Механика горных пород

 
 
 
А. Н. Попов 
 
 
 
 
 
 
 
МЕХАНИКА 
ГОРНЫХ ПОРОД 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК  622.24 
ББК 33.131 
П58 
 
 
 
Рецензенты: 
главный специалист отдела строительства скважин  
ООО «БашНИПИнефть», доктор технических наук А. В. Лягов; 
заместитель генерального директора ОАО «Азимут», 
кандидат технических наук С. В. Колонских 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Попов, А. Н. 
П58   
Механика горных пород : учебное пособие / А. Н. Попов. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 172 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2108-9 
 
Рассмотрены механические свойства осадочных горных пород нефтяных и газовых месторождений применительно к бурению скважин. Большое внимание уделено 
основным факторам, влияющим на деформирование и разрушение горных пород при 
статическом и динамическом нагружении. Рассмотрены вопросы длительной прочности горных пород, устойчивости стенок скважины и их сопротивления гидроразрыву. 
Изложены вопросы изнашивания материалов породоразрушающих инструментов и абразивности горных пород. Описаны принципы выбора породоразрушающих инструментов для бурения скважин в соответствии с показателями механических свойств пород.  
Для студентов нефтегазовых вузов и факультетов, обучающихся по специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин» очной, вечерней и заочной форм обучения. 
 
УДК 622.24 
ББК 33.131 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2108-9 
” Попов А. Н., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Общая характеристика курса 
 
«Механика горных пород» ௅ одна из специальных дисциплин, имеющая 
своим предметом изучение механических процессов в горных породах при сооружении в них горных выработок и, в частности, при бурении скважин. Она 
создает необходимую теоретическую и экспериментальную базу для изучения 
последующих дисциплин специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин».  
Теоретические основы механики горных пород базируются на фундаментальных положениях физики твердого тела и механики сплошных сред. Эти 
дисциплины рассматривают не реальные твердые тела, а их приближенные математические модели, которые включают в себя лишь наиболее существенные 
признаки (свойства) реальных объектов. Горные породы являются специфичными твердыми телами, математические модели которых весьма сложны. Поэтому в механике горных пород широко используются частные решения, в основе которых лежат гипотезы о применимости простых моделей тел при решении частных задач, а также физическое моделирование и экспериментальное 
исследование конкретных механических процессов.  
Механические процессы при бурении скважин охватывают, как правило, 
небольшие объемы окружающей скважину горной породы, находящейся в 
условиях всестороннего сжатия под действием горного давления, обусловленного весом вышележащих пород, давления промывочной жидкости в скважине 
и естественного пластового давления в порах и трещинах пород. 
При бурении скважин человек вторгается в довольно хрупкую экологическую среду земной коры, поэтому, как в медицине, основным девизом должно 
быть «Не навреди!» 
Вторым девизом буровиков-технологов должны быть слова Паскаля: 
«Предвидеть – значит управлять». При бурении скважин этот девиз имеет особую значимость, так как механические процессы в скважине и в окружающих 
ее горных породах не поддаются непосредственному контролю. Это придает 
излагаемому материалу самостоятельное значение, поскольку его изучение 
формирует у будущих специалистов знания, необходимые для предвидения 
процессов и явлений при вскрытии горных пород скважиной в условиях ограниченной информации. Некоторые вопросы механики горных пород применительно к бурению скважин до сих пор являются дискуссионными и требуют 
дальнейшего изучения. 
 
Скважина и этапы ее сооружения. Классификация скважин 
  
Основным средством разработки нефтяных и газовых месторождений является бурение скважин. Скважина в стадии бурения представляет собой цилиндрическую горную выработку (рисунок В.1, а) сооружаемую с помощью 
3 

специальных инструментов без доступа в нее человека. Вход 1 в скважину 
называют устьем, полость скважины 2 – стволом, дно скважины 3 – забоем, а 
цилиндрическую поверхность 4 ствола – стенкой скважины. Основным способом является механическое вращательное бурение, при котором скважина как бы 
высверливается породоразрушающим инструментом, называемым долотом 1 
(рисунок В.1, б). Над долотом расположены опорно центрирующие устройства 2 
и 4, забойный двигатель 3 и утяжеленные трубы 5. Весом утяжеленных труб создается осевая нагрузка на долото, необходимая для разрушения горной породы 
забоя и образования скважины при вращении долота. Разрушенная горная порода (шлам) удаляется промывочной жидкостью, которая подается к долоту по 
трубам 5 и 6. Трубы 6 называются бурильными. Они служат для соединения забойного оборудования с поверхностным и восприятия реактивного момента забойного двигателя. В отличие от утяжеленных труб они меньшего диаметра и 
тонкостенные. 
 
 
 
Рисунок В.1. Схемы скважины 
 
4 

В законченном виде скважина представляет собой капитальное сооружение в земной коре (рисунок В.1, в), предназначенное для извлечения из недр 
земли жидких и газообразных полезных ископаемых или для других целей. 
Стенки скважины крепят колоннами обсадных труб 4 и 2. Колонна 4 называется кондуктором, а колонна 2, перекрывающая продуктивный пласт 6, называется эксплуатационной. 
 Эти колонны обязательные. Кроме них могут быть спущены промежуточные колонны, обусловленные геологическими условиями бурения. Пространство между обсадными трубами и стенкой скважины заполняют цементным раствором 3, который, затвердев, изолирует пласты горных пород друг от 
друга, а обсадные трубы защищает от коррозии. Против продуктивного пласта 
6 в трубах и цементном камне перфораторами выполняются отверстия 7 
(фильтр) для гидравлического сообщения пласта со скважиной. Для извлечения 
продукции из скважины (в частности нефти) служат насосно-компрессорные 
трубы 5 (НКТ). На рисунке В.1, в показан простейший случай фонтанирования 
скважины. В этом случае на устье скважины устанавливают фонтанную арматуру 8. В случае отсутствия фонтанирования на НКТ в скважину спускают специальное насосное оборудование. 
Цикл строительства скважины включает: 
1) строительство подъездных путей, подвод воды и электроэнергии, подготовку основания, строительство и монтаж буровой; 
2) последовательное бурение совместимых по геологическим условиям 
интервалов ствола, их крепление трубами и разобщение пластов цементом; 
3) оборудование устья и перфорацию обсадной колонны в интервале продуктивных пластов; 
4) освоение и испытание скважины на продуктивность; 
5) демонтаж бурового оборудования. 
Скважины классифицируют по нескольким признакам: 
По назначению: 
x структурно-поисковые – для изучения геологического строения района, 
перспективного с точки зрения полезных ископаемых; 
x разведочные – для выявления продуктивных горизонтов (пластов) и 
определения их промышленного значения; 
x эксплуатационные – для извлечения из продуктивных горизонтов полезных ископаемых (в частности, нефти, газа); 
x нагнетательные – для закачки в продуктивные пласты воды или газа с 
целью поддержания пластового давления в процессе эксплуатации; 
x специальные (опорные, опорно-технологические, оценочные, контрольные и т. д.) – для детализации изучения геологического разреза месторождения, отработки технологии бурения, наблюдения и контроля за разработкой 
месторождения и других специальных задач. 
По пространственному положению ствола скважины: 
x вертикальные – ось скважины отклонена от вертикали не более чем на 
1–2°; 
5 

x наклонно-направленные – ось скважины искусственно совмещается с 
заданным профилем, при этом точка встречи скважины с продуктивным пластом (или проектным объектом, например, при тушении открытых фонтанов) 
находится на значительном расстоянии (сотни и даже тысячи метров) от вертикали, проведенной через устье скважины; 
x горизонтальные – скважины содержат хотя бы один участок, как правило, последний, ось которого отклонена от вертикали на угол, близкий к 90q; 
поэтому более точно их следовало бы называть наклонными скважинами с горизонтальным окончанием. 
По размещению устья на месторождении: 
x одиночные; 
x кустовые, как правило, наклонные и горизонтальные и пробуренные 
последовательно с одного подготовленного основания.  
 
 
 
 
 
6 

 
 
 
Рисунок 1.1. Группа (друза) кристаллов 
кварца 
 
Глава 1. СТРОЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 
 
1.1. Кристаллические структуры твердых тел 
 
В курсе «Механика горных пород» горные породы рассматриваются как 
твердые тела. В твердых телах атомы, молекулы и ионы располагаются в определенном порядке, который повторяется во всех трех измерениях. Такие тела 
называются кристаллическими, а порядок размещения в них частиц вещества – 
их кристаллической структурой. 
При выделении твердого вещества из раствора или расплава образуются правильные многогранники, повторяющие кристаллическую структуру вещества. Эти образования называют кристаллами. Группа кристаллов 
кварца (друза) показана на рисунке 1.1. 
На рисунке хорошо просматриваются 
правильные грани вершин кристаллов.  
В природе условия свободного 
роста кристаллов встречаются редко. 
Обычно кристаллизация начинается в 
огромном количестве точек (центров кристаллизации). Когда растущие кристаллы соприкоснутся друг с другом, то при дальнейшем их росте твердеющее 
вещество заполняет пространство между кристаллами. В результате образуются 
зерна неправильной формы, которые называются кристаллитами. Но в пределах зерен полностью сохраняется кристаллическая структура вещества.  
Схемы кристаллических решеток галита (каменной соли) и алмаза приведены на рисунке 1.2. На рисунке 1.2, а кристалл галита представлен в виде упаковки шаров, диаметры которых прямо пропорциональны размерам ионов.  
О. Браве предложил изображать кристаллы в виде пространственных решеток 
(рисунок 1.2, б), в узлах которых находятся материальные частицы вещества 
(атомы, ионы или молекулы). Частицы в узлах решетки условно раздвинуты, 
чтобы линиями показать связи между ними.  
На рисунке 1.2, в показана более сложная решетка алмаза. В узлах решетки расположены атомы углерода. Черным цветом показаны атомы, расположенные на передней грани решетки.  
Примеры более сложных решеток приведены на рисунке 1.3. Если в центре простейшей решетки в виде куба размещается еще одна частица, то получается объемноцентрированная решетка. При размещении частиц в центре всех 
граней куба простейшей решетки – гранецентрированная решетка и т. д.  
 
 
 
7 

 
 
Рисунок 1.2. Структура кристаллов галита а, б и алмаза в: 
светлые шары – ионы Na+;  темные – ионы Cl- 
 
Существует 14 элементарных кристаллических решеток, а также целый 
ряд сложных решеток. 
 
 
 
 а 
 
 
  б 
 
 
  в  
 
Рисунок 1.3. Примеры центрированных решеток:  
а í кубическая объемноцентрированная; б í кубическая гранецентрированная; 
в í ромбическая с центрированным базисом 
 
 
8 

1.2. Виды решеток 
 
Ионные решетки. В узлах этих решеток располагаются ионы. Такие решетки характерны неорганическим соединениям (галогены, щелочные металлы, 
силикаты и т. п.). Примером является решетка кристаллов каменной соли (см. 
рисунок 1.2, а и б). В узлах решетки чередуются положительные ионы натрия и 
отрицательные ионы хлора. 
Атомные решетки. В узлах этих решеток располагаются атомы. Примером является решетка кристаллов алмаза (см. рисунок 1.2, в).  
Молекулярные решетки. В узлах этих решеток располагаются электрически нейтральные молекулы. Такие решетки характерны, главным образом, 
для органических соединений. Встречаются и смешанные решетки, например, 
ионно-молекулярные и др.  
Для минералов горных пород характерны ионно-молекулярные, ионные и 
атомные решетки. 
Аморфные тела. Эти тела не имеют кристаллической структуры. Их скорее можно отнести к переохлажденным, очень вязким жидкостям, чем к твердым телам. Некоторые вещества могут существовать как в кристаллическом, 
так и в аморфном состояниях. Например, оксид кремния (SiO2) в кристаллическом состоянии – кварц, а в аморфном состоянии – кремень. 
 
1.3. Силы связи между частицами твердых тел 
 
Силы взаимодействия между частицами твердого тела имеют электростатическую природу. В статических условиях сила F взаимодействия двух частиц 
равна градиенту потенциальной энергии U одной частицы относительно другой 
 
F = dU/dx, 
 
где х í расстояние между взаимодействующими частицами. В соответствии с 
физическим принципом наименьшего действия, чем меньше энергия системы, 
тем устойчивей ее состояние. 
Ниже в качестве примера приведена схема ионного взаимодействия. Величина энергии взаимодействия двух одновалентных ионов описывается уравнением 
  
2
2

 
(1.1) 
e
n
 
U = 
,
x
e
x
 
где е – заряд электрона;  
х – расстояние между ионами;  
n ௅ показатель степени (n изменяется от 8 до 12). Первое слагаемое – энергия 
отталкивания ядер и электронов. Второе слагаемое – энергия притяжения 
ионов. Уравнение 1.1 представлено графически на рисунке 1.4. Из рисунка 1.4 
9 

видно, что зависимость U от х имеет минимум при х = х0. Соответственно сила 
взаимодействия 
 
F = – dx
dU  х = х0, 
 
а ионы находятся в равновесном состоянии. 
 
  
 
Рисунок 1.4. Графическое изображение зависимости U от х 
 
При попытке сблизить два иона возникает сила отталкивания, а при попытке раздвинуть – сила притяжения. Такое взаимодействие обусловливает 
природу упругости твердых тел при их деформировании.  
 
1.4. Дефекты кристаллической структуры 
 
 
Дефектами кристаллической структуры являются тепловые колебания, 
точечные, линейные и поверхностные несовершенства.  
 
Тепловые колебания. При нормальной температуре частицы в узлах решетки совершают негармонические колебания с амплитудой около 5–10 % от 
расстояния между частицами. Кинетическая энергия колебаний складывается с 
рассмотренной выше потенциальной энергией взаимодействия частиц и увеличивает равновесное расстояние между ними (тепловое расширение тел). При 
определенной величине кинетической энергии происходит разрушение структуры (плавление тел).  
Точечные дефекты. Основные виды точечных дефектов показаны на рисунке 1.5: рисунок 1.5, а ࣓ вакансия, т. е. не занят узел кристаллической решетки; рисунок 1.5, б – внедрение частицы в междоузлие; рисунок 1.5, в ࣓ один из 
узлов решетки занят чужеродной частицей. Во всех случаях имеет место искажение решетки и местное ее ослабление. 
 
10