Раздел 2. Основные закономерности поведения горных пород при механическом разрушении

В данном разделе применительно к бурению скважин будут рассмотрены основные качественные и количественные характеристики поведения горных пород при механическом разрушении, которые удовлетворительно описываются комплексом известных механических свойств горных пород.

Знание основных механических свойств и использование закономерностей разрушения горных пород обеспечивает, во-первых, эффективную проходку ствола скважины при минимуме затрат времени и материальных средств, и, во-вторых, сохранение устойчивости стенок уже созданной или сооружаемой скважины.

2.1. Общие положения

Горными породами называются плотные или рыхлые агрегаты, слагающие земную кору. Горные породы состоят из зерен, кристаллов, обломков различных минералов, а также вещества, связывающего (цементирующего) эти частицы, и пор (пустот). Во многих породах в порах содержится вода, которая оказывает влияние на взаимосвязь минеральных частиц.

Основными породообразующими минералами являются:

• группа кварцевых (кварц, кремень, халцедон и др.);

• силикаты (полевые шпаты, слюда, амфиболы, пироксены и др.);

• карбонаты (кальцит, доломит);

• гидрофильные глинистые (каолинит, монтмориллонит и др.);

• водорастворимые соли (гипс, галит и др.).

Горные породы по происхождению делятся на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы образуются в результате охлаждения и затвердения магмы. В зависимости от места ее затвердения они делятся на интрузивные, или глубинные, и эффузивные, или излившиеся (изверженные, вулканические).

К первым относятся: гранит, сиенит, диорит, габбро. Ко вторым - диабаз, андезит, базальт и др.

Осадочные горные породы образуются в результате разрушения земной коры. К таким породам относятся:

• песчаники;

• сланцы;

• известняки,

• торф,

• лигнит,

• бурый уголь, каменный уголь,

• антрацит,

• каменная соль и другие.

При бурении нефтяных и газовых скважин наиболее часты породы, состоящие из следующих минералов:

• глинистых (каолинита, монтмориллонита и др.),

• сульфатных (гипса, ангидрита, барита),

• карбонатных (кальцита, доломита),

• оксидных (кварца и др.).

Глинистые минералы - водные алюмосиликаты - характеризуются наличием частиц исключительно малого размера и чешуйчатым строением. Реже встречаются брекчии, галечники, кремни, каменная соль и др.

Метаморфические горные породы образуются в результате изменения внутреннего строения, химического состава и физических свойств пород под влиянием высоких температуры и давления (кварциты, мраморы, слюдяные сланцы и др.).

С происхождением пород связаны их петрографические характеристики, в том числе структура (строение) и текстура (сложение). Под структурой понимают особенности строения, обусловленные формой, размерами и способом сочетания минеральных зерен. Различают кристаллически-зернистую и обломочную структуры.

Кристаллические структуры бывают равномерно-зернистые и разнозернистые; порфировая структура характеризуется вкраплением кристаллов больших размеров на общем фоне мелкокристаллической породы.

Под текстурой понимают расположение и распределение различных по структуре минеральных агрегатов. Различают массивную, слоистую, сланцевую, полосчатую и другие текстуры. Основной текстурный признак осадочных пород - их слоистость. В некоторых породах слоистость выражена плитчатостью.

По строению горные породы подразделяются на кристаллические, аморфные и обломочные.

Кристаллическими бывают магматические и осадочные породы. Осадочные кристаллические породы образуются в результате выпадения из водных растворов или в результате химических реакций, происходящих в земной коре. К ним относятся соль, гипс, ангидрит, известняки, мел, доломиты и органогенные породы, являющиеся продуктами жизнедеятельности организмов.

Горные породы аморфного строения встречаются реже. К ним относятся естественные стекла - обсидианы, имеющие тонкокристаллическое или неполнокристаллическое строение, например кремни.

Важную группу составляют обломочные породы, которые образуются в результате выветривания, переноса под действием воды или ветра и дальнейшего их разрушения.

Горные породы могут быть однородными, неоднородными, изотропными и анизотропными.

Однородные породы обладают одинаковыми свойствами во всех точках, неоднородные - неодинаковыми свойствами в разных точках. Горные породы неоднородны по минералогическому составу. В большинстве случаев они полиминеральны. Они неоднородны по механическому составу зерен в массе породы, их взаимному расположению, пористости, проницаемости, прочности, по степени уплотненности, трещиноватости и т.д.

Изотропные породы обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях; анизотропные - неодинаковыми свойствами в разных направлениях. Анизотропией обычно обладают кристаллы, многие породы слоистой и полосчатой текстуры, сланцы, глины и др. Анизотропия горных пород обусловливается главным образом их слоистостью. Упругие свойства и прочность горных пород резко различаются в зависимости от направления действия сил по отношению к плоскости напластования.

В механике горные породы по характеру связей между частицами подразделяются на три основные группы: скальные (прочные), силы взаимодействия между частицами которых, главным образом, электрические; нескальные (глинистые породы, грунты) с взаимодействием коллоидальных частиц, адсорбирующихся на поверхности обломков; сыпучие (раздельно-зернистые).

У прочных пород минеральные частицы связаны цементирующими веществами: кремнистыми (кварцевыми, халцедоновыми), железистыми, известковистыми, глинистыми, мергелистыми, гипсовыми и др. Наиболее прочные породы с кремнистой и железистой цементацией, наименее прочные - с глинистой и гипсовой. В первом случае имеем кварциты и кремнистые песчаники.

В нескольких (глинистых) породах минеральные частицы сцеплены коллоидными пленками кремнекислоты, а также пленочной, капиллярной водой и коллоидами глинистых и пылеватых частиц. Эти частицы - продукт механического распада и химического разложения минералов, они обладают малыми размерами (< 0,05 мм) и огромной удельной поверхностью. Поверхность этих частиц покрыта пленками воды, удерживаемыми электромолекулярными силами притяжения, достигающими у поверхности частицы нескольких сотен мегапаскалей. Молекулы воды образуют пленку толщиной в несколько десятков молекул так называемой прочно связанной воды, вокруг которой располагается второй слой (под меньшим давлением) рыхлосвязанной воды. За этим слоем имеется свободная вода, заполняющая поры. Связанная вода обладает большими плотностью и вязкостью, чем обычная. Благодаря силам сцепления нескальная порода в сухом состоянии образует довольно прочную массу, которая во влажном состоянии в зависимости от количества воды переходит в пластическое и даже текучее состояние. Нескальные породы могут содержать также песчаные частицы, которые придают породе некоторую жесткость за счет трения между частицами.

Сыпучие горные породы представляют собой скопления не связанных друг с другом минеральных частиц (зерен, обломков). Главные минеральные компоненты песков — кварц, полевые шпаты и обломки различных пород и минералов. В меньшем количестве встречаются слюда, карбонаты, глауконит, пирит, магнетит и др.

Горные породы неоднородны по минералогическому составу, распределению зерен в массе породы, пористости и проницаемости, степени уплотненности и трещиноватости. Такая неоднородность играет весьма важную роль в процессах разрушения горной породы, их эффективности, так как неоднородность имеет большое значение при оценке их прочностных свойств.