Основними фізико-механічними властивостями гірських порід є: пружність, пластичність, міцність, твердість, абразивність.
Пружністю називається здатність тіла, що деформується відновлювати первинну форму або об'єм після зняття навантаження.
Пружні властивості гірських порід, як і інших пружних твердих тіл, характеризуються чотирма параметрами: модулем поздовжньої пружності або модулем Юнга, коефіцієнтом Пуассона, модулем поперечної пружності і модулем об'ємної пружності.
Модуль поздовжньої пружності Е є ставлення нормального напруги s до відповідного відносного подовження (або вкорочення) dпрі одноосьовому розтягуванні (стисканні)
Е характеризує опірність гірської породи пружною деформації при розтягуванні (стисканні).
Фактори, що впливають на модуль поздовжньої пружності можна розділити на дві групи: технічні та природні.
а) Спосіб визначення: при одноразовому навантаженні Е, при багаторазовому навантаженні і розвантаженні Ем. динамічний модуль поздовжньої пружності Ед. обчислюється за швидкістю поширення пружних хвиль. Е<Ем <Ед .
Е менше Ем в 1,2-1,5 рази і менше Од в кілька разів.
Єї в 1,1-1,3 рази більше Ер і становить 0,25-0,35 від Есж.
в) Величина прикладеного навантаження. Зі збільшенням напруги Е при стисненні зростає, тоді як при розтягуванні він зменшується.
г) Швидкість навантаження. При швидкому навантаженні Е в 1,1-1,5 рази вище, ніж при повільному.
На величину Е гірських порід впливають такі природні фактори: мінералогічний склад, структура, текстура, вологість, температура, глибина залягання, склад і будова цементуючого речовини у уламкових порід, піщанистого і карбонатность порід.
Мінералогічний склад породи має суттєвий вплив на модуль пружності. Так, Е глинистих сланців 1,5-2,5 х 10 4 МПа, а кварцитів -7,5-10 х 10 4 МПа. Е породи завжди менше Е основного породообразующего мінералу.
Модуль Юнга збільшується при підвищенні песчанистости породи, карбонатності глинистих сланців. Значний вплив на Е склад і будова цементуючого речовини у уламкових порід. Так, пісковики з карбонатним цементом володіють великим модулем Юнга, ніж ті, які мають глинистий цемент.
На модуль Юнга впливають також розмір зерен, пористість, шаруватість і сланцеватость: зі збільшенням розміру зерен, пористості він зменшується; в напрямку вздовж нашарування він вище, ніж в перпендикулярному
Зі збільшенням вологості величина Е зменшується. Наприклад, при збільшенні вологості глинистої породи від 3 до 14% модуль Юнга зменшується від 716 до 314 МПа, а при збільшенні вологості від 14 до 23% він зменшується від 314 до 29 МПа.
З ростом глибини залягання порід зменшується пористість, зростає ущільнення порід і збільшується їх модуль Юнга.
Коефіцієнт Пуассона є абсолютна величина відносини відносної поперечної деформації d1 до відносної поздовжньої деформації d
Для більшості осадових гірських порід m змінюється в межах від 0,1 до 0,4 і тільки для деяких високопластичних порід досягає 0,45-0,5 (кам'яна сіль, бішофіт, карналлит, високопластична сильно зволожені глини).
На величину m впливають ті ж фактори, що і на модуль поздовжньої пружності.
Модуль поперечної пружності або модуль зсуву G є ставлення дотичного напруження t до відповідного кутку зсуву j між площинами, до яких докладено це дотичне напруження
G визначає здатність матеріалу чинити опір зміні форми при збереженні його обсягу.
Модуль об'ємної пружності К при всебічному стиску - відношення нормального напруги s до величини відносного об'ємного стиснення D, викликаного цим напругою
Величина К характеризує здатність матеріалу чинити опір зміні його обсягу, що не супроводжується зміною форми.
Міцність - здатність гірських порід чинити опір руйнуванню, є основною властивістю гірських порід. Міцність визначається силами зчеплення і внутрішнього тертя.
Фактори, що впливають на міцність гірських порід також можна розділити на технічні та природні.
А) Вид деформації sсж >> tс ³sізг ³sр. Гірські породи мають найбільший опір руйнуванню при стисненні. Міцність осадових порід при інших видах деформацій зазвичай кратно менше.
Так, міцність при розтягуванні складає від 2 до 18%, при зсуві - від 5 до 20%, при вигині - від 5 до 35% міцності при одноосьовому стисканні. Це пояснюється крихкістю більшості порід, наявністю великого числа локальних дефектів і неоднорідностей в них, зменшенням сил зчеплення в міру віддалення зерен породи один від одного при розтягуванні. З точки зору руйнування гірських порід найвигіднішим видом деформації є розтягнення, що слід враховувати при конструюванні породоразрушающего інструменту.
Б) Масштабний фактор. На міцність гірських порід впливає розмір зразків.
В) Швидкість навантаження. Міцність гірських порід залежить і від швидкості навантаження. У межах невеликих швидкостей навантаження (до 10 м / с) показник міцності мало відрізняється. При роботі породоразрушающего інструменту реальні швидкості навантаження зазвичай не перевищують 5 м / с.
Міцність породи істотно залежить від її мінерального і петрографічного складу. Найбільш міцним породообразующим мінералом є кварц, його міцність при одноосьовому стисканні перевищує 500 Мпа, тоді як міцність железисто-магнезіальних силікатів і алюмосилікатів становить 200-500 Мпа, а кальциту - від 10 до 20 МПа. Тому міцність породи зазвичай зростає зі збільшенням вмісту кварцу як в складі зерен породоутворюючих мінералів, так і в складі цементують речовин. Найбільшою міцністю володіють породи, щільність яких дорівнює щільності кварцу - 2700 кг / м 3 (рис.4).
Міцність карбонатних порід залежить від співвідношення кальциту і доломіту. Доломіт міцніше кальциту в 1,2-1,3 рази. Зменшення вмісту кальциту від 100 до 7% веде до збільшення міцності від 160 до 300 Мпа. З сульфатних порід найбільшою міцністю володіють ангідрити (sсж до 130 Мпа), але міцність їх різко коливається в зв'язку з частковим переходом ангідриту в гіпс (sсж до 50 МПа).
На міцність породи впливає розмір мінеральних зерен. Наприклад, міцність при стисненні тонкозернистого аркозові пісковика і дрібнозернистого вапняку в 2-2,5 рази вище міцності крупнозернистих різновидів цих порід.
Міцність однойменних гірських порід зростає зі зменшенням пористості.
Міцність більшості порід зменшується зі збільшенням вологості. Особливо помітно зниження міцності глинистих, хемогенних порід, мергелів, а також пісковиків з глинистим цементом. При зволоженні скельних порід їх міцність зменшується на 10-30%.
Породи з кременистим і залозистим цементом мають значно більшу міцність, ніж породи з карбонатною і глинистих цементом.
На міцність осадових порід істотно впливає ступінь метаморфизации. Наприклад, міцність глин, що залягають на великій глибині і зазнали початковій стадії метаморфізму під впливом температури і високого тиску, може досягати 50-100 Мпа при одноосьовому стисканні, тоді як міцність глин такого ж мінерального складу, що залягають поблизу денної поверхні, становить 2-10 Мпа .
На стійкість гірських порід в стінках свердловини впливають не тільки показники міцності, але і реологічні властивості, які характеризують деформацію гірських порід при тривалому впливі навантажень. З цих властивостей виділяють повзучість і релаксацію.
Повзучість гірської породи - це явище поступового розвитку деформації в часі при постійній напрузі, навіть якщо напруга менше межі пружності.
Релаксацією напружень називають поступове зменшення напружень в гірській породі при постійній деформації її.
Знання реологічних властивостей гірської породи дозволяє оцінити вплив фактора часу на зміну її стану на стінках свердловини і в їх околицях.
Твердість - міцність породи на вдавлення, здатність породи чинити опір впровадженню в неї іншого твердого тіла.
У процесі механічного руйнування гірської породи на вибої свердловини першорядну роль відіграє поза-дрен робочого органу породоразрушающего інструменту в гірську породу. Для оцінки опору гірської породи впровадження інструменту треба знати її твердість.
Існує багато методів вимірювання твердості ма-лов, але в буровому справі найбільш поширений метод, запропонований в 1942 р і розроблений проф. Л.А. Шрейнер. Методика затверджена в якості ГОСТ 12288-66.
За методом Л.А. Шрейнер твердість гірської породи визначають за допомогою штампа, що має плоску опорну поверхню. Для досліджень застосовують штампи двох видів: сталевий (рис 5, а) і з твердосплавної вставкою (рис.5, б).
Площа контактної поверхні штампа може варіювати від 1 до 10 мм 2 в залежності від розміру мінеральних зерен, структури і текстури породи.
При випробуванні сільнопорістих і крупнозернистих порід рекомендується використовувати штампи з площею підстави 5 мм 2 і більше, для порід твердих щільних і однорідних придатні штампи з площею підстави 2 мм 2. У будь-якому випадку треба розміщувати штамп на поверхні зразка таким чином, щоб на контакті знаходилося не менше трьох зерен гірської породи.
Навантаження на штамп збільшують повільно до деякого критичного значення РКР. відповідного першому стрибку руйнування під штампом. Це навантаження (в Н) характеризує критичний опір породи проникненню штампа, тобто дозволяє оцінити твердість зразка. Твердість, виміряна за методом Л.А. Шрейнер (твердість по штампу), - це критичний тиск під штампом на контакті з породою, відповідне першому стрибку руйнування.
За характером деформації під штампом все породи поділені на три класи: тендітні, упругопластічни, пластичні (вельми пористі).
При випробуванні тендітних гірських порід деформація до самого моменту руйнування залишається пружною, тобто деформація розвивається пропорційно навантаженню до моменту руйнування (рис.6, а).
Твердість по штампу
де S - поверхня контакту, м 2.
На графіку деформації упругопластічни породи помітні два характерних ділянки деформації (рис.6, б): ОА - пружна деформація, АВ - пластична деформація.
Руйнування гірської породи під штампом відбувається при впливі навантаження РКР> Ро, де Ро - навантаження, що відповідає межі плинності.