Механические свойства горных пород
Горные породы – среда и объект разрушения при бурении скважин
Нефтяные и газовые месторождения приурочены к осадочным горным породам, которые делятся на две большие группы: обломочные и хемогенные кристаллические. Описанием горных пород по составу занимается наука литология. По литологии все осадочные породы делят на три подгруппы,характеристики которых приведены в таблице 4.1.
Подгруппа глинистых горных пород рассматривается совместно с обломочными, хотя она и занимает особое положение.
Обломочные горные породы состоят из монокристаллических или поли-кристаллических обломков. Они могут быть рыхлыми и сцементированными. Цемент может быть кремнистым, карбонатным, глинистым и битуминозным. Состав и прочность цемента во многом определяют свойства обломочных пород.
| Таблица 4.1 | ||
| Осадочные горные породы и их средняя доля | ||
| в разрезах нефтегазовых месторождений | ||
| Подгруппы | Вид связей | Примеры |
| Обломочные | Связные | Глины |
| глинистые (54 %) | Сцементированные | Аргиллиты, глинистые сланцы |
| Обломочные | Рыхлые | Алевриты, пески |
| мелкоземистые | Сцементированные | Алевролиты, песчаники |
| и песчаные (21 %) | ||
| Кристаллические | Кристаллизационные | Карбонаты (известняки, доломиты) |
| хемогенного | Сульфаты (ангидриты , гипсы) | |
| и органогенного | Галоиды (каменная соль, | |
| происхождения (24%) | калийная соль, бишофит) | |
|
|
|
Цементы обломочных горных пород по составу могут быть кремнистые,сульфатные, железистые, глинистые, битуминозные и др. (цементы названы в порядке уменьшения их прочности). По строению различают четыре основных типа цементов (рис. 4.9):
а) контактовый – отлагается вокруг точек контакта обломков; б) пленочный – каждый обломок окружен пленкой цементирующего вещества. Если состав пленки совпадает с составом обломков, то такой цемент называют регенерационным. Например, кварцевый песчаник, сцементированный пленочным кремнистым цементом;
в) поровый – цементирующее вещество заполняет поры между обломками, слагающими горную породу. Например, поры горной породы могут быть заполнены цементирующим ее глинистым цементом;
г) базальный – обломки горной породы как бы погружены в цементирующее вещество и не контактируют друг с другом.
а б в г
Рис. 4.9. Основные типы цементов обломочных горных пород:
1–обломок горной породы; 2 –цемент; 3 –пора
|
|
|
Возможны смешанные виды цементов.
Глинистые горные породы могут быть связными и сцементированными. Связность глинистых пород имеет физико-химическую природу и обусловлена особым коллоидным состоянием глинистых минералов. Принцип взаимодействия глинистых частиц показан на рис. 4.10.
Рис. 4.10. Схема взаимодействия глинистых частиц:
I –физически связанная вода; II –диффузный слой воды
Кристаллические горные породы, как правило, мономинеральные.
В настоящее время известно более 2000 минералов, но существенное участие в сложении осадочных горных пород принимают лишь несколько десятков. Эти минералы называются породообразующими. В состав породы минералы входят в виде кристаллитов (зерен) неправильной формы в случае кристаллических пород или в виде моно- и полиминеральных обломков в случае обломочных пород. В целом горная порода представляет собой агрегат кристаллитов или обломков.
Глинистые горные породы формируются в водной среде. В этих условиях частицы глины находятся как бы в диссоциированном состоянии, так как от-дают в раствор часть входящих в их состав ионов щелочных и щелочно-земельных металлов, называемых ионами обменного комплекса глины. При этом глинистые частиц приобретают отрицательный электрический заряд, обусловливающий образование прочной гидратной пленки физически связанной воды , которая окружена слоем свободной воды, называемым диффузным. Катионы в диффузном слое также окружены ассоциациями молекул воды. Вода – жидкость полярная, т.е. одна часть молекулы заряжена положительно, а другая – отрицательно. Наружная поверхность физически связанной воды имеет отрицательный заряд, а ассоциаций вокруг катионов – положительный заряд. Взаимодействие этих зарядов обусловливает связь частиц глины между собой . Увеличение толщины диффузного слоя за счет свободной воды приводит к уменьшению сил связи и приобретению свойств текучести. С уменьше-нием толщины диффузного слоя увеличиваются силы взаимодействия, а следовательно, и прочностные свойства глинистых пород. Наличие диффузного слоя обусловливает высокую пластичность глин. При высыхании глины пере-ходят в твердое состояние.
|
|
|
Следовательно, в зависимости от содержания воды связные глинистые породы могут быть в твердом, пластическом и текучем состоянии.
По мере увеличения глубины залегания под действием веса вышележащих пород происходит уплотнение глин за счет отжатия свободной воды. На контактах частиц откладываются гипс, кальцит, соли железа, которые цементируют глинистую горную породу. Силы связи постепенно приобретают кристаллизационный характер, а глина утрачивает пластические свойства. При перемятии глины или растворении цементирующих отложений глины вновь приобретают пластические свойства.
|
|
|
Более глубокое преобразование глинистых пород связано с их дегидра-тацией, цементированием кремнистым цементом и частичной перекристал-лизацией. В результате образуются твердые, не размокающие в воде аргиллиты.
Горные породы в условиях их залегания находятся в сложном напря-женном состоянии, обусловленном весом вышележащих пород и тектоническими процессами в данной геологической области (рис. 4.11). Совокупность этих напряжений называется горным давлением, которое характеризуется вертикальной составляющей – геостатическим р г давлением и горизонтальной составляющей – боковым р б давлением:
| р г = ρgz; | (4.28) |
| р б = λ р г, | (4.29) |
где ρ – плотность горных пород (ρ = 1900…3000 кг /м3); g – ускорение силы тяжести ; λ – коэффициент бокового распора, зависящий от упругих свойств горной породы; z – глубина залегания горной породы. Действие р г и р б создает всестороннее сжатие горных пород, величина которого растет с глубиной.
Поры, каверны и трещины горных пород заполнены жидкостями или газами, для которых используется общее понятие – флюиды. Флюиды в горных породах находятся под естественным давлением, близким к гидростатическому. Давление в порах непроницаемых горных пород принято называть поровым, а в коллекторах – пластовым.
Рис. 4.11. Компоненты горного давления
Для описания давлений широко используется понятие относительного давления,равного отношению действующего давления к давлению столба водына той же глубине. Например, относительное пластовое давление рпо равно:
| р по = р п /р в, | (4.30) |
где р п и р в – пластовое давление и давление столба воды на глубине залеганияпласта. Величину р по нередко называют индексом давления, а также коэффициентом аномальности, что одно и то же.
Аномалии давления. Если величинар по< 0,8,то говорят,что в пластеимеет место аномально низкое пластовое давление (АНПД), а если р по > 1,2 – аномально высокое пластовое давление (АВПД). Соответственно, если относительное давление лежит в пределах от 0,8 до 1,2, то такое давление считают нормальным. Границы аномальности в разных регионах могут отличаться от приведенных выше.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 478; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!