1.3.Влияние давления и температуры на деформационные свой-ства горных пород

С увеличением глубины скважины происходит рост температуры горных пород и напряжений сжатия, которые на них действуют. Именно по этой причине важным является вопрос об изменении деформационных свойств пород при возрастании давления и температуры, о влиянии температуры и давления на механизм разрушения.

1.3.1. Влияние давления. Основной причиной изменения свойств горных пород, находящихся под давлением, является нарушение первоначального строения пород: происходит сжатие пор и захло-пывание трещин. Наибольшее уплотнение горных пород наблюдается при гидростатическом сжатии. Глинистые горные породы, например, при давлении 100 МПа снижают пористость с 70 % до 7 %, при этом плотность их возрастает в 1,5 раза.

Чаще всего наблюдается линейная связь между увеличивающимся давлением, снижением пористости и ростом плотности. Такое законо-мерное изменение нарушается в зонах аномально высокого пластового давления и связано это с уменьшением нагрузки на твердый скелет горной породы при возникновении эффективного напряжения. Особенно заметным аномальное уплотнение будет у глинистых горных пород в силу их высокой пористости и недренируемости влаги вследствие образования связанной воды.

Закрытие пор и трещин под давлением приводит к возрастанию модуля упругости. При росте давления от 50 до 100 МПа модуль упру-гости глинистых горных пород возрастает в 3 раза. Увеличение модуля упругости продолжается и далее при росте давления, но это увеличение уже не такое значительное.

Увеличение давления приводит и к увеличению пластических свойств горных пород, способствует переходу разрушения от хрупкого к пластическому и это является причиной снижения эффективности разрушения горных пород на забое скважины при бурении на больших глубинах. Прочность горных пород с ростом давления возрастает в несколько раз. Например, при увеличении всестороннего давления от нуля до 165 МПа прочность мрамора возрастает почти в три раза (со 136 до 390 МПа), прочность песчаника - с 69 до 330 МПа.

Повышение прочностных свойств горных пород с ростом давления - одно из главных осложнений, возникающих при бурении глубоких скважин, затрудняющее разрушение горных пород при бурении.

1.3.2. Влияние температуры. Измерения, проведенные в сверх-глубоких скважинах, показали, что наиболее значительные температуры и одновременно наиболее сильные её колебания свойст-венны осадочным отложениям. По данным американских исследовате-лей в трех наиболее глубоких скважинах, пробуренных в осадочной толще, были зарегистрированы следующие температуры (^оС): Юниверсити (8687 м) - 212, Баден (9144 м) - 232, Берта Роджерс (9583 м) - 243. Имеются скважины, в которых на значительно меньших глубинах (5500 - 5600 м) отмечены ещё более высокие температуры (230 - 280) ⁰С. 

Повышение температуры горных пород с углублением скважины затрудняет их разрушение при бурении в силу понижения предела текучести горных пород и связанному с этим увеличением их плас-тичности. Это вызывает затруднения в возникновении и развитии трещин нормального отрыва.

При бурении скважин температура циркулирующей в скважине промывочной жидкости приводит к изменению температуры горной по-роды забоя и стенки скважины. Это является причиной появления термических напряжений.

Когда рассматривают влияние температуры на свойства горных пород, то выделяют два вида воздействия теплового поля. Первый вид связан с возникающими в горной породе термическими напряжениями из-за неравномерного теплового расширения минералов, входящих в состав горной породы (т.е. вследствие различных значений коэф-фициентов линейного теплового расширения минералов). Величина термических напряжений может быть чрезвычайно большой: превы-шать не только прочность горной породы на разрыв, но и достигать величины её прочности на сжатие.

Второй вид воздействия теплового поля обусловлен возник-новением различных физических и термохимических превращений минералов при нагреве, приводящих к изменению объёма горной поро-ды: высушивание, плавление, испарение, переход минералов из одной кристаллической формы в другую без изменения химического состава (полиморфные превращения).

Величина модуля Юнга E горных пород при нагреве постепенно уменьшается. Значение коэффициента Пуассона приближается к сво-ей максимальной величине, равной 0,5. Модуль сдвига G горных пород при росте температуры постоянно уменьшается и становится равным нулю при температуре плавления горной породы.