СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ
Одним из важнейших направлений исследования процессов бурения скважин с целью обоснования оптимальных организационных н технико-технологических решений, принимаемых как на стадиях проектирования, так и в период сооружения скважин, является изучение свойств горных пород и закономерностей их изменения в естественном состоянии.
В результате воздействия на горные породы различных физических полей они могут находиться в естественных условиях в твердом, жидком и газообразном состояниях, каждое из которых определяется так называемыми термодинамическими параметрами состояния. Основными термодинамическими параметрами для горных пород являются абсолютная температура Т, абсолютное давление р и плотность р (или удельный объем).
Разнообразные физические, физико-механические и физико-хи — мические свойства горных пород и полезных ископаемых, их классификации, причины и закономерности изменения этих свойств в различных термодинамических условиях, лабораторные и полевые методы их определения изучает новая геологическая наука петро — физика [10].
Горная порода — это многокомпонентная гетерогенная система природного образования, включающая твердую, жидкую и газообразную фазы. Свойства горной породы определяются в основном ее фазовым составом, строением, неоднородностью и термодинамическими параметрами, характеризующими ее естественное состояние.
По составу твердой фазы большинство горных пород являются полиминеральными и полидисперсными образованиями, т. е. сложены кристаллами или зернами минералов различной крупности (гранит, песчаник, глина и др.). Встречаются и мономинеральные породы (известняк, доломит, мрамор, лед). Твердая фаза заполняет часть объема горной породы. Оставшаяся часть, называемая поровым пространством, заполняется обычно жидкими и газообразными фазами, которые при определенных термодинамических параметрах могут изменять свое агрегатное состояние (например, переход воды в лед при отрицательных значениях температуры).
Строение горных пород характеризуется двумя основными признаками: структурой и текстурой. Структура породы определяется минеральными компонентами и льдом-цементом. По мере понижения температуры и увеличения влажности (льдистости) пород их прочностные свойства приближаются к прочности скальных и полускальных пород, при этом в большей степени это проявляется у крупнозернистых песчаных пород со сложной текстурой и в меньшей степени у глинистых пород со слоистой криогенной (с прослоями льда) текстурой.
В зависимости от характера давления могут происходить как уплотнение пород с увеличением поверхностей контакта слагающих их зерен, так и образование новых трещин с уменьшением связи между отдельными участками.
Свойства горных пород выражают и оценивают с помошью определенных показателей (характеристик), являющихся количественной их мерой. Наиболее важные из них, существенно влияющие на процесс бурения скважин, — плотность и пористость, упругие, деформационные, прочностные, электромагнитные и теплофизические характеристики горных пород.