§ 19. Пластичность горных пород

При изучении причудливого строения складок осадочных пород возникает вопрос: как могут твердые породы изменять свою форму без появления видимых трещин и какие процессы при этом проис­ходят внутри породы?

Горные породы условно разделяются на твердые, пластичные, сыпучие и т. д. Однако хрупкость или пластичность не является постоянным свойством пород. Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки могут вести себя и 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 значительные пластические свойства. Правда, горные породы, как правило, ограниченно пластичны.

При лабораторных испытаниях 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 часто происходят деформации этих 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 — резуль­тат межзерновых и трансляционных движений и явлений перекри­сталлизации. Если породы типа песчаников, известняков и др., состоящие из сцементированных зерен кварца или мелких сросшихся кристаллов кальцита, сжимать, 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.

Большое значение в пластической деформации материалов имеют трансляционные движения, которые заключаются в смещении ато­мов внутри отдельных кристаллов вдоль плоскостей, известных под названием плоскостей скольжения, происходящие под воздей­ствием внешней нагрузки. Такая природа пластических деформа­ций присуща, по-видимому, каменной соли и некоторым другим минералам, обладающим кристаллическим строением.

Иногда пластической деформации пород, по-видимому, способ­ствуют явления перекристаллизации минералов. Часто пластичность горных пород проявляется под действием длительной нагрузки, вызывающей изменение структуры породы.

«Плавные» изгибы большинства нефтесодержащих пластов, сло­женных упруго-хрупкими минералами, по-видимому, объясняются их псевдопластической деформацией, так как вследствие сравни­тельно небольшой глубины их залегания горное давление недоста­точно для перевода большинства горных пород в истинно пластиче­ское состояние. По-видимому, лишь глины и глинистые породы и небольшое количество минералов типа каменной соли могут пре­терпевать значительные пластические деформации. «Пластические» деформации пластов песчаника, известняков, доломитов и других пород часто происходят в результате возникновения многочисленных микротрещин, позволяющих отдельным участкам пластов сколь­зить и перемещаться вдоль плоскостей этих трещин. При этом про­исходят незаметные для глаза ступенчатообразные опускания от­дельных участков пород, создающие впечатление плавных изгибов пластов.

Какова бы ни была природа ползучести и пластических дефор­маций пород, она происходит даже на сравнительно небольших глубинах. Установлено, что с течением времени нарушенное поле естественных напряжений вокруг горных выработок и нефтяных скважин в значительной мере восстанавливается и давление на крепь выработки и на обсадные трубы нефтяных скважин после оконча­ния бурения длительное время возрастает, что объясняется про­явлением ползучести и пластичности некоторых пород.

Пластические свойства горных пород еще недостаточно изучены. Вместе с тем эти свойства весьма важно знать при проектировании процессов искусственного воздействия на призабойную зону сква­жин. Поэтому изучению пластических свойств пород в последние годы уделяется возрастающее внимание.