Все что выделено цветом законспектировать в тетрадь. Остальное прочитать. Если, например формулы, не выделенные вы забыли, перепишите.

Лабораторная работа №1

Общие понятия о горных породах

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 - 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.

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 [1] было предложено плотностью называть осредненные значения объемной массы породы для значительных интервалов и даже полностью для геологического разреза. В таблице 1 приведены плотности основных осадочных пород.

Таблица 1 – Плотность осадочных пород [1]

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 = (1)

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 %) [2]. Осадочные породы имеют большую пористость (таблица 2).

Таблица 2 – Общая пористость основных пород нефтяных и газовых

месторождений

Горные породы	Кп, %	Горные породы	Кп, %
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

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 [3]: 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)

где V_зерн – объем минерального скелета образца.

С учетом того, что масса образца складывается из слагающих его зерен, уравнение (2) может быть представлено так

(3)

где и - суть плотности образца породы и плотности минерального

скелета.

Плотности горных пород ( ) определяются с помощью весов [2, 4, 5] на основании того, что она равна массе пород, отнесенной к ее объему. Масса породы (m _г.п) определяется или путем вытеснения воды в мерном сосуде или посредством гидростатического взвешивания. Последний из перечисленных методов включает подвешенную 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

(4)

Прочность – это способность 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 , изгиб , сдвиг (срез) . При бурении глубоких скважин разрушение горных пород на забое происходит в условиях всестороннего сжатия, поэтому рассматривается также понятие «предел прочности при всестороннем сжатии» [1, 2, 5, 6, 7].

Наиболее простым видом определения прочности является одноосное сжатию, так как она проводится при простом напряженном состоянии, то есть < 0; - = 0.

Определение предела прочности при одноосном сжатии

Производится на образцах цилиндрической (керн) или призматической формы. В настоящее время разработан и действует ГОСТ 21153.2-84, в соответствии с которым определение прочности пород при одноосном сжатии производится на образцах размеры, которого 42 3 мм при отношении высоты h к диаметру d (ширине, длине), равном единице. Торцовые поверхности образцов шлифуют, их выпуклость (вогнутость) после шлифования не должна быть более 0,05 мм. Они также должны быть параллельны друг к другу (отклонение не более 0,1 мм) и перпендикулярны к образующим цилиндра (отклонение 1,0 мм).

Этот метод является стандартным. Определение прочности проводят на гидропрессах. Схема проведения опыта приведена на рисунке 1.

3

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

Рисунок 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

. (5)

В опытах с хрупкими породами возможно определение таких упругих свойств как модуль продольной упругости при одноосном сжатии (модуль Юнга) и коэффициент Пуассона . При изменении размеров образцов в продольном и поперечном направлении [1, 7]: предположим длина образца l уменьшилась на величину Δl, а поперечный размер d увеличился на Δd. Коэффициент Пуассона определяется

(6)

Модуль Юнга Е_сж -

(7)

В таблице 3 приведена классификация горных пород по прочности на одноосное сжатие, разработанная в Уфимском государственном нефтяном техническом университете (УГНТУ) [1].

Таблица 3 – Классификация горных пород по прочности на

одноосное сжатие

Группы	Категории	, МПа	Группы	Категории	, МПа
Весьма слабые	1 2 3	< 4 4-6 6-10	Средней прочности	7 8 9	35-52 52-80 80-120
Слабые	4 5 6	10-15 15-23 23-35	Прочные Очень прочные	10 11 12	120-180 180-270 270<

Наибольшей прочностью обладают породы, содержащие кварц. Кварц имеет предел прочности при одноосном сжатии равный 5·10⁸ ПА. Полевые шпаты, входящие в некоторые осадочные породы, обуславливают их малую прочность.