Физика разрушения горных пород при бурении нефтяных и газовых скважин

1.1 Характеристика сил связи в структуре горной породы

В гетерогенных системах, какими и являются горные породы, различают силовые взаимодействия как внутри фаз, так и между фазами. Эти взаимодействия между зернами твердой компоненты и внутри них определяют устойчивость горной породы к механическим воздействиям: сопротивляемость пород разрушению.

Между компонентами горной породы

действуют следующие силы: силы связи химической природы, молекулярные силы, ионно-электростатические силы, капиллярные и магнитные силы.

1) Силы связи химической природы. Эти силы обусловлены электрическим воздействием между атомами и могут быть ионными и ковалентными. Образование ионных сил вызвано электроотрицательностью взаимодействующих атомов, их способностью захватывать электроны «в личное пользование». При образовании ионной силы валентные электроны от атома с меньшей электро-отрицательностью переходят к атому с большей электро-отрицательностью с образованием двух противоположно заряженных ионов, между которыми возникает связь за счет кулоновского притяжения.

Ковалентные силы между различными атомами возникают в том случае, когда происходит обобществление электрона различными атомами.

Энергия связи (количество энергии, выделяющейся при образовании данной связи между атомами) сил химической природы достигает 200 – 1200 Дж/моль. Радиус эффективного действия (3 – 4)10-10 м, т.е. эти силы являются близкодействующими.

К связям химической природы относят и водородную связь. Она возникает тогда, когда между двумя отрицательно заряженными ато-мами вещества появляется атом водорода. Такая связь характерна для водородосодержащих соединений. Энергия этой связи достигает 40 Дж/моль.

2) Молекулярные силы. Эти силы обусловлены следующими видами взаимодействия молекул:

• ориентационными, возникающими между полярными молекулами;

• индукционными, возникающими вследствие поляризации неполярных молекул в электрическом поле, создаваемом полярными дипольными молекулами;

• дисперсионными, возникающими при взаимодействии электронов молекул.

Молекулярные силы являются дальнодействующими: действуют на расстоянии нескольких тысяч ангстрем. Энергия связи этих сил достигает 0,4 – 12 Дж/моль.

При расстояниях, меньших (1 ч 2)·10-10 м, молекулярные силы из притягивающих становятся отталкивающими. Это вызвано взаимодействием электронных оболочек атомов.

3) Электростатические силы. Эти силы возникают вследствие появления, по той или иной причине, на поверхности минералов электрических зарядов, взаимодействующих между собой по закону Кулона. Наиболее характерны эти силы для глинистой горной породы: представляют собой взаимодействие катионов-компенсаторов, находящихся в жидкой фазе, и заряженной поверхности глинистых минералов. В глинистой горной породе заряжение поверхностей глинистого минерала происходит вследствие изоморфизма. (Изоморфизм – это способность атомов, молекул твердого тела замещаться атомами или молекулами другого тела).

4) Капиллярные силы. Своим происхождением эти силы обязаны капиллярному давлению, которое возникает из-за искривления поверхности жидкости. Возникает капиллярное давление на границе раздела жидкой и газообразной компонент горной породы.

Форма поверхности жидкости возле твердого тела (на твердом теле) определяется кривизной поверхности h= (dS/dV) / 2, где S– площадь поверхности тела, V–объём тела, и характером смачивания. Кривизна поверхности может быть положительной и отрицательной. В соот-ветствии с этим различают положительное капиллярное давление (для выпуклой поверхности) и отрицательное капиллярное давление (для вогнутой поверхности).

Величина капиллярных сил fопределяется зависимостьюf = 2рrгж, где r – радиус частицы, гж – поверхностное натяжение жидкости.

5) Магнитные силы. Эти силы возникают в горной породе, которая содержит ферромагнетики. Чаще всего эти силы возникают в глинистой горной породе при наличии в ней гематита, гетита, гидрометита, образующих на поверхности глинистых минералов тонкие пленки. Эти пленки обладают жестким магнитным моментом. Величина магнитных сил незначительна.

Перечисленные выше силы обеспечивают прочность адгезионного соединения разнородных минералов в структуре породы и когезионную прочность однородных минералов. Адгезия обеспечивает между двумя телами контакт определенной прочности благодаря физическим или химическим силам связи. Когезией, строго говоря, называют межатомное, межмолекулярное взаимодействие различной природы внутри отдельной фазы. Когезионным соединением является и соединение однородных тел. Следует, однако, иметь в виду, что если поверхность соединяемых однородных тел загрязнена третьим телом (адсорбированные молекулы газа, пленка жидкости и пр.), то такое соединение следует считать адгезионным.

Разрыв адгезионного соединения, разрыв однородного тела определяют адгезионную и когезионную прочности, соответственно.

Работа когезии Wк определяется затратами энергии на получение единицы площади свежей поверхности тела и равна удвоенной величине удельной свободной поверхностной энергии разрушаемого тела o:

W = 2go.

Появление цифры два в формуле связано с тем, что при разрыве тела возникают две свежие поверхности. Величину Wк часто называют когзионной прочностью на разрыв.

Адгезионная прочность (работа адгезии) Wа характеризует прочность адгезионного соединения и может быть выражена аналогичной по виду формулой

W = 2go,

где go – работа, затраченная на получение единицы свежей поверхности адгезионного соединения.

1.2 Классификация горных пород академика Сергеева Е.М.

В основе классификации лежит характер связи между частицами твердой фазы. Все горные породы по этому признаку делятся на два класса: скальные и дисперсные.

В классе скальных горных пород находятся породы, у которых химическая связь действует не только внутри зерен минералов, но и между зернами минералов. Это приводит к тому, что когезионная прочность минералов, входящих в состав скальной горной породы, не превосходит прочность адгезионной связи между минералами. Такие породы именуют связными. Они имеют большую прочность.

Влияние жидкостей на прочность скальных пород проявляется только в процессе их нагружения, когда жидкость либо проникает в глубь растущей трещины и оказывает влияние на разрыв связей в её вершине, либо оказывается защемленной в изолированных порах. К классу скальных горных пород относятся метаморфические (гнейсы, сланцы, амфиболиты и др.), магматические (граниты, базальты, диориты, габбро, порфириты и др.), осадочные сцементированные породы (песчаники, известняки, доломиты, брекчия и др.).

Дисперсные горные породы имеют слабую адгезионную границу между зернами минералов. Это связано с тем, что на этой границе действует физический тип связи между минералами (магнитные, электростатические, капиллярные силы), а внутри минералов действуют силы химической природы. Дисперсные горные породы часто именуют слабосвязными. Горные породы этого класса теряют устойчивость и прочность при попадании в них воды вследствие ослабления физического типа связи между минералами. В классе дисперсных горных пород находятся осадочные несцементированные породы, глины, аргиллиты, глинистые песчаники.

 Скачать реферат