Більшість гірських порід (за відсутності всебічного тиску) в умовах як одноосного, так і складного напруженого стану при швидкому навантаженні і розвантаженні в великому діапазоні напруг підкоряються закону Гука - закону лінійного зв'язку щодо деформації тіла і напруги (рис. 1)
У міру збільшення напруги стиснення посилюється деформація зразка (див. Рис.1). При напрузі, що відповідає межі міцності зразка на стиск - sСЖ. відбувається його руйнування (тобто вже немає сенсу говорити про деформації зразка, тому що зразка немає).
Характер залежності e (s) визначається тривалість дії навантаження на зразок - при повільному навантаженні деформація e майже всіх гірських порід відхиляється від лінійної зв'язку з s (рис.1, крива t = ¥).
видно з рис.1, при напрузі s £ sS залишкової деформації не спостерігається як при миттєвій навантаженні (t = 0), так і при навантаженні і розвантаженні з тривалою витримкою (t = ¥).
У більшій частині порід незворотні пластичні деформації при повільному навантаженні (t = ¥) при напрузі sS складових 10 - 15% від руйнівного напруження (sРАЗР. T = ¥).
Пластичні властивості гірських порід залежать від тимчасового характеру навантаження:
1. при багаторазовій циклічному навантаженні і розвантаженні пластичні деформації поступово зменшуються в кожному циклі.
Під впливом тривалого навантаження деякі породи преобритает особливі - реологічнівластивості, наприклад, властивості кріпа (повзучості).
Кріп (повзучість) гірських порід виникає під дією тривалого навантаження і характеризується поступовим наростанням деформації при постійній напрузі.
Явище повзучості властиво глинам, аргілітів, глинистих сланців, калійної солі. Повзучість відрізняється від пластичної деформації тим, що вона виникає при тривалій дії напружень, які перевищують межі пружності породи (тобто s
Майже всі породи при різних умовах навантаження поводяться по різному (як тендітні або пластичні тіла):
1. при розтягуванні, вигині і одноосьовому стисканні - як тендітні тіла (пластичні властивості майже не проявляються - руйнування порід відбувається без помітної пластичної деформації їх);
2. при всебічному стиску багато порід, тендітні при простих деформаціях, набувають пластичні властивості (частіше, однак, породи обмежено пластичні).
Виявлено невідповідність між деформаційними властивостями гірських порід, визначених при лабораторних випробуваннях, і реальними деформаціями гірських порід в природних умовах.
Так, наприклад, лабораторні випробування зразків пісковику, глинистого сланцю та ін. Порід показали відсутність переходу в пластичний стан всебічних тисків стиснення, відповідних глибин до 3000 м.
Але практика гірських порід показує, що і на менших глибинах відбуваються деформації гірських порід, схожі на пластичні.
Це пояснюється тим, що пластичні деформації можуть мати різний механізм:
1. Внаслідок між зернових рухів. В таких породах як пісковики, вапняки та ін. Складаються з зцементованих зерен або дрібних зрощених кристалів, відокремлені зерна зміщуються один щодо одного і обертаються і порода набуває обмежені пластичні властивості (псевдопластичних деформація).
2. Внаслідок трансляційних рухів атомів усередині кристалів уздовж площини ковзання під дією навантаження (кам'яна сіль і ін. Породи).
3. Внаслідок явища перекристалізації порід.
Плавні структури більшості забруднених нафтою порід, складених пружно-міцними мінералами, пов'язані з їх псевдопластичних деформацією, тому що при відносно невеликій глибині залягання гірничий тиск недостатньо для перекладу порід в пластичний стан.
Псевдопластичних стану пісковиків, вапняків, доломіту і ін. Гірських порід часто відбуваються в результаті прояву численних мікротріщин і мікропереміщення по ним окремих частин породи.
Незважаючи на достатню невивченість механізму пластичності, псевдопластичні рідини і повзучості гірських порід, встановлено, що ці явища відбуваються навіть на порівняно невеликих глибинах.
Наприклад, відомо, що порушене природне поле напруг навколо гірничих виробок і нафтових свердловин в значній мірі з часом відновлюється - тиск на кріплення вироблення і на обсадні труби тривалий час після закінчення буріння зростає (через прояви повзучості і пластичності деяких порід). Це свідчить про необхідність і важливість вивчення пластичних і ін. Деформаційних властивостей гірських порід.
Встановлено, що для механічних властивостей для гірських порід характерні наступні особливості:
1. Анізотропія (наприклад, модуль пружності при одноосьовому стисканні зразка вздовж нашарування і перпендикулярно до нього неоднаковий);
2. Залежність властивостей то тиску. Наприклад, модуль Юнга для пісковиків пористістю 24 - 26% при всебічному стиску може зростати на 140%;
3. Модуль пружності, що спостерігається при одноразовому навантаженні, модуль нормальної пружності, що спостерігається в результаті виключення необоротних деформацій багаторазовим навантаженням і розвантаженням і динамічний модуль пружності (який вираховується за швидкістю поширення пружної хвилі), як правило, не однакові. Модуль нормальної пружності більше модуля Юнга в 1.2 - 1.5 рази, а модуль динамічної пружності - більше в 2 - 2.2 рази;
4. Є значна різниця в міцності однієї і тієї ж породи, в умовах одновісного стиску - sСЖ. вигину - sІЗГ. і одноосного розтягу - sРАС (для твердих порід sСЖ> sІЗГ> sРАС).
Значення модуля Юнга і коефіцієнта Пуассона різних типів гірських порід наведені в табл. 1 і 2.
Механічні властивості гірських порід Донецького басейну, певні при випробуваннях на стиск.
Модуль Юнга Е * 10 -4. МПа
Пісковики кварцові грубозернисті
Пружні зміни властивостей колекторів в процесі розробки і експлуатації нафтових і газових родовищ.
Колектори розроблюваних родовищ знаходяться під впливом двох видів тисків - гірського тиску (тиск на скелет твердої фази за рахунок ваги верхніх порід) і пластового тиску (тиск флюїду в порах гірських порід). Важливе значення при експлуатації родовищ мають деформації гірських порід, що відбуваються при зміні пластового тиску, яке може зменшуватися при відборі флюїду і відновлюватися при штучних методах підтримки тиску.
Для з'ясування механізму впливу пластового тиску на напружений стан гірських порід виділимо елемент породи (рис.1), укладений в непроникну еластичну оболонку. Як видно з рис.1 до початку експлуатації поклади тиск р направлено проти гірського тиску s і, отже, сприяє зменшенню навантаження, що передається на скелет породи від ваги верхніх порід (якщо покрівля пласта непроникна), тобто в цьому випадку на скелет породи діє ефективне тиск sЕФФ:
Під час вилучення нафти з колектора пластовий тиск р в ньому падає, а тиск на скелет породи sЕФФ - збільшується.
Виявлено, що при зменшенні пластового тиску обсяг порового простору зменшується з наступних причин:
1. пружного розширення зерен (в сторону пір), за рахунок зниження р;
2. зростання стискають зусиль sЕФФ. переданих через твердий скелет (також витіснення частинок в сторону пір);
3.
Частина цих процесів оборотні (пружне розширення зерен породи), частина - незворотні (перегрупування і роздроблення зерен породи). В результаті незворотних процесів пористість порід повністю не відновлюється при відновленні початкового пластового тиску.
Обсяг породи V дорівнює сумі обсягів твердої фази VT і пір - VП:
тому при зміні нормального напруги s (гірського тиску) і пластового тиску Р відбувається зміна всіх трьох обсягів - V, VП. VТ. Відповідно об'ємна деформація порід при всебічному стиску описується трьома коефіцієнтами стисливості, які визначаються наступними співвідношеннями (b, bп. Bт - коефіцієнти стисливості породи, пор і твердої фази відповідно):
Об'ємна деформація колекторів в реальних умовах при всебічному стиску залежить одночасно від різниці (s-р) і від тиску в порах р. Ефективне напруга (s-р) визначає деформацію зовнішнього скелета породи, а зміна тиску в пласті р - деформацію твердої фази.
Між b, bп. Bт існує зв'язок:
де m - пористість колектора.
В.Н.Щелкачев показав, що при експлуатації нафтових, газових родовищ і вононосних горизонтів особливе значення має коефіцієнт об'ємної пружності BС:
Коефіцієнти стисливості пір bп залежать від sЕФФ (табл.2)
Коефіцієнти стисливості пір (bп) осадових порід.