Физико-механические свойства горных пород

Основными физико-механическими свойствами горных пород, влияющими на бурение, являются: механическая прочность, упругость, пластичность, хрупкость, твёрдость, абразивность, плотность, пористость, водопроницаемость, плывучесть и устойчивость.

Механическая  прочность - способность пород сопротивляться разрушению при сжатии, скалывании, разрыве и изгибе их. Для различных  пород предел прочности на сжатие изменяется от 0,1 - 0,2 до 500 МПа (1МПа ≈ 10 кгс/см2).

Прочность горных пород на скалывание, разрыв и изгиб значительно меньше, чем на сжатие. Если принять предел прочности породы при одноосном сжатии за 1,0, то предел прочности её на скалывание будет равен 0,2 - 0,08; на растяжение - 0,07 - 0,04.

Прочность горных пород зависит от минералогического состава, структуры и пористости, характера связи между зернами, твердости и размера частиц и т. п. Например, мелкозернистые породы обладают большей прочностью, чем крупнозернистые.

Упругость - способность деформируемого тела восстанавливать первоначальную форму и объём после снятия нагрузки. Упругость также характеризуется отскакиванием ударяющего инструмента (долота) от породы. Упругие свойства в той или иной степени присущи всем породам.

Пластичность - способность пород изменять свою форму (деформироваться) под воздействием приложенных сил, без разрыва сплошности; при этом порода получает остаточную деформацию. Большинство минералов и твердых скальных пород практически не дает остаточной деформации, так как разрушение их происходит раньше, чем начинают проявляться пластичные свойства.

Хрупкость - способность породы разрушаться на отдельные куски при ударе, без заметной пластической деформации. Проявление хрупких свойств зависит от времени приложения нагрузки. При медленном приложении нагрузки в породе могут развиваться остаточные пластические деформации, и, наоборот, при весьма быстром приложении нагрузок даже вязкие тела могут проявлять себя как хрупкие.

Твёрдость - способность горной породы оказывать сопротивление проникновению в неё другого твердого тела, не получающего остаточных деформаций. Твердость можно считать частным случаем прочности на вдавливание. Это одно из наиболее важных свойств горных пород, определяющее величину внедрения резцов бурового инструмента и существенно влияющее на механическую скорость бурения скважины. Различают агрегатную твердость (твердость породы в целом) и твердость отдельных минералов, из которых состоит порода. Скорость разрушения пород при бурении зависит в основном от агрегатной твердости. Относительная твердость минералов по шкале Мооса приведена в табл. 1.

Таблица 1. Относительная твёрдость минералов по шкале Мооса

Абразивность - способность горных пород влиять на износ забойного инструмента при бурении скважин. Абразивными свойствами обладают породы, сложенные зернами твердых минералов, сцементированными менее прочным материалом. Наиболее высокими абразивными свойствами обладают кварцевые песчаники. В меньшей степени абразивность зависит от окатанности зерен.

С увеличением  частоты вращения бурового снаряда  износ породоразрушающего инструмента  обычно растет быстрее, чем скорость бурения.

Плотность породы и средняя плотность. Плотность породы определяется как отношение массы к её объему или как степень заполнения некоторого объема минеральным веществом. Наименьшей плотностью обладают осадочные породы, наибольшей - изверженные.

Плотность горных пород зависит от минералогического  состава зёрен и связывающего их цемента.

Отношение массы  образца к его полному объему характеризует среднюю плотность породы, зависящую от вещественного состава и пористости.

Эти свойства играют важную роль в буровых процессах, так как определяют условия транспортировки  частиц разрушенной породы на поверхность.

Пористость, характеризуемая наличием в горной породе пустот, имеет существенное значение, так как от нее непосредственно зависят: механическая прочность, абразивность, влагоёмкость и другие свойства горных пород. Пористость определяется отношением объема пор к объему породы. Пористость изверженных пород наименьшая и измеряется долями или небольшим количеством процентов от объема. Только некоторые излившиеся породы (трахиты, туфовые лавы и др.) обладают высокой пористостью (до 60%). Пористость осадочных пород различна; у доломитов и известняков она изменяется от нескольких до 30%, у песчаников - до 40%, у мела - от 5-7 до 40-45%, у песков - около 30-40%, у глинистых пород колеблется в значительных пределах и может достигать 50% и более.

В твердых породах  выделяют пористость открытую и закрытую. В первом случае поры сообщаются друг с другом и с наружной поверхностью образца, во втором - поры изолированы друг от друга. Это влияет на водопоглощение и водопроницаемость горных пород.

В пористых твердых  породах скорость бурения и износ  резцов увеличиваются.

Трещиноватость, характеризуемая совокупностью систем трещин в горных породах, осложняет работу породоразрушающего инструмента на забое, увеличивает водопроницаемость, ведёт к снижению процента выхода керна, уменьшает устойчивость пород в стенках скважин, вызывает самозаклинивание керна и т. д.

Водопроницаемость - способность горных пород пропускать воду. Водопроницаемость зависит от размеров и характера пор или трещин. Это свойство горных пород имеет большое значение при бурении с промывкой, так как часто определяет потерю промывочной жидкости.

Плывучесть - свойство пород течь при вскрытии. Таким свойством обладают насыщенные водой мелкозернистые пески с примесью илистых и глинистых частиц. Таким же свойством могут характеризоваться суглинки и даже глины при сильном увлажнении. Подвижность пород вызывается или движением воды, перемещающей частицы пород, или переходом породы в состояние вязкой жидкости вследствие сильного насыщения водой.

Устойчивость - поведение горных пород при обнажении их в массиве. Породы устойчивые при этом не обрушаются, стенки скважины не требуют закрепления. В породах неустойчивых или слабоустойчивых требуется проводить крепление стенок скважины. При бурении по таким породам часто разрушается керн, что снижает качество буровых работ. Устойчивость горных пород зависит целиком от характера связи между частицами, слагающими горную породу, от трещиноватости и степени выветрелости.