Гравитационные силы, тектонические напряжения, давления насы­щающих породу флюидов вызывают напряженное состояние, испытывае­мое горными породами в земной коре и называемое горным давлением рг, которые принято определять в зависимости от объемной массы р0 выше­лежащих пород и глубины рассматриваемой точки z, т.е. рг = pogz.

Давление, обусловленное сопротивлением массива радиальной дефор­мации выделенного объема породы, называется боковым давлением рб
и зависит от горного давления рг:

Ре =^

 7Рг.

1-ц

где ц — коэффициент Пуассона.

Наконец, флюиды, находящиеся в пластах под определенным давлени­ем, в особенности вода, весьма серьезно влияют на поведение горных по­род и их свойства в конкретных условиях. Наиболее полно изучено влия­ние всестороннего сжатия на изменение поведения горных пород, хотя при этом возникают значительные сложности.

В.В. Булатов на основании большого количества экспериментальных работ пришел к следующим выводам.

1.  Твердость глинисто-карбонатных пород существенно зависит от все­
стороннего сжатия. Чем меньше твердость, тем заметнее влияние на нее
всестороннего давления. Особенно интенсивен рост твердости при давле­
нии 70 — 80 ÌÏà.

Для песчано-алевролитовых горных пород закономерности изменения твердости при повышении всестороннего давления те же, но наибольшее повышение твердости пород наблюдается при давлении до 30 и выше 80 ÌÏà.

2.  Пластические свойства глинисто-карбонатных пород изменяются в
условиях всестороннего давления следующим образом.

С повышением всестороннего давления предел текучести и коэффи­циент пластичности пород увеличиваются, при этом темп «упрочения» по­род под штампом возрастает. При определенном давлении коэффициент пластичности к для каждой породы скачком изменяется до к = оо. Чем вы­ше коэффициент пластичности породы, тем заметнее влияние давления на рост последнего. С увеличением давления темп роста коэффициента пла­стичности снижается.

В.В. Булатовым установлена зависимость механических свойств гор-

ных пород, определенных методом вдавливания, от совместного влияния давления и температуры. Он показал, что известняки верхнего мела (Чечня и Ингушетия), находящиеся в условиях высокой температуры, с ростом давления переходят в категорию пород, не дающих хрупкого разрушения.

С увеличением давления предел текучести пород при температуре 150 °С возрастает. Темп роста предела текучести превышает увеличение давления. Предел текучести и твердость пород при постоянном давлении (30 МПа) уменьшаются с ростом температуры. При постоянной температу­ре с ростом давления условный коэффициент пластичности горных пород увеличивается: наиболее интенсивный рост его прослеживается до давле­ния 20 — 25 МПа. При постоянном давлении с ростом температуры коэф­фициент пластичности понижается, особенно интенсивно при увеличении температуры до 100 °С.

Весьма своеобразно влияние жидкости, особенно воды, на поведение горных пород при воздействии всестороннего сжатия.

Б.В. Байдюк и Л.А. Шрейнер изучили влияние напряженного состоя­ния и влажности на устойчивость глинистых пород в скважинах. Они при­шли к выводу, что пластичные глинистые породы могут сохранять устойчи­вость до значительных глубин даже при небольшой плотности жидкости, если не происходит их увлажнение, которое существенно снижает прочно­стные свойства. Поэтому резко уменьшается глубина устойчивого состоя­ния ствола, сложенного из этих глин.

Общая закономерность для всех горных пород — уменьшение прочно­сти при насыщении их водой.

Вода, и особенно вода с растворенными в ней поверхностно-актив­ными веществами (ПАВ), существенно понижает (эффект П.А. Ребиндера) поверхностную энергию горной породы (чем выше избыточная поверхно­стная энергия, тем больше прочность породы), тем самым уменьшая ее прочность и твердость.

Жидкость, находящаяся в порах горной породы, также оказывает влияние на ее свойства. В случае неизолированного образца (массива) гор­ной породы при создании гидравлического давления в поры породы будет проникать жидкость, создающая давление. В этом случае на скелет породы действует разность между внешним гидравлическим и поровым давления­ми. Если разность мала, что обычно наблюдается, то механические свойст­ва породы при создании всестороннего гидравлического сжатия заметно не изменяются. Если при всестороннем гидравлическом сжатии прочность по­роды повышается, то поровое давление способствует снижению предела текучести и прочности.

Известно, что горные породы в условиях их разрушения на забое скважины не находятся в объемно-напряженном состоянии в пределах зо­ны разрушения и предразрушения (А.Ф. Афанасьев). При наличии капил­лярного давления, равного 200 — 250 МПа, жидкость проникает в трещино­ватые участки забоя, образуемые долотом, и устраняет всестороннее дав­ление в области разрушения. В условиях забоя скважины в процессе раз­рушения порода не изолирована от воздействия бурового раствора и его фильтрата. Следовательно, в процессе разрушения породы забоя жидкость бурового раствора фильтруется сквозь забой, что способствует уравнове­шиванию гидростатического давления в пределах глубины проникновения жидкости.

Прочностные и пластические свойства горных пород при вдавливании

штампа в условиях всестороннего давления проявляются эффективнее, ес­ли скорость фильтрации жидкости через верхний торец образца мала по сравнению со скоростью вдавливания штампа. И наоборот, если фильтра­ция жидкости опережает внедрение штампа, происходит частичное (или полное) уравновешивание гидростатического давления. При полном урав­новешивании гидростатического давления на поверхности образца и на глубине внедрения штампа эффект упрочнения полностью снимается; по­рода деформируется как в атмосферных условиях.

В низкопроницаемых горных породах наиболее активная фильтрация жидкости через поры (в отличие от закона Дарси) начинается только по достижении некоторого всестороннего давления, зависящего от проницае­мости пород (при высокопроницаемых — от вязкости бурового раствора). Такое увеличение давления способствует упрочнению пород. С превыше­нием этого значения давление в порах уравновешивается, и эффект все­стороннего давления снимается (В.Ф. Целовальников и др.).