Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 [ 47 ] 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94

в прямоугольных координатах у = / (т) изображается прямой,, отсекающей на оси абсцисс отрезок, равный пределу сдвига т,...

Как известно, формула (192) широко используется в исследованиях глинистых растворов.

Некоторое подобие вязкого течения наблюдается и у горных пород, например у глин, которые во избежание отождествления их с пластичной средой Сен-Венана относят 1269] к телам Максвелла. Тело Максвелла характеризуется, во-первых, тем, что в процессе деформации полностью изменяются его структура, плотность и Пористость. Во-вторых, деформация при неизменной нагрузке продолжается весьма долго. Таким образом, между пластическим течением тела Сен-Венана и вязким течением тела Максвелла имеется различие.

Но сложность поведения реальных материалов состоит не только-в изложенном. Наблюдения за поведением цемента, бетона и железобетона [213] показали, что только полностью необратимая деформация увеличивается с увеличением продолжительности действия внешней нагрузки. Если указанную остаточную деформацию Eq в виде функции времени t экстраполировать в прямоугольных координатах до момента ito, то на оси ординат получим отрезок 8н.о - остаточную деформацию тела в начальный момент и переменную во времени равную

е„ = 8„-е,.„. (193).

Величина 8п называется ползучестью. Ползучесть обусловлена изменением кристаллической решетки в теле Гука и заполнением пор и других пустот материалом в теле Кельвина под действием внешней нагрузки. Следовательно, пластическое течение представляет собой лишь одно из видов течения, наблюдающихся в телах под действием внешней нагрузки.

ОТЛИЧИЕ ГОРНЫХ ПОРОД от ИДЕАЛЬНОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА

Известно, что одни горные породы имеют кристаллическое строение, другие представляют собой совокупность обломочных материалов с различными литолого-петрографпческими характеристиками. В соответствии с этим одни из них обладают пористостью, другие - пористостью и трещиноватостью, третьи - пористостью, трещиноватостью и кавернозностью, четвертые пустот вообще не имеют нлн имеют в ничтожно малом количестве. Поэтому в основной массе горные породы не обладают идентичными свойствами в каждой исследуемой точке, как это характерно для сплошных однородных тел.

Особенность их состоит также в том, что они могут деформироваться в одних случаях только в результате изменения объема пустот, в других - в результате изменения объема пустот и одновременна линейных размеров. Деформация же тела Гука ограничивается изменениями только линейных размеров. Таким образом, между телами

Гука и Кельвина, в том числе и горными породами, имеется существенное различие. Однако это различие, как показывает анализ основных свойств горных пород [220], не препятствует использованию методов теории упругости и пластичности для решения задач, относящихся к механике горных пород. При небольших напряжениях, деформациях и длительности процесса все горные породы ведут себя как упругие тела и следуют закону Гука. Следовательно, в этом случае вполне применимы соотношения (185)-(189). Для оценки величин, входящих в эти соотношения, необходимо лишь использование в лабораторных исследованиях образцов горных пород достаточно большого размера, позволяющее рассматривать их как однородные тела.

Вследствие различного строения горные породы имеют различные упругость и прочность, различные упругие последействия и задержки упругости. Последние особенно присущи среде Кельвина, к которой, как упоминалось, относятся и горные породы, обладающие пористостью, кавернозностью и трещиноватостью. Для крепко сцементированных и нетрещиноватых пород характерна более высокая прочность, в том числе и прочность на сдвиг. Наименьшая прочность на сдвиг и пластичные свойства обычно присущи слабосцементирован-ным песчаникам, пескам, обломочным и пластичным глинам. Поэтому в этих породах иногда наблюдается обрушение призабойных зон скважин, и, как следствие этого, смятие нижней части эксплуатационных колонн, образование песчаных пробок в процессе эксплуатации, обвалы стенок скважин в процессе бурения и ловильных работ.

Как показала практика, интенсивность перечисленных разрушений существенно зависит от состояния и условий залегания пород, а также от свойств жидкостей в скважине. Обрушения стенок скважин усиливаются, когда породы перемяты и залегают под большим углом к горизонтальной поверхности. Этому же способствует размо-рание некоторых глинистых пород в воде и в фильтрате глинистого раствора, а также смазывающее действие жидкости, проникающей в трещины и уменьшающей трение породы о породу.

Известно, что после нефтяных ванн или промывки скважины нефтью в нарушенных перемятых породах обвалы происходят чаще, чем при промывке скважин глинистым раствором, хотя размокания глин в нефти, как правило, не происходит.

Исследования показывают, что глинистые породы и почвы обладают большей сжимаемостью, чем песчаные с рыхлой структурой. При незначительных внешних нагрузках сжимаемость рыхлых песчаников связана с перемещением отдельных зерен, а при больших нагрузках - с их разрушением. Глины сжимаются без разрушения частиц, и сопротивление их сжатию уменьшается с увеличением влажности. Увлажненным глинам свойственно иногда вязкое течение, характерное для тела Максвелла. Это свойство глинистых пород в некоторых случаях приводит к заметному уменьшению диаметра скважины между очередными долблениями и к необходимости периодической проработки ствола.

УПРУГИЕ СВОЙСТВА ПОРОД

Наиболее распространенными характеристиками упругих свойств твердых тел, которыми широко пользуются в механике горных пород, являются модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона v, модуль сдвига fi и модуль объемной упругости к. Методика лабораторных определений этих констант обстоятельно изложена в ряде монографий [5, 16, 184, 220].

Здесь ограничимся лишь рассмотрением этих констант для некоторых материалов и горных пород (табл. 17). Кроме констант, выражаюп];их упругие свойства и полученных различными исследователями при одноосном сжатии, в таблице приводятся данные о плотности и пористости горных пород.

Указанные константы следует рассматривать как весьма приближенные, так как обычно для одного и того же материала значения их колеблются в широких пределах и, кроме того, они получены для некоторых вполне определенных условий. Указанные константы суп];ественно зависят не только от различных особенностей исследуемого материала, но и от методики их определения. Например, совсем не безразлично, определяются ли упругие свойства при сжатии или растяжении. В табл. 18 приводятся значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона для некоторых пород параллельно напластованию при сжатии и растяжении.

Из табл. 18 видно, что расхождение в определениях упругих свойств пород при сжатии и растяжении часто находится в пределах возможных погрешностей, с которыми приходится сталкиваться при каждом виде испытаний смежных образцов. Для глинистых сланцев эти расхождения достигают 2-3-кратной величины.

По мнению К. В. Руппенейта [220], это расхождение обусловлено недостаточной надежностью оценки упругих свойств горных пород, по растяжению. Но указанное расхождение может быть выражено с не меньшей вероятностью различной сопротивляемостью слоистых горных пород растяжению и сжатию. Иначе трудно понять хорошее совпадение упругих констант, получаемых при растяжении и сжатии для одних пород и большое расхождение их для других. Из табл. 18 как раз и следует, что упругость слоистых пород при растяжении параллельно напластованию в основном больше, чем при сжатии. Сложнее обстопт дело в этом отношении с коэффициентом Пуассона, расхождения которого при растяжении и сжатии имеют разное направление и, возможно, связаны преимуп];ественно с погрешностями измерений.

По данным Б. П. Беликова [19], модуль упругости имеет тенденцию увеличиваться с увеличением нагрузки на породу. При всестороннем сжатии горных пород, как показали исследования М. П. Воларовича [36, 37], эта тенденция распространяется и на модуль сдвига (рпс. 51, 52). Особенно ощутима она для плотных пород. При этом, как следует из рис. 52, модуль сдвига в 2-2,5 раза меньше модуля Юнга. С повышением давления наблюдается также некоторое увеличение коэффициента Пуассона [16, 39] (табл. 19).