Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский политехнический университет»

ФИЗИКА РАЗРУШЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Допущено Учебно-методическим объединением вузов

Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве

учебного пособия для подготовки дипломированных специалистов

по специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин»

направления 130500 «Нефтегазовое дело»

В.Д. Евсеев

Издательство ТПУ

Томск 2004



УДК 622.24

Е42

Евсеев В.Д.

Е42 Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин: Учебное пособие. - Томск: Изд.- во ТПУ, 2004. - 151 с.

В учебном пособии рассматриваются особенности строения горных пород. Уделено внимание изложению основ реологии, математическому описанию деформационного поведения горных пород, находящихся в различных напряженных состояниях. Рассматриваются физические аспекты разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин: действие статических и динамических нагрузок, влияние забойных условий, параметров режима бурения.

Предназначено для студентов очного и заочного обучения направления 130500 «Нефтегазовое дело», будет полезно студентам других направлений и специальностей, обучающихся в институте геологии и нефтегазового дела ТПУ.



УДК 622.24

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета

Рецензенты

Доктор физико-математических наук,

заведующий лабораторией структурно-неоднородных сред

ИФПМ СО РАН, (г. Томск)

П.В.Макаров

Начальник ПТО ОАО «Нефтепромбурсервис»

А.С. Бубнов

© Томский политехнический университет, 2004

© Оформление. Издательство ТПУ, 2004



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ГОРНАЯ ПОРОДА - ОБЪЕКТ РАЗРУШЕНИЯ

1.1 Характеристика сил связи в структуре горной породы

1.2 Классификация горных пород академика Сергеева Е.М

1.3 Твердая компонента горной породы

1.4 Жидкая компонента горной породы

1.4.1 Состояние воды в горной породе

1.5 Пористость и проницаемость горных пород

1.6. Горная порода как многокомпонентная система

2. ГОРНАЯ ПОРОДА - СПЛОШНАЯ СРЕДА

2.1 Напряженно-деформированное состояние горных пород

2.1.1 Напряженное состояние в «точке»

2.1.2. Вектор перемещения и деформированное состояние в «точке»

2.2 Инвариантные соотношения для напряжений и деформаций при различных напряженных состояниях

2.3. Энергия изменения формы и объёма при деформировании

2.4 Геометрическая интерпретация напряженного состояния

3. РЕОЛОГИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

3.1 Аксиомы реологии. Виды идеальных деформаций

3.2 Сложные реологические тела

3.2.1 Упругопластическое тело Прандтля

3.2.2 Вязкоупругое тело Максвелла, ползучесть и релаксация напряжений

3.2.3 Тело Пойнтинга-Томсона

3.3 Особенности ползучести горных пород

3.4 Реологические параметры, модули деформации и их определение

3.4.1 Модуль Юнга - модуль продольной упругости

3.4.2 Коэффициент поперечной деформации

3.4.3 Коэффициент объемного деформирования

4. ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ

4.1 Механическая теория прочности Кулона

4.2 Механическая теория Кулона-Навье

4.3 Энергетическая теория прочности Гриффита А.А.

4.3.1 Эффект Иоффе А.Ф.

4.3.2 Эффект Ребиндера А.П. 1

4.4 Кинетическая теория прочности

5. ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗЛИЧНЫХ НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЯХ

5.1 Развитие разрушения и определение прочности при одноосном растяжении и сжатии образцов горных пород

5.1.1 Определение прочности при одноосном растяжении

5.1.2 Определение прочности при одноосном сжатии

5.1.3 Влияние трения на торцовых поверхностях на разрушение образцов и их прочность

5.1.4 Влияние жесткости системы нагружения на развитие разрушения

5.2 Разрушение образцов горных пород при трехосном сжатии

5.2.1 Разрушение образцов горных при всестороннем равнокомпонентном сжатии

5.2.2 Разрушение образцов при осесимметричном трехосном сжатии. Дилатансия

6. ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ГОРНУЮ ПОРОДУ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ ПРИ БУРЕНИИ

6.1 Особенности разрушения образцов горной породы при динамическом приложении нагрузки

6.1.1 Локальное импульсное механическое воздействие наповерхность твердого тела

6.1.2 Показатели динамических свойств горных пород

6.1.3 Формы разрушения

6.1.4 Природа динамического действия шарошечного долота

6.1.5 Природа динамического действия лопастного долота

6.2 Разрушение образцов горной породы при статическом вдавливании инденторов

6.2.1 Определение твердости горных пород

6.2.2 Особенности разрушения горных пород при вдавливании инденторов

6.2.3 Дилатансионный механизм разрушения

6.2.4 Стимулирование разрушения горной породы при вдавливании индентора

6.3 Разрушение горной породы забоя скважины сдвигом

7. ЭНЕРГЕТИКА ДРОБЛЕНИЯ ШЛАМА НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ И ОЧИСТКА ЗАБОЯ

8. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА БУРЕНИЯ И ЗАБОЙНЫХ УСЛОВИЙ НА РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

8.1 Параметры режима бурения и показатели работы долот

8.2 Влияние параметров режима бурения на механическую скорость

8.2.1 Влияние осевого усилия 3

8.2.2 Влияние частоты вращения долота

8.2.3 Влияние интенсивности промывки забоя скважины

8.3 Взаимосвязь параметров режима бурения и технико-экономических показателей

8.4 Влияние забойных условий на разрушение горных пород при бурении

8.4.1 Влияние гидростатического давления

8.4.2 Влияние гидродинамического давления

8.4.3. Влияние дифференциального давления

8.4.4 Влияние угнетающего давления

8.4.5 Влияние параметров бурового раствора на изменение механической скорости бурения



ВВЕДЕНИЕ

Разрушение горных пород забоя при бурении скважины происходит в условиях действия многочисленных факторов. К этим факторам следует отнести рост с увеличением глубины скважины геостатического давления, присутствие бурового раствора в зоне разрушения горных пород, наличие высокого гидродинамического давления в скважине и наличие пластового (порового) давления в разрушаемой горной породе, увеличение температуры горной породы с глубиной скважины. Сюда же следует отнести и то, что горная порода забоя скважины испытывает различные нагрузки: cтатические, динамические, циклические со стороны бурового раствора и породоразрушающего инструмента. В последнем случае породоразрушающие элементы вооружения (зубцы шарошечного долота, например) не только наносят удар по забою, в результате которого в глубь породы забоя и по его поверхности распространяются различные по природе волны, отражающиеся от многочисленных адгезионных границ, внедряются в него, создавая под пятном контакта сложное напряженное состояние сжатия, срезают слой горной породы забоя тангенциальной нагрузкой. Эффективным разрушение горной породы на забое скважины будет только тогда, когда естественное развитие разрушения горной породы на забое при действии породоразрушающего инструмента будет искусственно усиливаться деятельностью буровика, сознательно управляющего процессом разрушения. Последнее возможно только в том случае, когда у буровика имеется понимание того, как происходит разрушение горной породы на забое скважины при действии породоразрушающего инструмента.

Для приближения к этой цели необходимо знать основы математического описания напряженно-деформированного состояния горных пород, находящихся под нагрузкой, деформационное поведение горной породы при механическом нагружении, основы реологии. Необходимо отчетливо понимать различие в развитии трещин в горных породах, подверженных сжимающими и растягивающими усилиями, понимать механизмы влияния бурового раствора на развитие разрушения и пр. Между тем, в учебниках, рекомендуемых для изучения дисциплин «Физика разрушения горных пород», «Разрушение горных пород при бурении скважин», этим вопросам уделено недостаточно внимания. Данное пособие призвано восполнить этот пробел.

При написании учебного пособия принималось во внимание, что студенты освоили дисциплины «Высшая математика», «Физика», «Инженерная геология», «Механика сплошной среды» учебного плана подготовки бакалавра техники и технологии направления 130500 «Нефтегазовое дело».



1. ГОРНАЯ ПОРОДА - ОБЪЕКТ РАЗРУШЕНИЯ

Модель горной породы необходимо создавать в соответствии с изучаемой проблемой, т.е. сохранять в модели только те свойства горной породы, которые имеют непосредственное отношение к исследуемому вопросу. Так как нас интересует механическое разрушение горных пород, то и обращать внимание, определяя понятие «горная порода», мы будем на то, что оказывает определяющее влияние на развитие разрушения.

Горная порода - это гетерогенная система, состоящая из частиц твердой фазы, представленной минералами-диэлектриками, полупроводниками, проводниками, жидкой фазы, создающей токопроводящие каналы между частицами твердой, жидкой и газовой фаз, находящихся в порах и полостях трещин.

1.1 Характеристика сил связи в структуре горной породы

В гетерогенных системах, какими и являются горные породы, различают силовые взаимодействия как внутри фаз, так и между фазами. Эти взаимодействия между зернами твердой компоненты и внутри них определяют устойчивость горной породы к механическим воздействиям: сопротивляемость пород разрушению.

Между компонентами горной породы действуют следующие силы: силы связи химической природы, молекулярные силы, ионно-электростатические силы, капиллярные и магнитные силы.

1) Силы связи химической природы. Эти силы обусловлены электрическим воздействием между атомами и могут быть ионными и ковалентными. Образование ионных сил вызвано электроотрицательностью взаимодействующих атомов, их способностью захватывать электроны «в личное пользование». При образовании ионной силы валентные электроны от атома с меньшей электро-отрицательностью переходят к атому с большей электро-отрицательностью с образованием двух противоположно заряженных ионов, между которыми возникает связь за счет кулоновского притяжения.

Ковалентные силы между различными атомами возникают в том случае, когда происходит обобществление электрона различными атомами.

Энергия связи (количество энергии, выделяющейся при образовании данной связи между атомами) сил химической природы достигает 200 - 1200 Дж/моль. Радиус эффективного действия (3 - 4)10^-10 м, т.е. эти силы являются близкодействующими.

К связям химической природы относят и водородную связь. Она возникает тогда, когда между двумя отрицательно заряженными ато-мами вещества появляется атом водорода. Такая связь характерна для водородосодержащих соединений. Энергия этой связи достигает 40 Дж/моль.

2) Молекулярные силы. Эти силы обусловлены следующими видами взаимодействия молекул:

* ориентационными, возникающими между полярными молекулами;

* индукционными, возникающими вследствие поляризации неполярных молекул в электрическом поле, создаваемом полярными дипольными молекулами;

* дисперсионными, возникающими при взаимодействии электронов молекул.

Молекулярные силы являются дальнодействующими: действуют на расстоянии нескольких тысяч ангстрем. Энергия связи этих сил достигает 0,4 - 12 Дж/моль.

При расстояниях, меньших (1 ч 2)·10^-10 м, молекулярные силы из притягивающих становятся отталкивающими. Это вызвано взаимодействием электронных оболочек атомов.

3) Электростатические силы. Эти силы возникают вследствие появления, по той или иной причине, на поверхности минералов электрических зарядов, взаимодействующих между собой по закону Кулона. Наиболее характерны эти силы для глинистой горной породы: представляют собой взаимодействие катионов-компенсаторов, находящихся в жидкой фазе, и заряженной поверхности глинистых минералов. В глинистой горной породе заряжение поверхностей глинистого минерала происходит вследствие изоморфизма. (Изоморфизм - это способность атомов, молекул твердого тела замещаться атомами или молекулами другого тела).

4) Капиллярные силы. Своим происхождением эти силы обязаны капиллярному давлению, которое возникает из-за искривления поверхности жидкости. Возникает капиллярное давление на границе раздела жидкой и газообразной компонент горной породы.

Форма поверхности жидкости возле твердого тела (на твердом теле) определяется кривизной поверхности h = (dS/dV) / 2, где S - площадь поверхности тела, V - объём тела, и характером смачивания. Кривизна поверхности может быть положительной и отрицательной. В соот-ветствии с этим различают положительное капиллярное давление (для выпуклой поверхности) и отрицательное капиллярное давление (для вогнутой поверхности).

Величина капиллярных сил f определяется зависимостью f = 2рrг_ж, где r - радиус частицы, г_ж - поверхностное натяжение жидкости.

5) Магнитные силы. Эти силы возникают в горной породе, которая содержит ферромагнетики. Чаще всего эти силы возникают в глинистой горной породе при наличии в ней гематита, гетита, гидрометита, образующих на поверхности глинистых минералов тонкие пленки. Эти пленки обладают жестким магнитным моментом. Величина магнитных сил незначительна.

Перечисленные выше силы обеспечивают прочность адгезионного соединения разнородных минералов в структуре породы и когезионную прочность однородных минералов. Адгезия обеспечивает между двумя телами контакт определенной прочности благодаря физическим или химическим силам связи. Когезией, строго говоря, называют межатомное, межмолекулярное взаимодействие различной природы внутри отдельной фазы. Когезионным соединением является и соединение однородных тел. Следует, однако, иметь в виду, что если поверхность соединяемых однородных тел загрязнена третьим телом (адсорбированные молекулы газа, пленка жидкости и пр.), то такое соединение следует считать адгезионным.

Разрыв адгезионного соединения, разрыв однородного тела определяют адгезионную и когезионную прочности, соответственно.

Работа когезии W_к определяется затратами энергии на получение единицы площади свежей поверхности тела и равна удвоенной величине удельной свободной поверхностной энергии разрушаемого тела ?_o:

W_?--=--2g_o.

Появление цифры два в формуле связано с тем, что при разрыве тела возникают две свежие поверхности. Величину W_к часто называют когзионной прочностью на разрыв.

Адгезионная прочность (работа адгезии) W_а характеризует прочность адгезионного соединения и может быть выражена аналогичной по виду формулой

W_?--=--2g^o,

где g^o - работа, затраченная на получение единицы свежей поверхности адгезионного соединения.

1.2 Классификация горных пород академика Сергеева Е.М.

В основе классификации лежит характер связи между частицами твердой фазы. Все горные породы по этому признаку делятся на два класса: скальные и дисперсные.

В классе скальных горных пород находятся породы, у которых химическая связь действует не только внутри зерен минералов, но и между зернами минералов. Это приводит к тому, что когезионная прочность минералов, входящих в состав скальной горной породы, не превосходит прочность адгезионной связи между минералами. Такие породы именуют связными. Они имеют большую прочность.

Влияние жидкостей на прочность скальных пород проявляется только в процессе их нагружения, когда жидкость либо проникает в глубь растущей трещины и оказывает влияние на разрыв связей в её вершине, либо оказывается защемленной в изолированных порах. К классу скальных горных пород относятся метаморфические (гнейсы, сланцы, амфиболиты и др.), магматические (граниты, базальты, диориты, габбро, порфириты и др.), осадочные сцементированные породы (песчаники, известняки, доломиты, брекчия и др.).

Дисперсные горные породы имеют слабую адгезионную границу между зернами минералов. Это связано с тем, что на этой границе действует физический тип связи между минералами (магнитные, электростатические, капиллярные силы), а внутри минералов действуют силы химической природы. Дисперсные горные породы часто именуют слабосвязными. Горные породы этого класса теряют устойчивость и прочность при попадании в них воды вследствие ослабления физического типа связи между минералами. В классе дисперсных горных пород находятся осадочные несцементированные породы, глины, аргиллиты, глинистые песчаники.

1.3 Твердая компонента горной породы

Твердая компонента горных пород состоит из минеральных частиц различной природы. Основное участие в строении твердого скелета горных пород принимают несколько десятков минералов, хотя общее их количество достигает 2000. Эти минералы получили название породообразующих. Породообразующие минералы имеют кристаллическое строение и делятся на следующие группы: первичные силикаты (кварц, полевые шпаты, оливин, пироксены и др.), в структуре которых преобладают ковалентные связи; простые соли (карбонаты, сульфаты, галоиды) с преобладанием в структуре ионных связей; глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда и др.) с несколькими видами связей; органическое вещество.

Силикаты являются главными породообразующими минералами магматических, метаморфических и большого числа осадочных горных пород. Силикаты являются диэлектриками. Среди осадочных горных пород широко распространены простые соли. Их основной особенностью является большая растворимость в воде. Это связано с ионным типом внутрикристаллических связей.

Глинистые минералы, образованные в процессе химического выветривания горных пород силикатной группы, отличаются высокой дисперсностью (линейный размер глинистого минерала - 10^-6 м и менее, удельная поверхность каолинита достигает 10 м²/г, а монтмориллонита - 800 м²/г) и слоисто-ленточным строением. Но главнейшей особенностью глинистых минералов является их способность к электрическому заряжению своей поверхности в результате изоморфизма.

При гетеровалентном изоморфизме с поверхности глинистого минерала уходит четырехвалентный ион кремния Si⁺⁴, а на его место из окружающей среды может прийти любой другой ион с меньшей или большей валентностью. В этом случае и возникает нарушение электронейтральности глинистого минерала. Чаще всего на поверхности образуется отрицательный электрический заряд, т.е. на место иона кремния приходят ионы меньшей валентности (Al⁺³, Ba⁺², Ca⁺² и др.). Величина заряда определяется интенсивностью изоморфных замещений и валентностью замещающего иона. По величине структурного отрицательного заряда глинистые минералы располагаются в следующей последовательности:

каолинит < монтмориллонит < гидрослюда.

В естественных условиях залегания глинистой горной породы отрицательный заряд поверхности глинистых минералов нейтрализован катионами-компенсаторами, которые располагаются на внешней поверхности глинистой частицы: положительные катионы, с одной стороны, и отрицательные заряды глинистой частицы, с другой стороны, образуют двойной электрический слой. Двойной электрический слой состоит из адсорбционного и диффузионного слоев ионов.

Глинистый минерал вместе с возникшим двойным электрическим слоем образует мицеллу, размер которой значительно превосходит размер частицы глинистого минерала, являющегося ядром мицеллы. В результате мицелллообразования объем глинистой горной породы при увлажнении может увеличиться многократно, причем процесс набухания развивается во времени. Размер мицеллы определяется природой глинистого минерала: чем больше величина структурного отрицательного заряда на поверхности глинистого минерала и выше дисперсность, тем больше прирост объема.

В водной среде вокруг ядра возникает раствор с аномальными физическими свойствами: в адсорбционной части двойного электрического слоя, т.е. непосредственно около ядра мицеллы, образуется прочно связанная вода. В диффузионном слое возникает связанная вода.

Образование связанной воды приводит к тому, что глинистая горная порода, будучи высокопористой (пористость доходит до 70 %), тем не менее, является водонепроницаемой. Фильтрация жидкости через поры, в которых находится связанная вода, возможна только при создании значительного перепада давления.

Образование двойного электрического слоя и развитие электрокинетических процессов обеспечивает значительное снижение прочности глинистой горной породы в водной среде, в этих условиях ярче проявляется склонность глин к текучему поведению. Способность глинистых минералов образовывать электрический заряд на своей поверхности приводит к тому, что даже 5 % _го содержания глинистых минералов в дисперсной горной породе достаточно для того, чтобы эта порода проявляла свойства глины. Это характерно, в частности, для водонефтеносных песчаников.

Плотность горных пород в значительной степени определяется плотностью входящих в их состав минералов, жидкости и газа, находящихся в порах, величиной пористости. Плотность с_т твердой компоненты большинства горных пород (масса единицы объема твердой фазы) составляет (2,2 - 2,84)10³ кг/м³. Масса единицы объема горной породы с (плотность) всегда меньше плотности с_т минерального скелета породы. Такое отличие обусловлено наличием пор в горной породе. С увеличением содержания в породе тяжелых минералов плотность породы растет. Плотность сухой горной породы называется объемной массой.

Вес единицы объема твердой фазы горной породы называется удельным весом? г_ув породы, а вес единицы объема сухой породы - объемным весом г_ов. Удельный вес горной породы и ее плотность связаны соотношением г_ув = g·с_т, где g - ускорение свободного падения. Плотность горных пород определяет величину геостатического давления, действующего в точке, расположенной в литосфере на рассматриваемой глубине от дневной поверхности.

1.4 Жидкая компонента горной породы

Жидкая фаза в горной породе представлена как полярной, так и неполярной жидкостями. В естественных условиях залегания горные породы обводнены поровыми, пластовыми, карстовыми и пр. водами, минерализованными различными солями и в различной концентрации. В качестве неполярной жидкости выступает нефть, газоконденсат. Физические свойства этих жидкостей различны. В качестве примера приведем некоторые физические свойства чистого керосина и дистиллированной воды при комнатной температуре (табл. 1).



Таблица 1

Сравнение физических свойств керосина и воды

Физические показатели	Керосин	Вода
Дипольный момент, м?1018, эл.-ст.ед.?см	0	1,84
Относит.диэлектрич. проницаемость, е	2,0	81
Поверхностное натяжение, г·10-3, дж/м2	26,8	72,7
Плотность,? с?103, кг/м3	0,82	1,0
Электропроводность, ?ж, См/м	10-14	10-8
Вязкость, з?102, Па?с	1,5	1,0

Нефть и вода, находящиеся в горной породе, имеют физические характеристики, отличающиеся от приведенных в табл.1. Но если для нефти эти изменения невелики, то для воды могут достигать больших значений. Например, электропроводность свободной воды в горной породе в значительной степени зависит от концентрации ионов в ней и изменяется в широком диапазоне: от 10^-3 до 10³ См/м.

1.4.1 Состояние воды в горной породе

Вода в горной породе в зависимости от температуры находится в твердом (лед), жидком и парообразном состояниях. Влияние льда на разрушение горной породы достаточно очевидно: при замерзании вода, находящаяся в трещинах горной породы, увеличивает занимаемый ею объём. Это и приводит к прорастанию трещин в горной породе, способствует её разупрочнению.

Так как при температуре 364 ^оС вода при любом давлении находится в парообразном состоянии, то нижняя граница распространения подземной воды располагается на глубине (10 ч 12) км. Это означает, что при бурении скважин до указанной глубины вода в жидком состоянии будет присутствовать в горной породе и оказывать воздействие на разрушение. Влияние воды на разрушение горной породы определяется в значительной степени напряженным состоянием, в котором находится горная порода, состоянием воды в ней, от взаимодействия в системе «вода - горная порода».

Состояние воды в горной породе в значительной степени определяется характером ее взаимодействия с твердой компонентой породы. По характеру этой связи воду в горной породе делят на два вида: свободную и связанную. Свободная вода представляет собой водные растворы продуктов растворения твердой компоненты горной породы. Различают гравитационную и иммобилизованную свободную воду. Гравитационная вода движется через толщу горных пород под действием силы тяжести. Иммобилизованная вода - это та же гравитационная (по своим физическим свойствам), но находится она в замкнутых, изолированных порах, ограничивающих перемещение воды.

В основе связывания воды лежат процессы физической адсорбции и капиллярной конденсации. Адсорбированная вода наиболее прочно удерживается на поверхности минералов под действием электростатических и молекулярных сил. Первый слой воды, непосредственно взаимодействующий с минералом, образует прочно связанную воду. Физические свойства этой воды резко отличаются от свойств свободной воды, приведенных в табл. 1. Второй, третий и далее слои образуют слабо связанную воду, физические свойства которой также отличаются (хотя и в меньшей степени) от свойств свободной воды. Соответственно этому и влияние воды на разрушение горной породы будет различным.

Прочно связанная и связанная воды имеют следующие особенности физических характеристик (сравнительно с характеристиками свободной воды): дипольный момент воды не изменяется, значение относительной диэлектрической проницаемости приближается к величине диэлектрической проницаемости неполярной жидкости. Поверхностное натяжение незначительно снижается, плотность возрастает до максимального значения 1,84 г/см³, вязкость резко возрастает.

Содержание водяного пара в горной породе незначительно. При понижении температуры горных пород происходит конденсация пара на поверхности минералов, слагающих горную породу. При этом в ней появляется прочно связанная, связанная и свободная вода.

Все количество воды, содержащееся в горной породе в ее естественном залегании, определяет величину естественной влажности породы. Она определяет эффективность влияния воды на разрушение горной породы: с ростом доли связанной воды в горной породе (в общем ее количестве в породе) влияние воды на разрушение снижается.

1.5 Пористость и проницаемость горных пород

Пористость - одна из важнейших структурных характеристик горных пород, характеризует величину объема пор в единице объема породы.

Пористость характеризуется двумя показателями:

* общая пористость

n = V_пор / V_обр,

где V_пор - объём пор, V_обр - объём образца,

V_обр = V_пор + V_твч,

V_твч - объём, занимаемый твердыми частицами в горной породе;

* коэффициент пористости

e = V_пор / V_твч .

Величина общей пористости n и коэффициент пористости e связаны между собой соотношением

n = e / (1 + e).



Коэффициент пористости e связывает между собой объемную массу горной породы и ее плотность:

с_о = с(1 + e).

По величине поры горных пород разделяются на субкапиллярные (диаметр пустот не превышает величины 0.2 мкм), капиллярные (диаметр пустот 0.2 - 100 мкм), сверхкапиллярные (диаметр пустот более 100 мкм). Пористость горных пород изменяется в больших пределах: (0 ч 90) %. Высокой пористостью обладают осадочные горные породы. В среднем же пористость горных пород равна (1,5 ч 30) %.

Различают пористость активную и пассивную.

Под активной пористостью понимают такую, через поры которой жидкость способна проникать в глубь тела (открытая пористость).

Пассивная пористость - это пористость породы, поры которой недоступны для проникновения жидкости (закрытая пористость).

На разрушение горной породы влияние оказывает и активная, и пассивная пористость, причем в процессе механического нагружения доля активной и пассивной пористости в величине общей пористости породы постоянно изменяется. Влияние пористости на разрушение горных пород в значительной степени определяется наличием или отсутствием жидкой фазы в породе.

Под проницаемостью понимают свойство горных пород пропускать сквозь себя жидкость, газы при наличии перепада давления. Когда исследуется способность воды проходить через горную породу, то говорят о водопроницаемости.

Величина пористости горных пород в значительной степени определяет их водопроницаемость. Наиболее важными факторами, влияющими на водопроницаемость, является геометрия поровых каналов (размер пор и их извилистость), величина раскрытия трещин, свойства водных растворов (вязкость, поверхностное натяжение, плотность при изменении концентрации ионов), дисперсность и минеральный состав горных пород, гидрофильность или гидрофобность поверхностей поровых каналов и трещин.

Необходимо хорошо понимать, что увеличение пористости горных пород не всегда приводит к росту их водопроницаемости. Например, пористость глинистых горных пород доходит до нескольких десятков процентов, но это не обеспечивает роста их водопроницаемости. Причину этого мы уже знаем: образование двойного электрического слоя и связывание глинистыми минералами молекул воды в поровых каналах малого диаметра.

1.6 Горная порода как многокомпонентная система

Все компоненты в горной породе находятся в тесной взаимосвязи друг с другом и образуют физико-химическую систему с постоянно меняющимся по мере изменения внешних условий термодинамическим равновесием.

Различают следующие виды взаимодействия компонент горной породы друг с другом:

1) Химическое взаимодействие (растворение, гидролиз, окисление).

2) Физическое взаимодействие (ионный обмен).

Растворение - процесс перехода всех компонент твердой фазы в жидкую фазу (конгруэнтное растворение). В качестве жидкой фазы в горных породах чаще всего находится вода и её растворы. Растворимость минералов в воде увеличивается с уменьшением энергии связи кристаллической решетки.

Скорость растворения определяется величиной относительной диэлектрической проницаемости е растворителя (очевидно, что растворение минералов в воде и нефти различно) и зависит от скорости отвода возникающего раствора от растворяющейся поверхности: чем меньше скорость отвода, тем меньше и скорость растворения.

Большой растворимостью в воде обладает незначительное число пород и минералов (галогениды, ангидрит, гипс). Доломиты и известняки относятся к слаборастворимым породам. Основная масса горных пород считается практически нерастворимыми в воде. Это означает, что за период эксплуатации скважины растворение стенки скважины в буровом растворе на водной основе не вызовет значительного увеличения ее диаметра.

Растворимость значительно возрастает при циркуляции в породах водных растворов различных кислот. С увеличением содержания в воде углекислоты, например, растворимость карбонатных пород возрастает.

Гидролиз (инконгруэнтное растворение) - обменная реакция минералов с водой. Важной особенностью процессов гидролиза является то, что их протекание даже на первых этапах сопровождается образованием новой твердой фазы, отличной по составу от исходной (растворяющейся).

Гидролиз в горных породах является многостадийным процессом, приводит к распаду минералов и выносу из породы некоторых элементов в растворенном виде.

Особенностью гидролиза

2CaAl₂Si₂O₈ + 6H₂O = Al₄Si₄O₁₀(OH)₈ + 2Ca²⁺ + 4OH^-

является то, что при его реализации в растворе образуется группа OH^-, уравновешивающая заряд подвижных катионов. Чем больше катионов переходит в раствор при гидролизе, тем больше концентрация группы OH^- и тем выше значение pH этого раствора: гидролиз сопровождается образованием щелочи в растворе.

Развитие гидролиза в горной породе идет с участием газов и органического вещества, которые выступают в качестве кислотного нейтрализатора щелочности. Скорость реакции гидролиза зависит от величины pH, состава раствора, температуры, отношения поверхности взаимодействия к объёму раствора, проницаемости горной породы и скорости течения воды.

В основе окисления лежит взаимодействие твердой компоненты породы с кислородом, находящимся в жидкой фазе. В результате окислительной реакции возникают новые вещества, содержащие кислород. С ростом глубины кислорода в жидкой фазе становится все меньше и окисление затухает. При бурении скважины поступление кислорода на глубину обеспечивается буровым раствором. Это стимулирует возникновение окислительных реакций в горной породе, расположенной в околоствольном пространстве и на большой глубине.

Ионный обмен как физический тип взаимодействия компонент горной породы в наибольшей степени характерен глинистой горной породе. Связано это с образованием двойного электрического слоя около частиц глинистых минералов. Ионы адсорбционного и диффузного слоёв частиц глинистых минералов находятся в постоянном физико-химическом равновесии с ионами порового раствора. При изменении по той или иной причине состава порового раствора сразу же начинается ионный обмен между ионами двойного электрического слоя частиц и раствора: определенное количество ионов из раствора входит в состав двойного электрического слоя, а эквивалентное количество других ионов уходит с поверхности частиц в раствор. Общее количество ионов в горной породе, способных участвовать в обмене в данных условиях, характеризует емкость обмена породы. Она выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 грамм сухой породы.



2. ГОРНАЯ ПОРОДА - СПЛОШНАЯ СРЕДА

Под понятием «сплошная среда» понимается модель такого тела, которое, хотя и состоит из отдельных атомов, молекул, частиц, но занимает пространство непрерывным, сплошным образом, без разрыва сплошности. Горная порода, строго говоря, является дискретной системой. Поэтому лучшей моделью горной породы являлась бы модель, статистически описывающая взаимодействие различных частиц, входящих в её состав, с учетом физического типа взаимодействия между этими частицами. Такая модель горной породы в настоящее время не построена.

Поскольку размеры структурных элементов, входящих в горную породу (минералы, поры), много меньше любого рассматриваемого массива горной породы, то для описания закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния используются методы механики сплошной среды: рассматриваются напряжения и деформации в бесконечно малой области и, используя аппарат дифференциального и интегрального исчислений, переходят к рассмотрению напряжений и деформаций в теле большого объема.

2.1 Напряженно-деформированное состояние горных пород

2.1.1 Напряженное состояние в «точке»

Прежде всего поясним, что под «точкой» мы понимаем физически бесконечно малый объём горной породы. В дальнейшем этот объём мы часто будем представлять в виде куба, параллелепипеда.

При действии на горную породу механических усилий, в ней возникает напряженное состояние, которое характеризуется вектором напряжений . Численное значение напряжения определяется отношением



F / S,

где S - площадка внутри тела, на которую действует сила F. Под площадкой S понимается величина макроскопическая, но физически бесконечно малая.

Напряженное состояние в «точке» считается определенным, т.е. известным, если известна величина модуля вектора напряжений и направление его действия.

Для более детального описания напряженного состояния в «точке» в механике сплошной среды вводится понятие нормального у и касательного ф напряжений. Из рис. 1 легко уяснить себе, что они представляют собой в двумерном случае, т.е. на плоскости.

Рис.1. Физический смысл нормального и касательного напряжений

Определяя нормальное напряжение у , следует помнить, что в этом случае направление действия силы F совпадает с направлением единичного нормального вектора n_s к площадке S; при определении касательного напряжения ф сила F действует в плоскости площадки S, т.е. действует по направлению единичного вектора n_t, лежащего в плоскости площадки S (перпендикулярно нормали).

Суммарное действие нормального и касательного напряжений определяет направление действия вектора напряжений и его модуль ?:



S--=--n_s.s--+--n_t?t,

S--=--(s^2--+--t²)^_,5.

Напряженное состояние в «точке» 0 на площадке S определено, если известен вектор напряжения? У или известны составляющие напряжения, т.е. напряжения у и ф.

В трехмерном пространстве связь между составляющими напряжениями и компонентами вектора напряжений (проекции вектора напряжений S_x--,--S_y--,--S_z на оси координат X, Y, Z ) имеет следующий вид:

----------S_x--=--n_x.s_x--+--n_y.t_xy--+--n_z.t_xz;

S_y--=--n_x.t_yx--+--n_y.s_y--+--n_z.t_yz;

S_z--=--n_x.t_zx--+--n_y.t_zy--+--n_z.s_z.

Здесь n_x, n_y, n_z есть единичные вектора, направленные вдоль соответствующих осей координат,--s_x,--s_y,--s_z - нормальные напряжения, t_xy,--t_yz,--t_yz,--t_zx,--t_zy - касательные напряжения.

Из рис. 2 можно выяснить направление действия составляющих напряжений и порядок формирования нижних индексов: s_x,--s_y--,--s_z - нормальные напряжения, действующие на площадках Дx, Дy, Дz, перпендикулярных соответствующим координатным осям. Первый индекс в обозначении касательного напряжения указывает на принадлежность к соответствующей площадке, а второй - направление действия напряжения. Например, напряжение t_zy действует на площадке Дz и направлено параллельно оси Y.



Рис. 2. Физический смысл компонент тензора напряжений

Суммарное действие составляющих напряжений ?_x, ?_y, ?_z определяет величину модуля вектора напряжений и направление его действия

S--=--(S_x²--+--S_y²--+--S_z²)^_.5;

S--=--n_x^.S_x--+--n_y^.S_y--+--n_z^.S_z.

Девять составляющих напряжений определяет тензор напряжений T_н, который имеет вид матрицы

?????????????????????????????????????????

.

Между касательными напряжениями выполняются следующие равенства:

t_xy--=--t_yx--;--t_zx--=--t_xz--;--t_yz--=--t_zy .

Нормальные составляющие напряжения стремятся сократить (при сжатии), либо увеличить (при растяжении) линейные размеры деформируемого тела (стремятся изменить объем «точки», всего тела), касательные же составляющие напряжения стремятся сместить одну часть тела относительно другой (стремятся вызвать изменение формы «точки», тела), произвести сдвиговое разрушение тела.

Напряженное состояние в «точке» определено, если известны компоненты тензора напряжений.

Тензор напряжений имеет следующие инварианты (invarient - неизменный), т.е. такие алгебраические комбинации компонентов, которые не меняют своих значений при повороте осей тензора (осей координат):

I₁(T_?)--=--s_x--+--s_y--+--s_z;

I₂(T_?)--=--s_x.s_y--+--s_y.s_z--+--s_z.s_x-----t_xy²-----t_xz²-----t_yz²;

?????.

Величина

s_??--=--I₁(T_?)/3--=--(s_x--+--s_y--+--s_z)--/--3

определяет среднее нормальное (гидростатическое) напряжение в «точке» и вызывает изменение объёма этой «точки».

Напряженное состояние в «точке» можно представить в виде суммы двух напряженных состояний, описываемых шаровым тензором и тензором-девиатором:

T_н = T_н^ш + T_н^д.

Шаровым тензором называется тензор вида



,

он вызывает изменение только объёма «точки».

Тензор-девиатор T_н^д определяет величину отклонения от гидростатического состояния и имеет следующие компоненты:

??????????????????.

Легко убедиться в том, что первый инвариант тензора-девиатора равен нулю:

(s_x--?--s_??)--+--(s_y--?--s_??)--+--(s_z--?--s_??)--=--_.

Это означает, что объёмные деформации, вызываемые тензором-девиатором, равны нулю. Касательные напряжения тензора-девиатора вызывают изменения формы «точки».

Произвольное напряженное состояние, в котором находится тело, можно представить в виде суммы двух напряженных состояний: первое представляет собой гидростатическое сжатие тела напряжением ?_ср , а второе напряженное состояние наложено на первое и представляет собой состояние сдвига, обеспечиваемое тензором-девиатором напряжений.

Напряженное состояние в точке определено, если известны компоненты тензора напряжений T_н^ш и тензора-девиатора напряжений T_н^д.

В механике сплошной среды показывается, что любой тензор напряжений может быть приведен к самому простому виду:

где s₁,--s₂,--s₃ - главные нормальные напряжения. Они перпендикулярны друг другу и между ними выполняется неравенство s₁-->--s₂-->--s₃.