Петрофизика. Физико-механические свойства горных пород

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Компоненты напряжений, действующих на элемент горной породы.

2. Существуют три взаимно перпендикулярные главные оси тензора напряжений, относительно которых тензор имеет вид:

σ1, σ 2,σ3 - главные напряжения:

σx+ σy+ σz = σ1+ σ2+ σ3

(6.1)

(6.2)

2. Всестороннее сжатие.

σx=σy=σz=σ.

- коэффициент объемного сжатия элемента горной породы.

∆Vобр - изменение объема образца при изменении пластового давления на ∆P.

(6.4)

(6.5)

(6.6)

(6.7)

Для нефтесодержащих пород:

=(0.3-2)10-10 Па-1.

Для жидкости:

Для пресной воды:

∙10-10 Па-1.

Для нефти в пластовых условиях:

(7-30)10-10 Па-1.

В теории упругого режима пласта:

β*= βж + βс

- коэффициент упругоемкости пласта.

(6.8)

(6.9)

(6.10)

(6.11)

1)

2)

3)

m

- формула В.Н. Николаевского.

- коэффициент сжимаемости образца;

t = 0— мгновенное нагружение,
t = ∞ — длительное. 0

Глины: σs=10-15%σсж, песчаники, доломиты, известняки: σs=70-75% σсж.

σs – предел упругости;
σсж. – разрушающее напряжение

Связь напряжений и деформаций горных пород с пределами:
– упругости (точка В);
– пластичности (точка Д);
– прочности (точка Е).
Точка С соответствует началу пластических деформаций на отрезке ВД.

Когда напряжение превышает предел упругости, тело Гука начинает разрушаться или пластически течь, переходя в тело Сен-Венана.

У песчаников прочность σs=500 атм, известняков σs=3500 атм.

Такой большой диапазон обусловлен:
-   кристаллической и агрегатной структурой горной породы,
-   плотностью,
-   составом,
- характером распределения цементирующего материала.

Один и тот же тип породы на разных глубинах и в разных географических районах может иметь разные механические свойства и прочность.

Горные породы оказывают:
∙ наибольшее сопротивление сжатию,
∙ наименьшее – растяжению (в 67 раз меньше, чем сжатию),
∙ изгибу – в 4-6 раз меньше,
∙ срезу в 2-4,5 раз меньше,
∙ разрыву в 10-100 раз меньше.

Пластичность. Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки могут вести себя и как хрупкие, и как пластичные тела.

При растяжении, изгибе, одноосном сжатии пластические свойства почти не проявляются.

При всестороннем сжатии многие горные породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают пластические свойства (однако, чаще горные породы ограниченно пластичны).

Механизм пластических деформаций:

∙    вследствие межзерновых движений и явлений перекристаллизации;
∙   отдельные зерна могут двигаться независимо друг от друга

больше

уменьшается

наиболее прочны

- Прочность известняков и песчаников после проникновения воды на 25-30%.

- Мелкозернистые породы , что необходимо учитывать при проектировании буровых, взрывных и других работ, связанных с разрушением породы.

В песчаниках, известняках и доломитах пластические деформации могут возникнуть из-за появления микротрещин, позволяющих отдельным участкам пластов скользить и перемещаться вдоль плоскостей трещин.

Какова бы ни была природа ползучести и пластических деформаций – это происходит даже на сравнительно небольших глубинах.

На практике – с течением времени нарушенное поле естественных напряжений вокруг горных выработок и скважин восстанавливается, и давление, например, на обсадные колонны после окончания бурения долго возрастает, что объясняется проявлением ползучести и пластичности горных пород.

На практике - для определения предельных нагрузок на долото при бурении.

Твердость горных пород зависит от:
1)      пористости
- с увеличением пористости ,

уменьшается

увеличивается (в 2-2,5 раза с увеличением всестороннего давления до 1000атм),

увеличивается

уменьшается

2) глубины залегания
-

3)      сцементированности породы
- с увеличением карбонатности ,

4)      водонасыщенности
- с увеличением в породе .

Все горные породы делятся по крепостям на 5 групп:
1)   весьма крепкие,
2)   крепкие,
3)   ломкие,
4)   мягкие,
5) рыхлые и сыпучие.

Численно крепость характеризуют коэффициентом крепости:

A – работа разрушения горной породы, V – объем разрушения.

В Башкирии, например, коэффициент крепости лежит в пределах:

Наиболее крепкие породы – известняки и доломиты, наиболее рыхлые – песчаники.

Способность к набуханию характеризуется:
1)   увеличением объема образца (в % к начальному объему породы);
2)   влажностью набухшего образца;
3) давлением, развиваемым набухшим образцом.

Набухание глинистых коллекторов приводит иногда к значительному снижению проницаемости.
В промысловой практике размокание глин может привести к обвалам, так как глины распадаются на мелкие чешуйки.