Свойства горных пород

Основные физико-механические свойства горных пород

Ниже приведены термины, определения и краткие характеристики основных физико-механических свойств горных пород, оказывающих наиболее сильное влияние на процесс (характер их разрушения) бурения скважин.
К таким свойствам горных пород, в первую очередь, следует отнести их твердость и абразивность, упругость и пластичность, пористость и плотность, трещиноватость и устойчивость и др.

Твердость

Твердость характеризует способность горной породы сопротивляться внедрению в нее резца, пуансона или другого индентора (твердого тела). Твердость породы в целом (агрегатная твердость) отличается от твердости слагающих ее минералов.

Абразивность горных пород

Абразивность - это особое свойство пород, выражающееся в способности изнашивать породоразрушающий инструмент в процессе бурения.

Упругость горных пород

Способность породы восстанавливать первоначальную форму и объем после прекращения действия внешних усилий.

Хрупкость горных пород

Способность горной породы разрушаться без заметной пластической деформации под воздействием внешних усилий.

Пластичность горных пород

Способность породы необратимо изменять, без нарушения сплошности, свою форму и размеры под действием внешних усилий; чаще всего проявляется в условиях всестороннего сжатия породы.
Установлено, что горные породы, обладающие высокими упругопластичными свойствами, разбуриваются медленнее, чем упруго-хрупкие породы.

Приростость горных пород

Наличие в породе пустот (пор); оценивается коэффициентом пористости, представляющим собой отношение суммарного объема пор и пустот в породе к объему породы.

Плотность горных пород

К основным физическим свойствам горных пород относятся плотность пород и плотность твердого компонента породы. Плотностью породы называется масса единицы объема породы с естественной влажностью и ненарушенным строением.

Устойчивость горных пород

Способность породы длительное время сохранять первоначальное положение при вскрытии ее в массиве (при бурении скважин, проходке шахт и других горных выработок); зависит от условий залегания, характера связи между частицами породы, трещиноватости и степени выветривания. При бурении в слабоустойчивых породах обрушаются стенки скважины, снижается выход керна, повышается износ буровых коронок и снижается скорость бурения за счет потери времени на борьбу с осложнениями.

Трещиноватость горных пород

Совокупность в породе трещин различного происхождения и разных размеров. Наличие трещиноватости уменьшает прочность породы, но увеличивает ее абразивность.

Влагоёмкость горных пород

Способность породы удерживать то или иное количество влаги.

Водопроницаемость горных пород

Способность породы пропускать воду при наличии перепада давлений.

Водопоглощение горных пород

Способность сухой породы впитывать воду при выдерживании ее в воде при атмосферном давлении и комнатной температуре; определяется как отношение разности в массах свободнонасыщенного и сухого образца породы к массе сухого образца.

Зернистость горных пород

Совокупность расположения частиц в породе, которые могут различаться по своему внутреннему строению, форме или размеру. Различаются породы мелко-, средне- и крупнозернистые.

Каверхность горных пород

Наличие в породе пустот (каверн).

Сланцеватость горных пород

Сложение горных пород, делящихся на тонкие плоские параллельные слои, плоские плитки или пластинки.

Слоистость горных пород

Повторяющаяся в разрезе неоднородность осадков: по составу, крупности зерна, окраске и другим особенностям.

Предел прочности при сжатии

Максимальная величина сжимающего напряжения, испытываемого породой в момент разрушения образца; определяется как отношение нагрузки, разрушающей образец, к первоначальной площади его поперечного сечения (табл. 5.7).

Таблица 5.7. Пределы прочности горных пород при сжатии, скалывании и растяжении

Горные породы Предел прочности на скалывание δ_ск^.10⁵, Па Предел прочности на сжатие δ_сж^.10⁵, Па Предел прочности на растяжение δ_раст^.10⁵, Па

Мрамор 91 1650 -

Известняк 95-192 1030-1640 91

Андезит 96 986 58

Гранатовый скарн 96 1015 -

Туф 110 1156 67

Доломит 118 1620 69

Гранодиорит метаморфизованный 130 1412 -

Гранодиорит 211-222 2336-2659 -

Гранит мелкозернистый 198 1660 120

Гранит среднезернистый 220 2592 143

Сиенит 221 2152 143

Сиенит-порфир 296 2250 143

Диорит 240 2390 -

Диорит-порфир 302 3240 -

Габбро 244-375 2300-3406 135

Скарн рудный 255 2098

Скарн эпидото-гранатовый 305 2762 -

Кератофир 268-373 2285-3740 138

Альбитофир 282 1728 119

Кварцит 316 3050 144

Базальт 322 3245 -

Диабаз 347 3430 134

Предел прочности при растяжении

Максимальное растягивающее напряжение, испытываемое породой в момент разрушения образца: определяется как отношение нагрузки, разрушающей образец, к первоначальной площади его поперечного сечения.

Предел прочности при скалывании

Максимальное скалывающее напряжение, испытываемое породой в момент разрушения образца; определяется как отношение нагрузки, разрушающей образец, к площади сдвига.

Предел прочности при изгибе

Максимальное изгибающее напряжение, испытываемое породой в момент разрушения образца; определяется как отношение изгибающего момента, разрушающего образец, к моменту сопротивления соответствующего сечения.

Разрушающее напряжение

Мера внутренних сил в деформируемой породе, вызывающих ее разрушение.

Удельная контактная работа разрушения

Полная работа разрушения, отнесенная к площади контакта резца (алмаза, шарошки и т.п.) с породой.

Значительное влияние на разрушаемость горных пород при бурении оказывает такой показатель, как временное сопротивление сжатию. Приведенные в табл. 5.7 данные по определению временного сопротивления некоторых горных пород сжатию, растяжению и скалыванию показывают, что предел прочности пород при скалывании в 6-12 раз меньше прочности при сжатии. В свою очередь предел прочности при растяжении в 1,5-2 раза меньше сопротивления на скалывание.