1.2. Общие сведения о горных породах

По происхождению горные породы разделяются на осадочные, магматические и метаморфизованные.

Основные нефтяные и газовые месторождения сложены осадочными и измененными породами, такими как глины, песчаники, каменные соли, гипсы, доломиты, мергели, известняки, галечники, алевролиты и др.

Часть этих пород являются водо-, газо- и нефтенасыщенными коллекторами. Чаще всего коллекторами являются пористые песчаники, галечники или другие трещиноватые горные породы.

Более разнообразны геологические условия различных рудных месторождений. В данном случае более сложны, многочисленны и индивидуальны условия залегания, номенклатура и физико-механические свойства горных пород.

Для горных пород характерна неоднородность состава, распределения минеральных зерен, пористости и трещиноватости, плотности и механических свойств.

Горные породы состоят из минеральных зерен, которые, в свою очередь, из кристаллов, составляющих «каркас» и структуру минерала, определяющие его деформируемость и прочность. Разновидность минералов, количественное их соотношение и структура распределения в породе определяют вид горной породы. Физическое и прочностное состояние горной породы будет зависеть еще и от её разупрочнения, которое чаще всего определено наличием трещин и жидкости в них. Трещины в породе, как правило, развиваются по плоскостям контакта минеральных зерен.

Кристалл - твердое тело, в котором материальные частицы (атомы, ионы или молекулы) располагаются закономерно наподобие узлов пространственных решеток.

Правильная упорядоченная геометрически форма кристаллов обусловлена внутренним атомным строением.

Кристаллы сохраняют свою форму в основном за счет электростатических сил взаимодействия между элементарными частицами. Например, может проявляться ионная связь, причем ионов различного заряда. Прочность (Р) ионной связи определяется расстоянием (L) и величиной заряда (А):

. (1.1)

Ионные решетки присущи неорганическим соединениям (силикаты, галогены и др.). Классическим примером ионной решетки является пространственная решетка кристаллов каменной соли, в узлах которой находятся положительные ионы Na⁺ и отрицательные ионы Cl ^– .

У атомных решеток в узлах находятся нейтральные атомы. Примером атомной решетки может быть кристалл алмаза.

Молекулярные решетки строятся таким образом, что в узлах располагаются молекулы. Такие решетки характерны главным образом для органических соединений и достаточно слабы.

В природе встречаются часто и смешанные решетки – ионно-молекулярные. Такие кристаллы отличаются тем, что в одном слое (плоскости) может быть ионная связь, а между слоями молекулярная. Такие кристаллы, например, глинистый минерал монтмориллонит, легко разрушаются по плоскостям.

С лоистые кристаллы возможны и при однородной связи. Например, графит (рис.1.1) имеет слоистое строение и легко делится на чешуйки, что объясняется ослаблением связи между слоями вследствие бòльшего расстояния (С) между атомами углерода по сравнению с расстоянием между атомами, образующими кристалл в плоскости чешуйки (а).

Кристаллическая структура алмаза (рис.1.2) относится к кубической решетке, в которой атомы углерода размещены в вершинах элементарной кубической ячейки и в центрах её граней. От обычной кубической решетки структура алмаза отличается наличием четырех атомов углерода, размещенных в центрах четырех из восьми маленьких кубов элементарного куба. Вследствие этого каждый атом углерода в решетке очень прочно связан с четырьмя соседними размещенными атомами. Именно поэтому алмаз имеет очень высокую твердость, которая в тысячи раз выше твердости любого известного минерала.

При одинаковости состава структура алмаза определяет значительную разницу в свойствах алмаза и графита. В табл. 1.2 приведены некоторые характеристики свойств графита и алмаза.

Таблица 1.2

Свойство	Графит	Алмаз
Плотность, г/ cм^3 Прочность при растяжении, МПа Твердость по шкале Мооса Модуль упругости, кПа	2,25 3,5÷17 0,15 0,5 ×10^7	3,5 1800 10 113 ×10^7

На прочность связи в кристаллах большое влияние оказывает вода. Молекулы воды ослабляют внутренние связи, понижая прочность.

Кристаллы обладают такими свойствами, как анизотропия, спайность (способность раскалываться по плоскостям) и наличие естественных дефектов.

По строению горные породы бывают кристаллическими (из осадочных соль, а в основном это породы магматического происхождения), аморфными (магматические - обсидиан, кремень), обломочными (продукты разрушения различных пород).

Структура породы - особенности строения горных пород, связанные с размерами и формой минералов.

По величине кристаллов (к) структура горных пород может быть:

крупнокристаллическая (к > 1,0 мм) - различимы глазом;

среднекристаллическая (к = 0,1-1,0 мм) - различимы лупой;

скрытокристаллическая (к = 0,01-0,1 мм) - различимы в микроскоп;

полиморфная (к < 0,01 мм) - различимы в микроскоп.

По отношению размеров кристаллов горные породы могут быть равномернозернистые, разнозернистые и порфировые (крупные кристаллы на фоне мелких).

С увеличением размеров зерен прочность равномерно-зернистых пород снижается.

Это связано с тем, что, как установлено П.А.Ребиндером, чем меньше частицы, слагающие твердое тело, например, породу, тем меньше микротрещиноватость и другие нарушения, которые являются основной причиной разрушения твердого тела. Изменение размеров зерен от 1 до 100 мкм снижает прочность пород почти в 2 раза [26].

Обломочные породы по структуре бывают брекчиями и конгломератами.

Осадочные породы бывают рыхлыми и сцементированными, например, пески и песчаники. Песчаники отличаются как по составу зерен песка и их размеру, так и по составу связки. Данные особенности существенно влияют на абразивные и прочностные характеристики породы. Например, песчаник из кварцевого песка, не являясь прочным, чрезвычайно абразивен, что относит его к труднобуримым горным породам.

Текстура породы (лат. textura – ткань, строение) – характеристика степени и особенностей неоднородности горных пород, проявляющейся в форме, взаимном расположении и ориентировке минеральных зерен (слоистость, сланцеватость, полосчатость, флюидальность, пористость).

Слоистость горных пород связана с особенностями осадконакопления и возникает за счет изменения размеров зерен одинакового состава в вертикальном направлении, чередовании зерен различного состава.

Сланцеватость возникает при деформировании породы в направлении действия одностороннего горного давления.

Полосчатость связана с определенной ориентировкой минеральных зерен в породе, вызванная действием горного давления и температур.

Слоистость, сланцеватость, полосчатость, флюидальность, определенная ориентировка минералов в породе, а также ориентированная пористость задают анизотропию механических свойств горных пород.

Анизотропия горных пород – (греч. – anios неравный + tropos свойство) - неодинаковость физических свойств (теплопроводность, скорость прохождения упругих волн, а также твердость и буримость) горных пород ( иных твердых тел) по различным направлениям внутри этого тела.

Анизотропия механических свойств горных пород проявляется в том, что способность к механическому разрушению, например, буримость у анизотропных пород будет различной в зависимости от направления приложения разрушающего усилия (направления бурения). Различие в буримости анизотропной горной породы в различных направлениях может быть очень значительной (до 2 и более раз).

Например, слоистость, включающая более и менее прочные слои горных пород оказывает существенное влияние на их агрегатную прочность. Например, при растяжении вдоль слоев прочные слои воспринимают на себя часть нагрузки и увеличивают общую сопротивляемость породы (табл.1.3) [26].

Таблица 1.3

Анизотропия пределов прочности при растяжении горных пород Донбасса

Порода	Предел прочности на растяжение
	вдоль слоев, МПа	перпендикулярно слоям, МПа
Аргиллит Алевролит Песчаник	2,9 2,9 3,5	0,9 1,1 1,8

В слоистых горных породах наблюдаются различные значения модулей упругости параллельно слоям и перпендикулярно им: вдоль слоев модуль упругости больше, чем перпендикулярно к ним, что предопределено большей деформируемостью пород перпендикулярно слоям из-за повышенной сжимаемости более мягких слоев.

Для анизотропных пород характерно различие скоростей прохождения упругих волн вдоль слоев и поперек им.

Анизотропия теплопроводности при бурении слоистых горных пород плавлением или термомеханическим способом бурения будет приводить к тому, что нагрев породы активнее происходит в направлении слоев, что окажет влияние на процессы формирования ствола скважины [21].

Таким образом, с точки зрения физического объекта, горная порода – неоднородная (гетерогенная – от греч. heterogenes – разнородный) система, состоящая из различных по физическим свойствам, химическому составу и агрегатному состоянию частей (фаз), которые взаимодействуют друг с другом по поверхностям раздела, при преодолении которых резко изменяется одно или несколько свойств (состав, плотность, упругость, теплопроводность, электрическая проницаемость и т.д.).

Части или фазы, входящие в состав той или иной горной породы, можно разделить на мономинеральные кристаллы, связанные между собой другим минералом или несколькими минералами. При этом механические свойства кристаллов и минералов, из них состоящих и входящих в состав породы, часто резко различны. Прочностные и деформационные характеристики горной породы в зависимости от вида нагрузки определяются характеристиками входящих в породу компонент и прочностью связей между ними.

Между компонентами горной породы действуют следующие силы [8]:

- силы связи химической природы (силы электрического взаимодействия между атомами - ионные и ковалентные связи);

- молекулярные;

- электростатические;

- капиллярные;

- магнитные.

1. Ионная и ковалентная связи в породе обусловлены электрическим взаимодействием между атомами.

При образовании ионной силы электроны от атома с меньшей электро-отрицательностью заряда переходят к атому с большей электро-отрицательностью заряда с образованием двух противоположно заряженных ионов, между которыми возникает связь за счет кулоновского притяжения [8].

Ковалентные связи между различными атомами возникают в том случае, если происходит обобществление электрона различными атомами.

Силы химической природы самые значительные и достигают 200-1200 Дж/моль, но радиус их действия мал, т.е. оказывая значительное начальное сопротивление при разрыве кристалла, эти силы действуют «не вязко», прекращая сопротивление при некотором взаимном удалении элементарных частиц (появлении трещины).

2. Молекулярные силы, характерные для осадочных пород (органических включений в осадочную породу), напротив, не являясь значительными (0,4-12 Дж/моль), являются дальнодействующими – действуют на расстоянии несколько тысяч ангстрем.

Именно поэтому осадочные и некоторые другие породы, не отличаясь высокой прочностью, вызывают определенные проблемы при разрушении вследствие пластичности и вязкости, обусловленные силами молекулярного взаимодействия и, оказывая значительное сопротивление силам разрушения, которое может не прекращаться и при нарушении сплошности.

3. Электростатические силы возникают вследствие появления на поверхности минералов (например, при образовании трещины) электрических зарядов, взаимодействующих между собой по закону Ш. Кулона.

4. Капиллярные силы вызываются капиллярным давлением, которое возникает на границе раздела жидкой и газообразной сред в породе и зависит от кривизны поверхности жидкости.

Форма поверхности жидкости возле твердого тела определяется кривизной поверхности и характером смачивания.

Кривизна поверхности может быть положительной (выпуклая – стягивающие усилия) и отрицательной (вогнутая – отталкивающие усилия).

Величина капиллярного давления р_σ, создаваемого поверхностным натяжением жидкости γ_ж на искривленной поверхности (мениске) жидкости в капилляре (по закону П. Лапласа) :

, (1.2)

где r – радиус кривизны поверхности жидкости.

5. Магнитные силы возникают в породе, содержащей ферромагнетики. Влияние этих сил на прочность горных пород незначительно.

Перечисленные выше силы определяют прочность адгезионного соединения разнородных минералов в структуре породы и когезионную прочность однородных минералов.

Адгезия (лат. adhaesio – прилипание) – слипание, обусловленное межмолекулярным взаимодействием, разнородных твердых или жидких тел (фаз), соприкасающихся своими поверхностями.

Когезия (лат. cohaesus - связанный, сцепленный) – межмолекулярное или межатомное притяжение между однородными частицами твердого тела или жидкости, приводящее к объединению этих частиц в единое тело.

Разрыв адгезионных и когезионных связей определяет прочность горной породы.

При этом адгезионные связи менее прочны, а границы минералов являются дефектами породы, наряду с трещинами, влияющими на прочность горной породы в первую очередь, ведь процесс разрушения твердого тела подобен разрушению цепи, звенья которой представляют элементы объема. Известно, что прочность цепи определяется прочностью наиболее слабого её звена , так и прочность тела полностью зависит от самого дефектного элемента, занимающего элементарный объем.

Когезионные связи в минеральных зернах и кристаллах нарушаются при дальнейшем разрушении породы с образованием менее крупных фракций, а также при повторном измельчении.

Мерзлые породы относятся к упруго-вязкопластичным твердым телам, которые включают наряду с минералами и поровым пространством, заполненным тем или иным газом или водой различной минерализации, лед. Наличие замерзшей воды, её количество и температура значительно влияет на прочность и энергоемкость разрушения горных пород. При промерзании породы формируется особая мерзлая текстура, которая может быть массивной, слоистой или сетчатой. Для скальных горных пород характерно заполнение льдом трещин.

Твердомерзлые породы характеризуются практической несжимаемостью и хрупким разрушением.

П ластично-мерзлые породы обладают вязкими свойствами и способны сжиматься под нагрузкой.

Мерзлые породы могут быть и сыпучими, если это крупнообломочные породы, находящиеся в состоянии незначительной влажности.

Степень спаянности мине-ральных частиц льдом оценивается объемной льдистостью, т.е. содержанием в породе замерзшей воды. Льдистость, температура и характер приложения нагрузок определяют способность мерзлой породы разрушаться как хрупкое или пластичное тело.

Основной процесс, формирующий свойства мерзлой породы, –теплообмен с окружающим пространством. Например, нагревание породы в процессе разрушения и продувки подогретым сжатым воздухом при бурении, приводит к таянию льда и повышению вязкости породы в поверхностном слое.

Особое значение на процессы разрушения мерзлых пород оказывает пористость. Чем меньше пористость породы, тем меньшее влияние оказывает промерзание на её прочностные характеристики, тем ближе эти характеристики к аналогичным показателям для немерзлой породы при той же влажности.

На рис. 1.3 [32] приведены графические зависимости разрушающих напряжений скалыванию мерзлых пород в зависимости от температуры и влажности. Как следует их этих данных, наибольшие значения разрушающих напряжений достигаются при влажности 15-20% и растут с понижением температуры пород. Например, понижение температуры от нуля градусов до –10^º С, приводит к повышению напряжения разрушения более чем в 3 раза.