Механические свойства горных пород

Среди механических свойств горных пород наибольшее значение для бурения скважин и эксплуатации нефтяных месторождений имеют упругость, прочность на сжатие и растяжение и пластичность. Например, упругие свойства пород, т. е. способность их изменять свой объем с изменением давления, влияют на перераспределение давления в пласте в процессе его эксплуатации.

При проектировании и осуществлении механических способов воздействия на призабойные зоны скважин с целью увеличения их производительности (торпедирование, гидравлический разрыв пла­ста) необходимо. знать прочностные свойства пород, складывающих данный пласт.

Пластические свойства твердых пород, т. е. способность их деформироваться под большим давлением без образования трещин или видимых нарушений, проявляются при бурении скважин на большие глубины. На большой глубине твердая порода может «вытекать» в скважину под действием высокого горного давления залегающих выше пластов. Образование складок в земной коре с плавными изгибами, вогнутостями и выпуклостями также обязано пластическим свойствам горных пород.

Пластические свойства горных пород изучены еще мало. Пред­полагается, что «пластичность» твердых пород (песчаников, извест­няков) зависит от многочисленных микротрещин, позволяющих породе скользить, опускаться и подниматься вдоль этих трещин.

При разработке нефтяных и газовых месторождений и эксплуата­ции скважин наиболее часто приходится сталкиваться с упругими и прочностными свойствами горных пород. Об упругих свойствах горной породы судят по величине ее коэффициента сжимаемости. Если образец породы подвергать внешнему давлению, то объем образца и объем его норового пространства будут сокращаться. При снятии давления объем образца и его пористость восстанавли­ваются до прежней величины.

Исследования показывают, что для большинства изученных пород нефтяных и газовых месторождений уменьшение или увеличение объема их, а следовательно, и норового пространства с изменением давления происходит согласно закону Гука:

(30)

¹• уь_р •

Из формулы (31) следует, что коэффициент объемной упругости пористой среды характеризует относительное (по отношению ко всему выделенному элементу объема пласта) изменение объема порбвого пространства при изменении давления на 1 Па, 1 кПа 1 МПа.

По лабораторным и промысловым данным для пород нефтесодер-жащих пластов р = (0,3-^2) -Ю'¹⁰ м²/Н или (0,3-^2) • 10'⁶ см²/кг. Другими словами, на каждый кгс/см² (0,1 МПа) уменьшения давле­ния объема пор в породе изменяется на величину от ¹/₃зоооо Д° ¹/5оооо своей первоначальной величины.

В процессе разработки нефтяной залежи по мере снижения вну­треннего давления объем норового пространства, вмещающего жид­кость, будет сокращаться. В результате этого жидкость начнет вы­тесняться из пор. Поэтому упругость горных пород играет большую роль в разработке нефтяных месторождений.

Под прочностью горных пород понимается сопротивление их механическому разрушению. Горные породы оказывают значительное сопротивление при сжатии. Прочность же пород на разрыв, изгиб и сдвиг составляет всего лишь десятые и сотые доли от прочности их на сжатие.

Прочность пород на сжатие зависит от целого ряда факторов. Прочность известняков, например, уменьшается с увеличением в них глинистых частиц. Песчаники обладают наименьшей проч­ностью на сжатие, когда цементирующим материалом в них является известковый цемент. Прочность пород зависит также от их зерни­стости, плотности и влажности.

Прочность на сжатие мелкозернистых гранитов достигает 260 МПа, а крупнозернистых —120 МПа.

При увеличении плотности известняков с 1500 до 2700 кг/м³ прочность их на сжатие возрастает с 50 до 180 МПа; у песчаников с увеличением плотности с 1870 до 2570 кг/м³ прочность на сжатие возрастает с 15 до 20 МПа.

Прочность известняков и песчаников после насыщения их водой уменьшается на 25—45%.

Глава III