Механические свойства горных пород

Министерство  образования и науки рф

Федеральное государственное  бюджетное  образовательное учреждение  
высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт  геологиии и нефтегазодобычи 

Кафедра «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»

 

 

 

 

Курсовая  работа

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

Проверил(а):

 

 

 

 

 

 

Тюмень, 2012 г.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

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.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Физико-механические свойства горных пород

 

1.1. Плотность

 

Плотность d - это отношение массы m вещества к единице объема V. Плотность измеряется в г/см³, кг/л или т/м³. Так как плотность воздуха мала, то ею пренебрегают и при измерениях плотности взвешивают вещество в воздухе, а не в вакууме. Плотность воды 1 г/см³, дерева немного меньше - оно плавает как и жидкая нефть (0,8–0,9 г/см³), растекаясь пятнами на море при авариях танкеров. Плотность человека, выдохнувшего воздух, тоже почти 1 г/см³, а вдохнувшего - 0,95 г/см³. Плотность густой нефти, и тем более мазута 1,05 г/см³ – 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/см³ у галита, 2,66 г/см³ у кварца, 2,55 – 2,7 г/см³ у полевого шпата, 2,72 г/см³ у кальцита, до 3,9 г/см³ у сидерита и 5,0 г/см³ 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/см³ у ортоклаза до 2,75 г/см³ 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/см³, 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/см³, а при пористости 20% до 2,35 г/см³. 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/см³. С ростом объемной массы связано и увеличение горного (литостатического) давления.

 

1.2. Прочность

 

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:

σ_cж> σ_с> σ_изг> σ_р      (5.1)

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.

 

3. Упругость

 

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:

σ = Е ·x       (5.2)

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.

m=	xх
	xу	(5.3)

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.

Таблица 23

Модули упругости некоторых  горных пород

 

Горная порода	Модуль Юнга E×10-4, МПа	Горная порода	Модуль Юнга E×10-4, МПа
Глины	0,03	Мрамор	3,9–9,2
Глинисты сланцы	1,5–2,5	Доломиты	2,1–16,5
Алевролиты	1,7–2,7	Граниты	до 6,0
Песчаники	3,3–7,8	Базальты	до 9,7
Известняки	1,3–8,5	Кварциты	7,5–10,0

 

Данные таблицы показывают зависимость модуля Юнга от минералогического  состава породы. Но какую-то закономерность здесь проследить сложно. Обратим  внимание на ряд факторов, от которых  зависят упругие свойства пород. Породы одинакового минералогического  состава, но разной степени уплотнения имеют разную упругость (чем больше уплотнение, тем больше упругость). Т.к. уплотнение горных пород растет с глубиной их залегания, модуль упругости  одноименных пород также увеличивается  с глубиной. Как правило модуль упругости уменьшается с увеличением пористости пород. Он также уменьшается с увеличением увлажненности пород.