Упругость (коэффициент упругости)

Разрушение горных пород и их устойчивость на стенках скважины сильно зависят от их упругости и пластичности. Пластичные породы, в отличие от хрупких, плохо дробятся. Пластичные породы легко теряют свою устойчивость на стенках скважины. В интервалах пластичных пород часто возникают аномально высокие пластовые давления.

Поэтому возникает вопрос, а как всё это определять количественно, насколько горная порода упруга или пластична, чтобы эти свойства связать с пользой для бурения?

В настоящее время в теории существует три характерных показательных диаграммы напряжённого состояния – для хрупких (Рисунок 11), для пластичных (Рисунок 12) и для хрупко-пластичных горных пород (Рисунок 13). В этих диаграммах отображается зависимость напряжения σ от относительной деформации ε или зависимость силы штампа F от глубины его внедрения h в поверхность горной породы. Данные зависимости абсолютно идентичны

Идеально упругие, идеально хрупкие породы, как правило, вулканического или метаморфического происхождения, например, оксиды, такие как кварц или кварцит (SiО₂)

Рисунок 11

Представленная диаграмма характеризует идеально упругую горную породу, так как линия графика является прямой. Одновременно эта порода является идеально хрупкой, так как на графике отсутствует криволинейный участок, то есть участок, отображающий содержание пластической деформации.

Идеально пластичные породы, как правило, хемогенного происхождения, например, соли, такие как галит (NаCL), или терригенного происхождения, например, глинистые нелитифицированные.

Рисунок 12

Представленная диаграмма характеризует идеально пластичную горную породу, так как на линии графика невозможно выделит прямой участок, отображающий чистую упругость.

Хрупко-пластичные породы, как правило, осадочного происхождения, например, аргиллит, известняк, мергель.

Рисунок 13

Представленная диаграмма имеет и участок, отображающий упругую деформацию, и участок, содержащий пластическую деформацию. Однако из линии графика непонятно соотношение упругой и пластической деформации. Наиболее легко это выяснить с точки зрения энергетики процесса, определив долю работы упругой деформации в общей работе на разрушение.

На Рисунок 14 показана с этой целью обработанная диаграмма. Здесь на фактической диаграмме АБ' выделяется прямой участок и проводится прямая линия АБ (до пересечения с линией проекции точки Б' на ось ОF). Затем проводится линия А'Б', параллельная АБ. Отсюда теоретически следует, что если при испытании поверхности довести её напряжённо-деформационное состояние до точки Б', а потом это напряжение уменьшать до нуля, то этот процесс пойдёт по линии Б'А', то есть вернётся не в точку А, а в точку А'. При этом, отрезок АА' будет равен остаточной пластической деформации, а площадь треугольника А'Б'В' будет равна работе упругой деформации А_У.

Рисунок 14

Таким образом, теперь можно определить долю работы упругой деформации А_У в общей работе на разрушение А_ОБ в виде энергетического коэффициента упругости К_УЭ:

Энергетический коэффициент упругости не следует путать с коэффициентом упругости первого рода, так как последний связан с другим понятием, – с тангенсом угла наклона линии АБ.