дифференциальную кривую распределения (рис. 1). При определении гранулометрического состава строительных материалов результаты анализа иногда выражают в виде треугольника (чем ближе точка к вершине треугольника, тем больше в данном материале фракции, соответствующей этой вершине).

По результатам анализов гранулометрического состава составляют таблицы, в которых отражают: класс (в мм); выход отдельных классов (по массе в килограммах и в %); суммарный (кумулятивный) выход по плюсу, т.е. выход суммарных остатков или по минусу, т.е. суммарный просев (в %). Данные анализа также выражают графически, используя простые, полулогарифмические и логарифмические сетки. На оси абсцисс откладывают размеры отверстий контрольных сит, на оси ординат — суммарные остатки. Крупность продукта характеризуют в необходимых случаях верхним (нижним) номинальным размером, т.е. размером отверстий контрольного сита, соответствующим установленному допустимому значению остатка просева. Крупность горной массы оценивают также средним ( средневзвешенным) размером куска (медианой).

Гранулометрический состав продуктов взрывного и механического дробления горных пород отражает вероятностный процесс образования кусков (зёрен) различной крупности в результате их разрушения. Гранулометрический состав взорванной породы в любом случае можно выразить графиками (рис. 2), из которых видно, что с увеличением допустимого размера кусков количество крупной фракции породы, требующей вторичного дробления, во всех случаях (особенно при мелком негабарите) уменьшается.

Таким образом, при постоянстве гранулометрического состава взорванной массы степень дробления, оцениваемая по выходу негабарита, может быть различной, неодинакова и производственная оценка одного и того же взрыва на предприятиях с различным размером допустимого куска. Поэтому одни и те же породы при одинаковом гранулометрическом составе могут считаться легковзрываемыми или трудновзрываемыми в зависимости от принятых допустимых размеров кусков.

ТРЕЩИНОВАТОСТЬ горных пород - явление разделения горных пород земной коры трещинами различной протяжённости, формы и пространственной ориентировки.

По происхождению трещиноватость горных пород разделяется на нетектоническую, тектоническую и планетарную.

Нетектонические трещиноватости горных пород - следствие растрескивания горных пород в процессе охлаждения (для магматических пород), уплотнения, дегидратации, развития экзогенных процессов (гравитационного оползания, резких колебаний температуры), ведения горных работ ("технологическая" трещиноватость) и т.п.

Тектоническая трещиноватость горных пород развивается в связи с напряжениями, возникающими в горных породах под влиянием глубинных тектонических сил. Выделяются трещины отрыва и трещины скалывания, которые образуют системы, закономерно ориентированные по отношению к крупным тектоническим структурам; в связи с развитием последних происходит растрескивание горных пород.

При планетарной трещиноватости горных пород напряжения в земной коре возникают под действием планетарных явлений (например, изменения частоты вращения и формы Земли, "твёрдых приливов" и т.п.).

Трещиноватость горных пород в зависимости от методов измерения характеризуется:

размером отдельности горных пород;
интенсивностью (суммарной шириной раскрытия трещин на единицу длины скважины, мм/м);
удельным водопоглощением (поглощением воды массивом на единицу длины скважины и единицу гидростатического напора в единицу времени, л/с•м2);
реометрической проницаемостью (падением давления воздуха при его растекании в скважине на единицу длины в единицу времени, Па/м•с)
и другими параметрами.

Укрупнённая оценка трещиноватости горных пород даётся с помощью диаграмм трещиноватости, отражающих преимущественную ориентацию систем трещин, среднее их раскрытие, шероховатость и др.

Наличие в разрезе скважины сильнотрещиноватых и разрушенных пород приводит к снижению механической скорости бурения, выхода керна, износостойкости алмазной коронки, резкому увеличению расхода алмазов, способствует поломке резцов, осложнениям вследствие поглощения промывочной жидкости и обрушения стенок скважины. Для оценки степени нарушенности пород трещинами можно воспользоваться показателем трещиноватости Т, который вычисляется по формуле

Где α- угол наклона трещины; - средняя длина столбика керна (отношение общей длины столбика к их числу).

Трещиноватость по керну может быть оценена по методике ЦНИГРИ [1], согласно которой все породы по трещиноватости разделены на четыре класса: слаботрещиноватые (коэффициент трещиноватости трещиноватые ( ); сильнотрещиноватые ( раздробленные ( .

Коэфициент трещиноватости пород первого класса рассчитывается по формуле

где - относительный выход столбиков керна (отношение общей длины столбиков керна к проходке за рейс).

Формула (I.2) применима при средней длине столбиков более 0,2 м и выходе керна более 70 %. Значение коэффициентов последующих классов определяется по формуле

(q=2- знаменатель геометрической прогрессии; n- порядковый номер класса пород).

Явление трещиноватости имеет как положительные, так и отрицательные практические следствия.

Рассечение горных пород трещинами способствует проницаемости земной коры для глубинных растворов (флюидов), несущих рудные компоненты, которые, откладываясь в трещинах, формируют месторождения полезных ископаемых. Глубинные горизонты трещиноватых пород могут быть коллекторами пресной воды, нефти и газа.

Трещиноватость горных пород обеспечивает хорошее дробление горных пород при отбойке, способствует применению экономичных систем разработки с самообрушением руды. Трещиноватые породы лишены склонности к динамическим проявлениям горного давления.

Отрицательное влияние трещиноватости горных пород состоит в понижении устойчивости массивов горных пород. Прочностные характеристики массива трещиноватых горных пород повышают цементацией, силикатизацией, битумизацией и смолоинъекционным упрочнением.

Читайте также: