Упругие свойства горных пород реферат

Обновлено: 05.07.2024

Проявление упругих и упругопластических свойств горных пород при процессах разработки нефтяных месторождений

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.

Упругие свойства горных пород и влияют на перераспределения давления в пласте в процессе эксплуатации месторождения. Давление в пласте, благодаря упругим свойствам пород, перераспределяется не мгновенно, а постепенно после изменения режима работы скважины.

Упругость – свойство горных пород сопротивляться изменению их объёма и формы под действием приложенных сил. Абсолютно упругое тело восстанавливает первоначальную форму мгновенно после снятия напряжения. Если тело не восстанавливает первоначальную форму или восстанавливает её в течение длительного времени, то оно называется пластичным .

Большая часть горных пород выдерживает высокие нагрузки при всестороннем сжатии. Значительно меньшие разрушающие напряжения при изгибе и растяжении. Если нагружение и разгрузка многих горных пород происходят в короткий промежуток времени, при значительном диапазоне напряжений справедлив закон Гука. Если же сжимающая нагрузка, составляющая иногда 10-15 % от разрушающей (т.е. не превышающей предела упругости), действует длительно, в породах могут возникать явления крипа (ползучести) с образованием остаточных деформаций. В отличии от явлений крипа пластические деформации происходят при быстром нагружении пород за пределами их упругости.

Со снижением пластового давления эффективное напряжение возрастает и поэтому уменьшается объем пор вследствие упругого расширения зерен, их переукладки и более плотной упаковки. Вначале происходят упругие деформации, а при значительном снижении пластового давления в глубокозалегающих пластах возможны неупругие (остаточные) деформации пород, которые не восстанавливаются в полной мере даже в процессе заводнения залежи и при увеличении пластового давления до первоначального.

Подавляющая часть нефтяных месторождений разрабатывается с заводнением, и значительного снижения пластового давления не происходит. Поэтому в большинстве случаев возникают процессы упругих деформаций пористых сред. Расширяющиеся при этом горные породы и пластовые жидкости, находящиеся в зоне снижения пластового давления, обладают упругим запасом, равным сумме объемов расширения пород и пластовых жидкостей. Количественно упругие изменения объема пор принято оценивать коэффициентом объемной упругости пласта β с

где V – объем образца породы; dV пор – изменение объема пор при уменьшении или увеличении пластового давления на dp . Значение β с зависит не только от состава, строения и свойств горной породы, но и от давления р.

Горные породы могут деформироваться в пределах упругости.

Упругость– свойство горной породы изменять форму и объем под влиянием силовых воздействий и полностью восстанавливать первоначальное состояние после устранения этих воздействий.

Упругие свойства горных пород проявляются только при кратковременном внешнем воздействии.

Для каждого вида приложенных нагрузок существует свой коэффициент пропорциональности между напряжениями и упругими деформациями: он является параметром породы, оценивающим ее упругие свойства.

К параметрам, характеризущим упругие свойства горных пород, следует относить:

– предел упругости , Па;

– модуль упругости(модуль Юнга) Е, Па;

– модуль сдвигаG, Па;

– модуль всестороннего сжатияК, Па;

– коэффициент Пуассона, ед.

В лабораторных условиях упругие параметры горной породы можно установить при нагружении образцов на гидравлических прессах. Для этого исследуемые образцы должны иметь соотношение высоты (h) к диаметру (d) – . Такое требование позволяет обеспечить равномерное одноосное напряженное состояние в средней части образца при его сжатии.

В начале испытаний, определяют предел прочности образца на одноосное сжатие (). Запись деформаций осуществляют с помощью проволочных тензометров, индуктивных датчиков часового типа и т.п. Обычно датчики располагают с 4-х сторон образца, а их показания усредняют. Испытания проводят в режиме многократного нагружения и разгрузки.

На рисунке 5.3 представлен типичный график деформирования горной породы для определения упругих параметров.

Рисунок 5.3 – Типичный график деформирования образца горной породы.

С помощью графика можно установить величины и, а по выражению

(5.2)

определить модуль упругости.

По относительным изменениям линейных размеров в направлениях перпендикулярном и параллельном приложению нагрузки на образец определяют коэффициент Пуассона.

Таким образом, определив экспериментально на образцах пород характеристики Е и , можно расчетным путем определить значения остальных параметров.

Упругие свойства пород зависят от величины и рода прилагаемой нагрузки. С увеличением нагрузки при растяжении породы модуль упругости уменьшается, при сжатии – увеличивается. При сжатии порода уплотняется, увеличивается площадь контактов зерен, соответственно уменьшается способность породы к дальнейшей деформации и, следовательно, возрастает модуль упругости.

Коэффициенты поперечных деформаций ν горных пород теоретически могут изменяться в пределах от 0 до 0,5. Для большинства пород они колеблются в интервале значений от 0,14 до 0,35. Минимальные значения ν имеют некоторые биотитовые и известковые сланцы, опал, гнейсы (0,01-0,08), максимальные – некоторые дуниты, амфиболиты (0,4-0,46).

Для горных пород Донбасса значения коэффициента Пуассона находятся в следующих пределах: алевролит – 0,10,49; аргиллит – 0,080,44; песчаник – 0,10,37; известняк – 0,130,44

5.3 Пластические и реологические свойства горных пород.

Горные породы, так же как и другие материалы деформируются по-разному при мгновенном и при длительном приложении нагрузки, в результате чего проявляются их различные свойства.

Пластичность– явление роста деформаций при некотором возрастании напряжения сверх предела упругости без нарушения сплошности породы.

Пластическая деформация в породах обусловлена внутри- и межзеренным скольжением. Внутризеренное скольжение обусловлено дислокациями – сдвигами одной части кристалла относительно другой.

К параметрам, характеризующим пластические свойства горной породы, следует относить модуль пластичности(Е_пл., Па), который представляет собой отношение прироста напряжений в пластической зоне до момента разрушения породы к полной пластической деформации

. (5.3)

Параметры иможно определить из графика, представленного на рисунке 5.5.

Рисунок 5.4 — График к расчету модуля пластичности образца горной породы.

На графике tg₁равен модулю упругостиЕ;tg₂– модулю полных деформаций перед разрушениемЕ_деф;tg₃– модулю пластичностиЕ_пл;tg₄– модулю спадаМнесущей способности породы, который характеризует степень хрупкости процесса разрушения породы (поэтому его иначе называют – модуль хрупкости).

По величине модуля пластичности можно сравнить относительную пластичность горных пород. Обычно с увеличением предела прочности одноосному сжатию коэффициент пластичности уменьшается.

Пластичность зависит от минерального состава горных пород. Наличие жестких кварцевых зерен и полевого шпата в породе уменьшает ее пластичность. Пластичность углей зависит от содержания в них углерода.

Модуль упругости более пластичных пород обычно ниже, чем пород менее пластичных. С увеличением числа пластичности глин возрастает их сжимаемость и водонепроницаемость.

Пластичность скальных пород увеличивается с повышением температуры и всестороннего давления. Породы, ведущие себя как хрупкие в обычных условиях, при повышенных давлениях и температурах приобретают явно выраженные пластические свойства. Температура ускоряет (интенсифицирует) процесс пластического течения. Пластические деформации при больших всесторонних давлениях объясняются тем, что в этих условиях более легко могут проявиться внутризеренные движения и смещения, не приводящие к нарушению сплошности и к возникновению трещиноватости, т.е. к разрушающим деформациям.

Реологические свойства горных пород – свойства, которые характеризуют изменение деформаций и напряжений в горных породах при длительном действии нагрузок.

Реологические процессы в горных породах обычно описывают с помощью условно выделенных реологических явлений: ползучесть и релаксация напряжений.

На рисунке 5.5 изображен характер проявления ползучести (а) и релаксации (б) в горных породах во времени t.

Рисунок 5.5 — Кривые, характеризующие проявление ползучести и релаксации у твердых тел.

Ползучесть– явление постепенного роста деформаций породы во времени при постоянном напряжении, не превышающем предела упругости.

Скорость развития деформаций ползучести на основании теории наследственности часто описывают следующим уравнением

, (5.4)

где _τ– напряжения в породе в момент времени τ;

t– другой, больший, чем τ момент времени;

α и δ – коэффициенты ядра ползучестидля данной породы. Они и являются параметрами данного свойства породы; для пород α0,7 и δ=(25)10 -3 .

Релаксация напряжений– явление постепенного снижения напряжений в породе при постоянной её деформации.

Релаксацию можно представить следующим образом. Если образец горной породы зажать между двумя плоскостями и создать условия, где ε = const, то давление на плоскости со стороны образца в начальный момент будет равно σ, а со временем станет уменьшаться, стремясь к определенной величине.

Уравнения кривой релаксации обычно приводят в следующем виде

, (5.5)

где t_o–период релаксации(параметр данного свойства породы), т.е. отрезок времени, за который напряжение снижается вeраз (для горных пород несколько сотен лет, для стекла, например, около 100 лет, а для воды – 10 -11 с).

Рассмотрение ползучести и релаксации пород показывает, что существует общая закономерность изменения свойств пород со временем действия нагрузки, – чем более длительно воздействие на породу нагрузки, тем слабее становятся упругие свойства пород, уменьшается предел упругости и тем сильнее проявляются её пластические свойства.

Влабораторных условиях реологические параметры горных пород можно определить поперечным изгибом образцов-балочек (рисунок 5.6). Для этих целей используют образцы призматической формы, поперечные размеры которых в 6 – 10 раз меньше его длины. Образцы нагружают постоянной нагрузкой, создающей усилиеF.

С учетом величин F и t устанавливают величину прогиба у_t, а реологические параметрыиопределяют из выражения

, (5.6)

где у_о– величина мгновенного, упругого прогиба, мм.

, (5.7)

к – коэффициент влияния касательных напряжений.

, (5.8)

h, а, в — соответственно толщина, ширина и длина образца, мм.

Обычно измеряют во времени несколько раз величину прогиба (у_t) и получают несколько уравнений, которые затем решают как систему линейных уравнений, относительно параметрови. Параллельно испытывают 45 образцов.

Весьма характерной чертой реологических процессов, в частности ползучести, является зависимость деформации наблюдаемой в данный момент от характера всего процесса нагружения горной породы, или, другими словами, от всей предыдущей истории его деформирования. Это свойство горных пород называют наследственностью.

Теория наследственности была предложена Л. Больцманом с использованием математического аппарата интегральных уравнений В. Вольтерра.

Горные породы сохраняют характерную информацию о механических воздействиях в прошлом. Это свойство пород получило название "памяти" о действовавших ранее напряжениях. Со временем (после разгрузки – снятия напряжений) "память" горных пород ослабевает или исчезает полностью.

Деформирование горных пород во времени может быть математически опасно путем абстрактного схематического представления горных пород в виде некоторых моделей из структурных элементарных единиц, причем каждая из этих единиц представляет собой упругий, пластичный или вязкий элемент.

При этом структурные единицы, обладающие упругими свойствами, могут быть уподоблены пружинами с законом деформирования Гука. Структурные единицы с вязкими свойствами подчиняются закону деформирования Ньютона

, (5.9)

где dε/dt – скорость деформирования,

η – коэффициент вязкости.

В модели они могут быть представлены поршнем со сквозными отверстиями в цилиндре с вязкой жидкостью.

Пластические свойства структурных единиц моделируются сухим трением. В этом случае деформирование может иметь место лишь при напряжениях, превышающих некоторое значение, называемое пределом текучести.

Изображение упругих, вязких и пластических элементов при построении реологических моделей горных пород представлено на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 — Изображение упругих (а), вязких (б) и пластических (в) элементов в моделях горных пород.

Деформирование горных пород может быть отражено посредством соответствующего сочетания указанных элементов (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8 — Реологические модели горных пород: а – упругого (Гука); б – вязкого (Ньютона); в – упруго-вязкого (Максвелла); д – пластичного (Сен-Венана); е – вязкопластического (Бингама-Шведова), ж – линейного стандартного (Пойнтинга-Томпсона).

Большинство горных пород относится к упрочняющимся телам. Для поддержания в них пластических деформаций необходимо повышать напряжения, рост напряжений происходит с убывающей скоростью. Такое поведение породы моделируется комбинацией идеально упругого тела Гука и идеально вязкого тела Ньютона (поршень с отверстиями, движущийся в цилиндре, наполненном вязкой жидкостью). При параллельном соединении этих тел получается модель тела Кельвина-Фойгта, при последовательном – тела Максвелла.

В случае идеального пластического тела после достижения предела упругости тело начинает пластически течь – деформация возрастает при постоянном напряжении. Механическая модель, описывающая эту деформацию, представляет собой тяжелое тело, лежащее на горизонтальной плоскости и соединенное с пружинной (тело Сен-Венана).

Комбинируя свойства описанных выше сред, существует модель Бинтама-Шведова, состоящая из последовательно соединенных моделей Сен-Венана и Максвелла. Эта среда при нагрузке, не превосходящей предела текучести, ведет себя как упругая. При нагрузке, превосходящей предел текучести, среда начинает течь, причем напряжения в ней зависят от скорости.

Модель стандартной линейной среды описывается моделью Пойтинга – Томпсона. Нагрузка, приложенная к такой модели, вызовет, прежде всего, упругую мгновенную деформацию обеих пружин; в дальнейшем деформация будет расти за счет соответствующего расстояния пружины.

Таким образом, все приведенные выше модели можно разделить на классы. Среди них можно выделить класс сред, деформация которых возрастает с течением времени при постоянном напряжении по линейному закону, – модели Максвелла, Сен-Венана, Бингама-Шведова. Возрастание деформаций в таких моделях ограничено только продолжительность действия силы. Другой класс образует модели, деформация которых возрастает по экспериментальному закону, – модели Фойгта, Пойтинга-Томсона и обобщенная линейная среда. Возрастание деформации в таких средах ограничено, предельное значение деформации зависит от величины нагрузки и констант вещества.

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.

Для каждого вида приложенных напряжений существует свой коэффициент пропорциональности между напряжениями и упругими деформациями; он является параметром породы, оценивающим ее упругие свойства.

Коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением (сжимающим или растягивающим) и соответствующей ему относительной продольной деформацией и называется модулем упругости (модулем Юнга) Е:

Коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и соответствующей деформацией сдвига носит название модуля сдвига G:

Модуль упругости Е и модуль сдвига Gсчитаются основными упругими характеристиками породы.

Пользуются и другими упругими параметрами пород. В случае объемного напряженного состояния породы связь между напряжением и относительным изменением объема выражается через модуль всестороннего сжатия :

Для рыхлых пород пользуются понятием модуля одностороннего сжатия М— коэффициентом пропорциональности между продольным напряжением и соответствующей ему деформацией при расположении пробы в цилиндре с жесткими стенками.

Широко применяют также еще один упругий параметр — коэффициент Пуассона , являющийся коэффициентом пропорциональности только между деформациями — относительными продольными и относительными поперечными

Коэффициент Пуассона — величина безразмерная. Он связан с величинами Е и G уравнением

Для изотропных тел достаточно знать лишь два упругих параметра, другие параметры могут быть вычислены по соотношениям теории упругости.

Чаще всего в качестве основных параметров экспериментально определяют и используют в расчетах модуль упругости и коэффициент Пуассона.

Если образец породы испытывает объемное напряженное состояние, необходимо учитывать деформации и напряжения во всех направлениях. Такое состояние образца породы может выражаться обобщенным законом Гука

Аналогично может быть описано состояние породы, если на все ее плоскости действуют касательные напряжения.

Модули упругости характеризуют жесткость пород, их способность сопротивляться внешним воздействиям. Величина, обратная модулю упругости, называется коэффициентом соответствующей деформируемости (податливости).

Породы, обладающие большими значениями модуля упругости, как правило, имеют малую зону пластических деформаций, т. е. происходит хрупкое разрушение пород. Поэтому энергия разрушения W породы с большим значением Е часто меньше энергии разрушения породы с небольшим значением Е и высокой пластичностью.

Удельная энергия упругой деформации или хрупкого разрушения равна (рис. 14):

В зависимости от целей использования упругих параметров их определяют статическим или динамическим способом. Статические свойства характеризуют породу при довольно длительных процессах воздействия на нее нагрузки, в то время как динамические свойства характеризуют ее при мгновенных воздействиях (взрывание, ударное бурение и т. п.).

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.

Читайте также: