Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Физико-механические свойства горных пород. 4

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт нефти и газа (Нефтегазовое дело)

Кафедраa: Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений.

РЕФЕРАТ

По дисциплине

«Разрушение пород »

На тему: «Физико-механические свойства горных пород»

Выполнил: студент группы ДННБ-21б

Хазраткулов Абдулазиз.

Проверила: доц. Егорова. Е

Астрахань 2014

Содержание

1.ПЛОТНОСТЬ.

2.ПРОЧНОСТЬ .

3. УПРУГОСТЬ.

4. ПЛАСТИЧНОСТЬ.

5. ТВЕРДОСТЬ.

6. АБРАЗИВНОСТЬ.

7. ПРОНИЦАИМОСТЬ.

8. КРЕПОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД.

Введение

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.

Плотность

К ним относятся плотность, объемная масса, пористость, трещиноватость. Плотностью называется масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) горной породы. Плотность зависит, главным образом от плотности минералов, слагающих породу. Плотность основных породообразующих минералов в земной коре колеблется в диапазоне от 1900 до 3500 кг/м³. Плотность осадочных горных пород находится в пределах от 1850 до 3200 кг/м³ Чаще всего в геологических разрезах встречаются породы с плотностью от 1850 до 2700 кг/м³. Важным структурным фактором является объемная масса горной породы. Это масса единицы объема породы в ее естественном состоянии, то есть с минеральным скелетом, порами и трещинами. Объемная масса имеет то же значение, что и плотность монолитных (без пор и трещин) пород.

Для пористых пород объемная масса всегда меньше их плотности. Объемная масса пород, имеющих в порах и трещинах капельную жидкость, больше объемной массы сухих пород. Разница возрастает по мере роста пористости и минерализации пластовой воды. При увеличении глубины скважины за счет роста горного давления происходит уплотнение пород, смятие пор и пустот, поэтому объемная масса возрастает. Горные породы осадочного комплекса имеют объемную массу, равную 1800-2500 кг/м³, а насыщенные водой осадочные породы имеют объемную массу 2000-2700 кг/м³. С ростом глубины скважины увеличивается температура горных пород. Повышение температуры вызывает увеличение объема минерального скелета и пластового флюида, поэтому объемная масса несколько снижается.

В работе [5] было предложено плотностью называть осредненные значения объемной массы породы для значительных интервалов и даже полностью для геологического разреза. В таблице 2.1 приведены плотности основных осадочных пород.

Таблица 2.1 – Плотность осадочных пород [5]

Горная порода	Плотность, кг/м³	Горная порода	Плотность, кг/м³
Песчаники	2320-3200	Алевролиты	2340-3040
Глины	1850-2200	Известняки	2360-2980
Аргиллиты	2630-2860	Доломиты	2460-3190
Мергели	2370-2920	Каменная соль	2100-2200

Наиболее важным структурным признаком породы является пористость, определяемая наличием в ней пор, трещин (пустот).

Общая (абсолютная, физическая, полная) пористость характеризуется отношением объема пор к объему всей породы. Коэффициент общей пористости к_п есть отношение объема всех пор V_пор к полному объему образца породы V_обр, в долях или процентах

К_п = (2.2)

Известна также открытая пористость, которая учитывает сообщающиеся между собой поры. Она всегда меньше или равна общей пористости.

Динамическая (эффективная) пористость учитывает только часть объема открытых пор с движущимся пластовым флюидом. Пористость магматических и метаморфических пород весьма мала (0,8-1,2 %) [1]. Осадочные породы имеют большую пористость (таблица 2.2).

Таблица 2.2 – Общая пористость основных пород нефтяных и

газовых месторождений

Горные породы	К_п, %	Горные породы	К_п, %
Глины	0-62	Песчаники	0-53
Аргиллиты	0-25	Известняки	0-45
Глинистые сланцы	0,5-4	Доломиты	2,5-33
Пески	2-55	Алевролит	0-47

Как следует из таблицы, наибольшую общую пористость имеют глины, пески, песчаники, но у глины поры в основном закрытые, то есть не сообщающиеся друг с другом. Обломочные породы весьма пористы. С ростом глубины пористость обломочных пород уменьшается. Пористость зависит от формы и размеров зерен, степени их окатанности, уплотнения, цементирования обломков и зерен. Пористость пород-коллекторов нефтяных и газовых месторождений чаще всего находится в следующих пределах (%):

Пески 20-25

Песчаники 10-30

Карбонатные породы 10-20.

По происхождению поры, трещины могут быть первичными и вторичными. К первым относятся поры и трещины, образующиеся во время осадконакопления и формирования массива горных пород. Вторичные поры и трещины образовались в течение постдиагенетического изменения. В этом отношении наиболее характерными являются карбонатные породы, например, при доломитизации известняков образуется значительное количество пустот.

По размеру поровые каналы пород-коллекторов условно делят на три группы [4]:

- сверхкапиллярные – более 0,5 мм;

- капиллярные - 0,5-0,0002 мм;

- субкапиллярные – менее 0,0002 мм.

Структура порового пространства зависит от следующих факторов:

- степени трещиноватости;

- гранулометрического состава пород;

- характеристики цементации.

Измерения коэффициента полной пористости горных пород к_п основывается на следующем соотношении

(2.3)

где V_зерн – объем минерального скелета образца.

С учетом того, что масса образца складывается из слагающих его зерен, уравнение (2.3) может быть представлено так

(2.4)

где и суть плотности образца породы и плотности минерального

скелета.

Определение плотности [1, 3, 6].

Плотности горных пород определяется с помощью весов на основании того, что она равна массе пород, отнесенной к ее объему. Масса породы определяется или путем вытеснения воды в мерном сосуде или посредством гидростатического взвешивания. Последний из перечисленных методов включает подвешенную на гидростатических весах на тонкой проволоке образец пород, взвешенный на воздухе и при погружении его в воду. Объем вытесненной воды V_вв численно равен объему образца горной породы. Масса породы фиксируется при взвешивании образца на воздухе. Таким образом плотность горной породы равна

. (2.5)

Прочность

Прочность определяется способностью пород сопротивляться разрушению под действием нагрузок. Критические значения напряжений, при которых происходит разрушение породы, называют пределом прочности. Различают пределы прочности пород на одноосное сжатие , растяжение , изгиба , сдвига (среза) . При проходке глубоких скважин разрушение горных пород на забое происходит в условиях всестороннего сжатия, поэтому рассматривается также понятие «предел прочности при всестороннем сжатии [1, 5, 6, 8, 9]. В горнодобывающей промышленности применяется термин «крепость» как синоним понятия «прочность». Широко известен коэффициент крепости Протодьяконова М.М., определяемый отношением значения предела прочности породы при одноосном сжатии к 100. Наиболее простым видом определения прочности является одноосное сжатию, так как она проводится при простом напряженном состоянии, то есть < 0; - = 0. Этот метод является стандартным. Определение прочности проводят на гидропрессах. При подготовке образцов пород к опыту следует помнить что размер образца цилиндрической или прямоугольной формы должен быть близким к 40-50 мм с примерно одинаковыми размерами длины и диаметра для цилиндра и поперечными и продольными размерами для образцов прямоугольной формы.

Схема проведения опыта приведена на рисунке 2.1.

1 – образец породы; 2 – плиты пресса; 3 – стол гидропресса

Рисунок 2.1 – Установка для определения предела прочности на

одноосное сжатие

Образец породы 1 размещается на столе 3 гидропресса, нагружается давильной плитой 2 до разрушения. В опыте фиксируется максимальная нагрузка Р_max, соответствующая моменту разрушения образца породы. Предел прочности на одноосное сжатие рассчитывается как отношение разрушающей нагрузки Р_max к площади поперечного сечения образца F

. (2.7)

В опытах с хрупкими породами возможно определение таких упругих свойств как модуль продольной упругости при одноосном сжатии (модуль Юнга) и коэффициент Пуассона . При измерении изменений в продольном и поперечном направлении образца это решается так [5, 9]: предположим то, что в процессе опыта длина образца l уменьшилась на величину Δl, а поперечный размер d увеличился на Δd.

В этом случае коэффициент Пуассона равен

(2.8)

а модуль Юнга Е_сж рассчитывается по формуле

(2.9)

В таблице 2.3 приведена классификация горных пород по прочности на одноосное сжатие, разработанная в УГНТУ [5].

Таблица 2.3 – Классификация горных пород по прочности на

одноосное сжатие

Группы

Категории

, МПа

Группы

Категории

, МПа

Весьма слабые

< 4

4-6

6-10

Средней прочности

35-52

52-80

80-120

Слабые

10-15

15-23

23-35

Прочные

Очень прочные

120-180

180-270

< 270

УПРУГОСТЬ.

Упругость пород – это их способность восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия нагрузки. Упругая деформация полностью исчезает после снятия нагрузки. Это обратимая деформация. В идеально упругом теле деформации возникают мгновенно при действии нагрузки и быстро исчезают после ее снятия. Упругость пород является следствием взаимодействия атомов друг с другом. Различают упругую линейную деформацию, когда она прямо пропорциональна напряжению и упругую нелинейную деформацию. Упругие горные породы, как и другие твердые тела, подчиняются закону Гука. В них деформация пропорциональна силе, вызвавшей эту деформацию. Из осадочных пород только некоторые обладают упругостью. Минералы в основном упруги при любых видах приложения нагрузки. Отличие горных пород от упругих тел, подчиняющихся закону Гука, в основном в том, что для них характерны такие явления, как упругий гистерезис и упругое последействие [5, 6]. На рисунке 2.3 показана остаточная деформация ε_ост при гистерезисе и упругом последействии.

а б

Рисунок 2.3 – Упругий гистерезис и упругое последствие

При нагрузке и разгрузке пород, если нагружения проходило в упругой области, кривые Р=f(ε) не совпадают (рисунок 2.3 а), образуя характерную петлю упругого гистерезиса. В случае, если при деформации наблюдение за величиной остаточной деформации будет продолжено, то с течением времени она исчезнет, а образец восстановит свои размеры (рисунок 2.3 б). Это явление носит название упругого последствия. Упругие свойства горных пород характеризуются модулем продольной упругости, модулем сдвига, модулем объемной упругости, коэффициентом Пуассона. Физически модули упругости, модули сдвига и модули объемной упругости – это коэффициенты пропорциональности между напряжениями и упругими деформациями для соответствующего вида приложенных напряжений. Модуль продольной упругости или модуль Юнга Е – это коэффициент пропорциональности между нормальными сжимающими или растягивающими напряжениями σ и соответствующей им относительной продольной деформацией ε. Модуль продольной упругости называют еще модулем продольной упругости он равен

Е=σ/ε. (2.12)

Модуль сдвига G есть коэффициент пропорциональности между касательным напряжением τ и относительной деформацией сдвига δ.

G = τ/ δ. (2.13)

Деформация сдвига называют иногда угловой деформацией. Она характеризует изменения формы деформируемой при сдвиге (срезе) породы. Она равна

δ = , (2.14)

где λ – угол наклона каждого прямоугольного элемента породы после

деформации.

Объемный модуль упругости К (модуль всестороннего сжатия) пропорционален отношению напряжения при равномерном всестороннем сжатии к упругому относительному изменению объема образца

К= , (2.15)

где - относительное изменение объема.

Коэффициент Пуассона (коэффициент поперечных деформаций) μ есть мера пропорциональности между относительными продольными и относительными поперечными деформациями образца.

μ = . (2.16)

Все характеристики для упругих горных пород связаны между собой следующими уравнениями

G =; (2.17)

К= . (2.18)

5.4. ПЛАСТИЧНОСТЬ

Под пластичностью в общем случае понимают свойства твердых пород сохранять остаточную деформацию, возникшую под воздействием внешних сил, после прекращения их действия.

Пластичность проявляется тогда, когда напряжение превысило предел упругости, и предшествует разрушению. Пластические деформации в отличие от упругих непропорциональны величине деформирующего напряжения, а растут быстрее, например, пластилин или влажная глина. Если пластические деформации растут без роста давления, то тело идеально пластично и деформируется в режиме ползучести (режиме растекающегося масла). Если рассматривать поведение вещества за долгий промежуток времени, то текучим оказывается «твердый» битум, а за геологическое долгое время текучими оказываются многие горные породы. Горные породы по пластичности разделены на шесть категорий. К первой отнесены упруго-хрупкие породы. Ко второй–пятой категориям пластично-хрупкие породы, а шестую составляют высокопластичные горные породы. В табл. 23 приведена классификация осадочных пород по пластичности.

В недрах пластичными оказываются породы хрупкие на поверхности, потому что пластичность пород возрастает при растущих давлениях и температурах за геологически большие промежутки времени. Например, лед и сухая глина – хрупкие на поверхности, в тот же время на глубине несколько сот метров они пластичные. Этим обусловлено медленное течение ледников, галит на глубине более 500 метров выдавливается, образуя соляные купола и штоки.

Таблица 23

Классификация осадочных горных пород по пластичности

Категория горных пород

Коэффициент пластичности

1¸2

2¸3

3¸4

4¸6

Породы

Кремнистые, кварцевые песчаники

Сланцевые глины, глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, кремнистые породы

Глинистые сланцы и аргиллиты, известняки,

мелкозернистые доломиты, сульфатные породы,

песчаники кварцевые, алевролиты кварцевые

Известняки,

доломиты,

ангидриты,

песчаники кварцевые, алевролиты кварцевые

Известняки, доломиты

Глинистые мергели, известняки, доломиты

Пористые породы пластичны за счет деформации пор и выдавливания порового флюида. На глубинах в несколько километров, пластичность появляется у перекристаллизующихся в мрамор известняков, что видно на отдельных плитках мрамора на полу коридоров университета: в некоторых истертых ногами плитках проявляется сложная плойчатость, образовавшаяся в вязком состоянии. Песчаники, кварциты и даже граниты преобразуются в гнейсы с чертами слоистости, плойчатости и течения, сформировавшиеся когда началось частичное плавление и размягчение пород. Пластическая деформация может скомпенсировать внешнее давление, а если нагрузку снять, то деформация сохранится. На этом свойстве основана штамповка по металлу или пластмассы.

Пластичность также проявляется в релаксации напряжений в горных породах. Например, если образец горной породы зажать в тисках, деформируя на постоянную величину, находящуюся в пределах области упругой деформации, и оставить в таком положении на длительное время, то постепенно сила противодействия сжатой породы будет уменьшаться, а её деформация перейдет из упругой в пластическую. Вынув этот образец из тисков, мы обнаружим на нем вмятину (остаточную деформацию).

Еще одно важное проявление пластичности – это ползучесть горных пород, т.е. непрерывный рост деформации при постоянном нагружении. Она проявляется при продолжительном действии постоянной нагрузки, даже если напряжение в породе меньше предела упругости. Наглядной иллюстрацией этого является следующий опыт. Если на образец горной породы поставить гирю и оставить её на продолжительное время, а потом снять, на поверхности образца останется след. Из осадочных горных пород значительной ползучестью обладают глины, глинистые сланцы, аргиллиты, некоторые известняки. Ползучесть горных пород является одной из причин неустойчивости стенок скважин в процессе бурения, что серьезно затрудняет проводку скважины.

ТВЕРДОСТЬ

Под твердостью понимается способность тела (горной породы) оказывать сопротивление внедрению в него другого тела. Существуют различные методы определения твердости. В минералогии твердость –это относительная способность царапать один кристалл другим: какой кристалл царапает, тот тверже. На этом основана шкала относительной твердости Мооса. Более объективно твердость определяют по глубине царапины на кристалле от пирамидки алмаза под определенным давлением. Однако эти и другие методы не отражают специфики разрушения горной породы на забое скважины зубцами шарошечного долота.

При бурении породоразрушающий инструмент контактирует с горной породой не по всей поверхности забоя, а лишь на отдельных участках. Через зубья долота на породу действует локальное давление, которое породу деформирует и разрушает. Происходит вдавливание зубца и скалывание породы. Поэтому в науке о бурении под твердостью, по предложенной в МНИ им И.М. Губкина проф. Л.А. Шрейнером методике, понимают способность горной породы сопротивляться внедрению в неё цилиндрического штампа с плоским основанием. Иными словами это давление, при котором происходит разрушение породы:

Р_ш=	Р*
Р_ш=	F_ш	(5.4)

где:

Р^*– нагрузка на штамп в момент разрушения породы;

F_ш– площадь плоского основания штампа.

Для определения твердости по штампу снимается деформационная характеристика породы на специальной установке. При этом диаметр основания штампа должен быть таким, что бы под его плоским основанием разместилось не менее 6–7 минеральных зерен испытуемой породы. Подготавливают опытный образец горной породы с двумя параллельно отшлифованными гранями. Испытания проводят на специально оборудованном прессе, с помощью которого штамп вдавливают в горную породу. Установка позволяет определить нагрузку на штамп и глубину его внедрения в образец горной породы. Методика испытания предусматривает ступенчатое увеличение нагрузки на штамп с одновременным замером деформации. По результатам испытаний строят кривую зависимости деформации d от нагрузки P. По кривым d (P) можно определять деформационные свойства горных пород, в том числе и твердость.

Различные типы горных пород характеризуются различными деформационными зависимостями d (P).

Рассмотрим эти диаграммы.

1. Упруго-хрупкие породы (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Диаграмма разрушения упруго-хрупких пород

Они проходят стадию упругих напряжений (ОА) и сразу разрушаются. Таковы стекло, гранит, кварц. Площадь треугольника ОАВ характеризует работу упругих сил достаточных для разрушения породы.

2. Пластично – хрупкие породы.

Рис. 5.2. Диаграмма разрушения пластично-хрупких пород

Разрушение пород этого типа происходит в области пластических деформаций (АВ) в т. В. Эта область граничит с областью упругих деформаций в т. А. Напряжение в этой точке называется пределом текучести P₀. К этой категории пород относятся, в частности, алевролиты, известняки, ангидриты, доломиты и песчаники.

Характеристикой пластичности породы является коэффициент пластичности. Он равен отношению всей работы до хрупкого разрушения породы (площадь ОАВС) к работе упругих деформаций (площадь ОКЕ).

К_п=	S_ОАВС
К_п=	S_ОКЕ	(5.5)

Очевидно, что К_Пвсегда больше единицы, и только для упруго-хрупких пород он равен единице.

Для пород первого и второго типа на участке упруго деформации ОА можно приближенно определить модуль упругости этих пород по формуле:

Е=	0,94·Р*
Е=	F_ш· δ*	(5.6)

где:

d^*- деформация в момент разрушения горной породы;

3. Высокопластичные породы обычно не дают хрупкого разрушения при вдавливании штампа (т.к. возможная величина деформации ограниченна небольшой длинной штампа). В действительности такие породы разрушаются хрупко, но величины деформации до хрупкого разрушения у них весьма велики. Такие породы, как правило характеризуют пределом текучести (А₀) и модулем упругости. За твердость таких пород условно принимают предел текучести. Очевидно коэффициент пластичности для этих пород очень велик и принимается равным бесконечности.

Физико-механические свойства горных пород. 4 📙 Реферат → 🆔 291861