Деформационные и прочностные свойства горных пород

Большая часть горных пород при отсутствии высокого всестороннего давления при быстром нагружении или разгрузке в большом диапазоне напряжений хорошо подчиняете закону Гука.

По мере увеличения напряжения на сжатие усиливается и деформация (рис. 6). При нагрузке, соответствующей пределу прочности образца s_сж происходит его разрушение. Характер зависимости между напряжением и деформацией определяете продолжительностью действия нагрузки на образец - при медленном нагружении деформация почти всех горных пород отклоняется от закона прямой пропорциональности (рис. 6, кривая с t = ∞). При напряжениях, меньших s_s остаточной деформации не наблюдается как при мгновенной нагрузке (t = 0), так и при нагрузке и разгрузке с длительной выдержкой (t = ∞).

У большей части пород необратимые пластические деформации при медленном нагружении появляются при напряжениях s_s составляющих 10—15% разрушающих. Пластические деформации при многократной нагрузке и разгрузке постепенно уменьшаются в каждом цикле. В ряде случаев под влиянием нагрузки некоторые горные породы приобретают специфические реологические свойства.

Многие горные породы подвержены явлению крипа (ползучести), которое характеризуется постепенным нарастанием деформации при постоянном напряжении. Явления крипа в наибольшей степени свойственны глинам, аргиллитам, глинистым сланцам, каменной соли. Деформация ползучести зависит от структуры породы, нагрузки, времени и направления их действия. При нагрузках, действующих перпендикулярно плоскости напластования, ползучесть возрастает. Этот вид деформации отличается от пластической тем, что она возникает при длительном воздействии напряжений, не превышающих предела упругости породы, в то время как пластическая деформация происходит при возрастающих напряжениях за пределами упругости пород.

Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки могут вести себя как хрупкие, и как пластичные тела. При растяжении, изгибе и одноосном сжатии пластические свойства горных пород почти не проявляются, разрушение пород происходит без заметной пластической деформации. При всестороннем сжатии многие горные породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают пластические свойства.

В процессе лабораторных испытаний таких пород, как песчаник, глинистый сланец и др., не обнаружен переход в пластическое состояние при всестороннем сжатии с давлением, соответствующим глубине залегания более 3000 м. Вместе с тем практика горных работ показывает, что и на меньших глубинах происходят деформации пород, похожие на пластические.

В зависимости от состава и свойств пород, условий их залегания и действия нагрузки механизм пластических деформаций может быть различен. Иногда пластические деформации пород происходят вследствие межзерновых и трасляционных движений и явлений перекристаллизации. Если сжимать породы типа песчаников, известняков и др., состоящих из сцементированных зерен кварца или мелких сросшихся кристаллов кальцита, отдельные зерна могут двигаться независимо друг от друга. Каждое зерно под нагрузкой движется и вращается около соседних. В результате такого перемещения зерен, которое можно рассматривать как межзерновое, порода приобретает ограниченные пластические свойства.

УПРУГИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ КОЛЛЕКТОРОВ В ПРОЦЕССЕ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Важное значение в процессе разработки нефтяных месторождений имеют деформации пород, происходящие вследствие изменения пластового давления, которое может уменьшаться со временем и вновь восстанавливаться при применении методов поддержания давления в залежи.

Представим себе элемент породы (рис.7), заключенный в непроницаемую эластичную оболочку и испытывающий горное давление s, а в порах пласта, насы-щенного жидкостью, - давление р.

До начала эксплуатации залежи пластовое давление жидкости способствует уменьшению нагрузки, передающейся на скелет породы от массы вышележащих отложений (если кровля пласта непроницаема). Тогда давление на скелет породы (эффективное давление)

. 13

При извлечении нефти на поверхность пластовое давление р падает и давление на скелет породы s_эф увеличивается. С падением пластового давления объем порового пространства пласта уменьшается вследствие упругого расширения зерен породы и возрастания сжимающих усилий, передающихся на скелет от массы вышележащих пород, При этом зерна породы испытывают дополнительную деформацию и пористость среди уменьшается также вследствие перераспределения зерен, более плотной их упаковки и изменения структуры пористой среды.

Некоторые из упомянутых процессов, вызывающие изменения объема пор, являются обратимыми, как, например, упругое расширение зерен цемента и их деформации в сторону пустот, не занятых твердым веществом, под действием массы вышележащих пород. Другие процессы, например перегруппировка зерен, скольжение их по поверхности соприкосновения, разрушение и дробление зерен, необратимые. В результате с возрастанием пластового давления должны появиться значительные остаточные деформации, и пористость пород не восстанавливается. Последние деформации пород характерны для глубокозалегающих пластов.

Объем V внешнего скелета пористой среды складывается из объемов твердой фазы V_т и порового пространства V_п, и поэтому с изменением в породах среднего нормального напряжения s и пластового давления р происходят упругие изменения всех трех величин. Тогда объемная деформация пород при всестороннем сжатии описывается тремя коэффициентами сжимаемости: породы - b, пор - b_п, твердой фазы - b_т. Данные коэффициенты сжимаемости имеют размерность – Па^-1.

Между b, b_п, b_т существует следующая связь

14

Особое значение в процессах, протекающих в пластах при эксплуатации нефтяных, газовых и водоносных горизонтов, имеет коэффициент объемной упругости пласта b_с

. 15

Коэффициент сжимаемости пор b_п в значительной мер зависит от эффективного давления (сжимаемость сокращается с ростом давления). В соответствии с этим коэффициент объемной упругости b_с пород зернистых коллекторов изменяется в широких пределах: b_с = (3-30) Т 1/Па в интервале внешней давления от 0 до 100 МПа.

В связи со спецификой строения пород карбонатных трещиноватых коллекторов их сжимаемость, как правило, выше, чем у зернистых пород.