Разрушение горных пород

 
 
А. Н. Попов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД 
 
Учебное пособие 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

Утверждено редакционно-издательским  
советом Уфимского государственного  
нефтяного технического университета 
УДК 622.24(075.8) 
ББК 33.36я7 
 
П58 
 
 
 
 
Рецензенты: 
генеральный директор ООО «Азимут» (г. Уфа) канд. техн. наук Х. И. Акчурин; 
директор НИОКР ООО «Перфобур» (г. Уфа) д-р техн. наук А. В. Лягов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Попов, А. Н. 
П58  
Разрушение горных пород : учебное пособие / А. Н. Попов. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 184 с. : ил., табл.  
 
 
ISBN 978-5-9729-0762-5 
 
 
Рассмотрены горные породы нефтяных и газовых месторождений, их 
геологические и механические свойства с точки зрения бурения нефтяных и 
газовых скважин. Большое внимание уделено устройству и механике породоразрушающих инструментов, их взаимодействию с забоем и изнашиванию 
в процессе бурения. Описаны принципы выбора породоразрушающих инструментов для конкретных условий бурения и их рациональной отработки.  
Для студентов нефтегазовых направлений подготовки. Может быть полезно студентам, изучающим горное дело. 
 
 
УДК 622.24(075.8) 
 
ББК 33.36я7 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0762-5 
” Попов А. Н., 2021 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
 

 
 
ВВЕДЕНИЕ 
Предмет и задачи курса  
«Разрушение горных пород» 
 
Курс «Разрушение горных пород» имеет своим предметом изучение механических процессов в горных породах при бурении скважин, а также конструкций и механики породоразрушающих инструментов. Он предшествует «Технологии бурения нефтяных и газовых скважин» и другим дисциплинам, профилирующим специальность будущих специалистов в области бурения нефтяных и 
газовых скважин. Поэтому задача курса – создать необходимую теоретическую 
и экспериментальную базу для их изучения. Теоретической базой для изучения 
курса являются фундаментальные положения физики твердого тела, дающие 
представление о физической сущности процессов, а также механики сплошных 
сред, теоретической механики и деталей машин. 
Основными задачами курса являются изучение механических свойств горных пород нефтяных и газовых месторождений, а также конструкций, работы и 
изнашивания породоразрушающих инструментов для бурения скважин. 
При бурении скважин человек вторгается в довольно хрупкую экологическую среду поверхностных образований земной коры, поэтому, как и в медицине, основным девизом должно быть «Не навреди!» 
 Вторым девизом буровиков должны быть слова Паскаля: «Предвидеть – 
значит управлять». При бурении этот девиз приобретает особую значимость,  
т. к. механические процессы в скважине и ее окрестностях часто не поддаются 
непосредственному контролю, и многие технические решения специалисты принимают в условиях весьма ограниченной информации. 
Сущность процессов в горных породах и породоразрушающих инструментах и параметры соответствующих моделей изучаются и определяются при их 
физическом моделировании. Особенности горных пород как твердых тел и неучтенные факторы при моделировании их деформирования и разрушения обусловливают значительные колебания выходных параметров испытаний. Для 
обобщения результатов таких испытаний широко применяются методы математической статистики. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 

 
 
Тема 1 
 
ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ НЕФТЯНЫХ 
И ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 
 
1.1. Осадочные горные породы 
 
 
По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, 
осадочные и метаморфические. 
 
Магматические породы образовались из магмы в результате ее застывания 
на глубине или лавы, излившейся на поверхность. 
 
Осадочные породы образовались в результате химико-физического преобразования ранее существующих пород с последующим их переносом и отложением в виде пластов (слоев). Они покрывают практически всю поверхность 
Земли. В эту группу также входят породы, образованные в результате жизнедеятельности организмов (органогенные осадочные породы). 
 
Метаморфические породы образовались в результате преобразования магматических и осадочных пород под действием высоких давления и температуры. 
 
Нефть и газ залегают преимущественно в осадочных породах, поэтому 
ниже рассматриваются только осадочные горные породы. 
Осадочные горные породы делятся на две большие группы: обломочные и 
хемогенные кристаллические. Описанием пород по составу занимается наука литология. В свою очередь обломочные горные породы делят на три подгруппы. 
Некоторые характеристики пород приведены в таблице 1.1. 
 
Таблица 1.1 
Осадочные горные породы 
Подгруппы 
Вид связей 
Примеры 
Связные 
Сцементированные 
Глины 
Аргиллиты, глинистые сланцы 
Обломочные 
 глинистые  
(54 %) 
Обломочные  
мелкоземистые  
и песчаные 
Рыхлые 
Сцементированные 
Алевриты, пески 
Алевролиты, песчаники 
(21 %) 
Кристаллизационные 
Кристаллические  
хемогенного  
и органогенного  
происхождения 
Карбонаты (известняки, доломиты) 
Сульфаты (ангидриты, гипсы) 
Галоиды (каменная соль, калийная 
соль, бишофит) 
(24 %) 
 
4 
 

 
 
В скобках показано осредненное содержание рассматриваемых горных пород в разрезах нефтяных и газовых месторождений. 
С точки зрения бурения скважин являются следующие геологические характеристики пород: минералогический состав, строение и неоднородность. 
Строение горных пород описывается двумя основными признаками – 
структурой и текстурой. 
Структура породы обусловлена размером, формой и характером поверхностей слагающих породу обломков и кристаллитов. 
Текстура породы характеризует особенности сложения породы (слоистость, сланцеватость, пористость, трещиноватость). 
 
Важнейшими характеристиками строения горных пород являются их пористость и проницаемость. Пористость обусловлена наличием пустот в горной 
породе и выражается в долях единицы или в процентах от общего объема горной 
породы: 
                            т = Vпор /Vг.п.,  
 
 
 
     (1.1) 
где m – пористость; Vпор – объем пор; Vг.п.– объем горной породы. Величина пористости в долях единицы изменяется от нуля до 0,45. 
 
Проницаемость характеризует сообщаемость пор, которая обеспечивает 
перемещение флюидов в пласте при наличии перепада давления. Перемещение 
жидкости в пласте описывается формулой Дарси: 
 
 
 
 
 
 
 
v = 
,
dL
dP
k ˜
h
 м/с, 
 
 
 
        (1.2) 
 
где v ௅ скорость движения флюидов по пласту; k ௅ коэффициент проницаемости; 
Ș – вязкость флюида; dP/dL – градиент давления в пласте. 
  
Месторождения нефти и газа приурочены к пористым проницаемым горным породам, которые называют коллекторами. 
В нормативных документах по технологии бурения находит применение 
обобщенная характеристика строения породы, названная категориями сполшности, которая характеризуется способностью пропускать через стенки скважины 
промывочную жидкость: 
первая категория – горная порода пропускает через себя промывочную 
жидкость вместе со шламом (выбуренными обломками), т. е. поры и трещины в 
породе стенки скважины имеют достаточно большие размеры; 
вторая категория – в горную породу может проникать вся промывочная 
жидкость, т. е. как дисперсионная среда, так и дисперсная фаза; 
третья категория – в породу может проникать только маловязкая дисперсионная среда, например, вода; 
четвертая категория – горная порода не пропускает жидкость и не передает гидравлическое давление. 
 
Горные породы в условиях их залегания находятся в сложном напряженном состоянии, обусловленном весом вышележащих пород и тектоническими 
5 
 

 
 
z    
р    
г    
‚  
р    
б    
р  
б   
„    
ƒ 
процессами в данной геологической области (рисунок 1.1). Совокупность этих 
напряжений называется горным давлением, которое характеризуется вертикальной составляющей – геостатическим давлением – и горизонтальной составляющей – боковым давлением:   
 
 
 
 
 
 
 
     рг = ȡgz;  
 
 
 
          (1.3) 
 
рб = Ȝ рг, 
 
 
 
 
     (1.4) 
 
где ȡ – плотность горных пород (ȡ = 1900…3000 кг/м3);  
g – ускорение силы тяжести; Ȝ – коэффициент бокового распора, зависящий от упругих свойств горной породы и ее вязкости; z – глубина залегания горной породы.  
  
Поры, каверны и трещины горных пород заполнены жидкостями или газами, для которых используется общее понятие – флюиды.  
  
р    
г    
Рисунок 1.1 – 
Компоненты  
горного  
давления 
 
Флюиды в горных породах также находятся под давлением, называемым пластовым. Для описания давлений широко используется понятие относительного давления, равного отношению действующего давления к давлению столба 
воды на той же глубине. Например, относительное пластовое давление рп' равно: 
  
 
 
 
 
 
рп' = рп /рв,  
 
 
 
        (1.5) 
где рп и рв – пластовое давление и давление столба воды на глубине залегания 
пласта. Величину рп' нередко называют индексом давления, а также коэффициентом аномальности, что одно и то же. 
 
Аномалии давления. В среднем пластовое давление изменяется по гидростатическому закону. Но если величина рп' < 0,8, то говорят, что в пласте имеет 
место аномально низкое пластовое давление (АНПД), а если рп' > 1,2 – аномально 
высокое пластовое давление (АВПД). Соответственно, если относительное давление лежит в пределах от 0,8 до 1,2, то такое давление считают нормальным. 
 Наличие этих давлений оказывает существенное влияние на сопротивление горных пород разрушению породоразрушающими инструментами и на всю 
технологию бурения скважин.  
 
1.2. Структурные модели осадочных горных пород 
 
Осадочные горные породы двухкомпонентные системы – скелет горной 
породы (твердая часть) и пластовый флюид в порах породы. В механике грунтов 
горные породы рассматриваются как зернистые системы, погруженные в жидкость (рисунок 1.2, а). 
 
Зернистая модель характерна для обломочных несцементированных горных пород с точечным контактом обломков друг с другом. Обломки горной 
6 
 

 
 
породы 1 находятся во флюиде 2 и теряют часть своего веса в соответствии с 
законом Архимеда.  
 
Действие закона Архимеда возможно, если имеет место как горизонтальная, так и вертикальная проницаемость горных пород на всю глубину. При бурении такие условия выполняются только для поверхностных отложений.  
 
 
 
    а 
 
 
 
 
 
 
  б 
 
Рисунок 1.2 – Схемы зернистой (а) и дырчатой (б) моделей горной породы 
 
 
Горные породы представлены как проницаемыми, так и непроницаемыми 
отложениями. С увеличением глубины уменьшается пористость горных пород, 
обломочные, особенно глинистые горные породы уплотняются, растет степень 
их сцементированности. Поэтому допущение о точечном контакте обломков пород с увеличением глубины становится неприемлемым. 
 
Дырчатая модель пористой горной (рисунок 1.2, б). Согласно этой модели не структурные элементы горной породы погружены во флюиды, а флюиды 
находятся внутри горной породы.  
Напряжения в скелете дырчатой горной породы. На выделенный элемент 
горной породы действует геостатическое давление. Если бы все рг воспринималось скелетом породы, то напряжение s3 было бы максимальным: 
 
 
                      s3мах  = рг /с, 
 
 
 
 
 (1.6) 
 
где с – доля единичной площади, занятая скелетом в рассматриваемом сечении. 
Однако флюид, находящийся в порах, воспринимает на себя часть давления, равного рп (1 – с). Следовательно, вертикальные напряжения s3 в скелете 
 
 
        s3 = 
с
с
р
р
п
г
)
1
( -
-
 = smax – 
с
с
рп
)
1
( -
 = 
с
р
р
р
п
г
п
-

.               (1.7) 
 
 
7 
 

 
 
Из формулы (4.37) следует, что по мере увеличения пластового давления 
наблюдается уменьшение вертикальных напряжений в скелете. Если  рп = рг , то    
s3 = рг .  
Нетрудно показать, что для дырчатой модели горизонтальные напряжения 
s1  в скелете равны  
 
 
 
 
 
 
s1 = lрг + рп(1 – с)(1 – l). 
 
 
        (1.8) 
 
  
Очевидно, что доля скелета должна существенно зависеть от пористости 
горной породы. Для установления вида зависимости доли скелета от пористости 
в расчетном сечении авторами были проанализированы результаты испытаний 
горных пород на гидроразрыв, на основании которых для песчано-глинистых пород предложена следующая формула  
Рисунок 1.3 – Зависимость с от m  
в расчетном сечении горной породы 
  
 
 
 
c = exp (–19,2 m2), 
 
 
              (1.9) 
 
где m – пористость горной породы в долях единицы.  
 
 
 
 
График зависимости (1.9) приведен на рисунке 1.3, из которого видно, 
что при нулевой пористости с = 1, а при 
увеличении пористости доля скелета 
быстро уменьшается и асимптотически 
приближается к нулю 
 
Уплотнение пород по мере увеличения 
глубины их залегания характерно для 
всех подгрупп горных пород. Но особенно оно велико у глинистых горных 
пород. По мере уплотнения снижается 
пористость пород и растет их плотность (рисунок 1.4). 
Из рисунка 1.4 видно, что по мере 
увеличения глубины залегания пористость глин монотонно уменьшается (в 
рассматриваем случае в 4,5 раза), а 
плотность глины растет. Уравнения регрессии глубины залегания на названные показатели приведены на самих графиках. Такое уплотнение является нормальным и характерно для случаев, когда 
пластовое давление изменяется монотонно. При наличии в отдельных пластах 
аномального пластового давления приводит к нарушению этих закономерностей. 
Например, при АВПД степень уплотнения горной породы будет существенно 
ниже, чем при нормальном давлении. Это явление используется  на  практике  
для  прогнозирования  АВПД  в  ниже лежащих пористых проницаемых   горных 
породах, вскрытие которых скважиной без обеспечения соответствующего противодавления со стороны скважины может привести к притоку в скважину пластового флюида и даже к ее открытому фонтанированию. 
8 
 

 
 
0,5
2700
y = -0,000117x + 0,453000
R 2  = 0,999562
y = 0,212x + 1907
R 2  = 0,9974
2500
0,4
2300
0,3
2100
0,2
Пористость
1900
Плотность, кг/м
3
0,1
1700
0
1500
0
1000
2000
3000
0
1000
2000
3000
Глубина залегания, м
Глубина залегания, м
 
 
 
     а  
 
 
    
 
б 
 
Рисунок 1.4 – Зависимости пористости (а) и плотности (б) глин от глубины  
их залегания в Притеречном прогибе (по данным Ю. А. Мельникова) 
 
 
1.3. Геостатическая температура горных пород.  
       Многолетнемерзлые породы 
 
 
На территории России широко распространены мерзлые горные породы.  
В зависимости от того, как долго они находятся в мерзлом состоянии, различают 
сезонно-мерзлые (месяцы) и многолетнемерзлые горные породы (годы, сотни и 
тысячи лет). В северных и северо-восточных районах России многолетнемерзлые породы имеют сплошное распространение, и их толщина измеряется сотнями метров, а температура достигает –7…–12 qС.  
Температура горных пород определяется двумя источниками: теплом, получаемым от Солнца, и тепловым потоком, идущим из недр Земли. 
Солнечное тепло проникает на глубину 8…30 м. Ниже этой границы температура горных пород в рассматриваемой точке практически постоянна, что 
позволяет говорить о геостатической температуре. С увеличением глубины температура горных пород возрастает со средним градиентом 0,03 qС/м. Геотермический градиент зависит от геологического строения региона и теплофизических 
свойств горных пород и для разных районов Земли меняется в широких пределах. На больших глубинах температура горных пород может достигать значительных величин. Например, температура на западном склоне среднего Урала на 
глубине 15 км составляет около 200 qС, в Прикаспийской впадине на глубине 
12…14 км – до 300 qС, а на Курильских островах на глубине 15 км – до 600 qС. 
Многолетнемерзлые горные породы могут быть как кристаллические, так и обломочные. Кристаллические породы при отрицательных температурах мало изменяют свои свойства. Наоборот, обломочные водонасыщенные рыхлые и 
9 
 

 
 
слабосцементированные породы при замерзании и оттаивании резко изменяют 
свои свойства. При замерзании такие породы цементируются льдом и отличаются существенной прочностью (sсж до 2,5 МПа) и непроницаемостью, а при оттаивании они переходят в разжиженное состояние. 
Мерзлые горные породы имеют особую текстуру (рисунок 1.5): массивную 
(рисунок 1.5, а), когда вся вода в порах находится в виде льда-цемента; слоистую 
(1.5, б), когда ледяные включения входят в состав породы в виде параллельных 
льдообразных слоев; сетчатую (рисунок 1.5, в), когда ледяные включения образуют пространственную сетку. 
 
– скелет горной породы 
– лед 
 
 
     а  
 
 
  б 
 
 
 
  в 
  
Рисунок 1.5 – Текстуры мерзлых горных пород (по В. Е. Копылову): 
а – массивная; б – слоистая; в – сетчатая 
 
В мерзлых горных породах не вся вода замерзает даже при значительных 
отрицательных температурах. Соотношение льда и воды существенно влияет на 
физико-механические свойства мерзлых пород. Если свободная вода кристаллизуется в порах при температуре около 0 qС, то капиллярная вода – при температуре –6…–18 qС, а физически связанная вода – при температуре –75…–80 qС. 
Поэтому прочность мерзлых песчаных пород значительно выше, чем прочность 
мерзлых глинистых пород.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10