Понятие «горная порода»
Бурение скважин осуществляется не только в естественных геологических объектах, но и в объектах искусственной природы. Объект воздействия, как правило, именуют горной породой. Это вызывает необходимость толкования понятия “горная порода”, применяемого в буровом деле, так как оно может существенным образом отличаться от классического научного определения термина горная порода, используемого в геологических дисциплинах – петрографии, петрологии, литологии.
Горной породой, или, для краткости, просто породой, в геологии называют выдержанную ассоциацию минеральных агрегатов определенного состава и строения, сформированных в близких геологических условиях в земной коре или у ее поверхности. Кроме того, применяют понятия “горная порода Луны”, других планет. Горные породы представляют собой закономерные ассоциации минералов, а не случайные скопления. Поэтому многие естественные моно- и полиминеральные агрегаты (скопления кристаллов, руды многих металлов и др.) в геологии не принято относить к горным породам, так как они не имеют в сравнении с породами выдержанного закономерного состава и строения и не занимают значительных участков земной коры.
Понятие горная порода в геологии неразрывно связано с понятием минерал.
В настоящее время минералами называют однородные по составу и строению кристаллические вещества, образовавшиеся в результате природных физико-химических процессов и являющиеся составными частями горных пород и руд. Некоторые минералы являются продуктами жизнедеятельности различных организмов, входят в состав тканей животных и растений, рассеяны в гидросфере и атмосфере.
К минералам условно относят не только явно кристаллические, но и некоторые скрытокристаллические и аморфные природные вещества (халцедон, агат, опал и др.). Они также являются продуктами природных процессов и составными частями горных пород, руд, организмов. К минералам относят также природные образования других космических тел – планет, астероидов и метеоритов. В настоящее время установлено свыше 3000 минеральных видов и почти столько же разновидностей. Широко распространенных минералов насчитывается около 450 видов, остальные встречаются редко.
Синтетические аналоги минералов называют искусственными минералами. Минералы, образование которых стимулировано производственной деятельностью человека (на стенках горных выработок, в рудных отвалах, в обсадных трубах буровых скважин и так далее), относят к техногенным.
Следует отметить, что природные флюиды (например, вода, горючие газы, воздух, нефть) представляют собой не минералы, а среду образования или изменения минералов. Хотя встречается и иная (на сегодня устаревшая) точка зрения.
Соответственно к горным породам природные жидкости и газы в геологии также не относятся.
Горные породы (горные породы в геологическом смысле) могут быть мономинеральными (мрамор) и полиминеральными (гранит). По своему происхождению геологические горные породы условно подразделяют следующим образом 1) магматические (изверженные), ‑ связанные с процессами магматической (эндогенной, зависящей от внутренней тепловой энергии Земли) деятельности, среди них различают интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся) породы, а также слагающие трещины жильные породы; 2) осадочные, ‑ связанные с процессами накопления и разрушения ранее возникших пород и 3) метаморфические, ‑ образующиеся в результате преобразования магматических и осадочных пород. Распространение этих пород неодинаково. Литосфера Земли примерно на 95% сложены магматическими и метаморфическими породами и только 5% составляют осадочные породы. В то же время, осадочные породы покрывают 75% земной поверхности и только 25% ее занято магматическими и метаморфическими породами. В настоящее время день принципы классификации (т. е. деление пород на типы, классы, группы, ряды и семейства) разработаны только для силикатных магматических горных пород, не подвергшихся вторичным изменениям, причем эта классификация не включает породы, имеющие признаки возникновения из расплавов экзогенного происхождения – импактиты, горелики, фульгуриты, псевдотрахилиты. Таким образом, понятие “вид горной породы” еще не разработано, и его можно применять очень условно условных “видов горных пород” сегодня выделяют от 1000 до нескольких тысяч, а с разновидностями – около 10000.
Буровые скважины приходится сооружать не только в геологических горных породах, но и в так называемых техногенных горных породах,
т. е. в геологических породах, подвергшихся изменению человеком (искусственных насыпях дорог, дамбах, плотинах, насыпных островах, косах, залежах строительного мусора, терриконах, отвалах, оставшихся после разработки месторождений полезных ископаемых, хвостах обогатительных фабрик и так далее) и в искусственных материалах, созданных в процессе производственной деятельности человека (строительных материалах и изделиях – в бетонах, цементных камнях, кирпичных кладках, каменном литье и др.). Искусственные материалы по химическому и минеральному составу и структуре очень близки к различным геологическим горным породам и могут рассматриваться в качестве объектов особой научной дисциплины – петрографии технических каменных материалов, или технической петрографии. Так, природным горным породам соответствуют следующие искусственные материалы:
— магматическим горным породам и слагающим их ассоциациям минералов – металлургические шлаки, плавленный глиноземистый цемент, различные стекла, каменное литье и др.;
метаморфическим горным породам – огнеупорные динас и шамот, цементный клинкер, фарфор и пр.;
осадочным породам – бетоны, цементные камни, силикатный кирпич и т. д.
Кроме того, разбуриванию подвергаются естественные природные образования либо совсем не являющиеся геологическими горными породами, либо представляющие собой комплексы (ассоциации) “горная порода + естественный природный объект, не являющийся геологической горной породой”. К таким объектам можно отнести почвы, лед, донные осадки, илы, водо-, нефтегазоносные коллекторы (комплексы “геологическая горная порода плюс флюид, либо гидрат, не являющийся породой в геологическом смысле”), мерзлые торфы (торф + лед), мерзлые почвы (почва + лед) и т. д.
Имеется определенный опыт бурения в реголите и лунных горных породах. Проектируется бурение скважин на иных космических телах.
Таким образом, горная порода как геологическое понятие является с позиции бурового дела лишь частным случаем горной породы как объекта воздействия буровых работ.
Итак, в буровом деле под горной породой, или, краткости, просто породой, следует понимать объект воздействия любого состава и природы, в котором производится бурение скважин.
Следовательно, понятие “горная порода” в буровом деле является обобщенным (комплексным) понятием.
Следует обозначить некоторые наиболее распространенные термины, подчиненно относящиеся к термину “горная порода” в обобщенном понимании и используемые в буровом деле, а также в различных геологических дисциплинах, строительном и горном деле и других направлениях.
Например, Б.М. Ребрик отмечает двоякий смысл термина грунт, применяемого при бурении инженерно-геологических скважин, при строительстве сооружений и в таких дисциплинах, как “грунтоведение” и “механика грунтов”. В узком смысле грунт следует трактовать как ассоциацию минеральных компонентов (геологических горных пород), подземных вод и поровых газов, находящихся в естественных условиях. Это понятие более общее, чем термин “горная порода” в геологическом смысле. Оно развито в инженерной геологии, получило распространение в гидрогеологии, горном деле и геотехнологии – во всех прикладных науках, связанных с оценкой изменений, происходящих в породах и рудах при снятии и увеличении давления, изменении состава, соотношений между внутрипоровой атмосферой и влагой. Различают по прочностным свойствам грунты полускальный, скальный и рыхлый, по проницаемости – сильнопроницаемый, слабопроницаемый и среднепроницаемый грунты. В широком смысле под грунтом понимают не только природное, но и искусственное образование, которое является основанием, средой или материалом при строительных, горных и других видах работ.
В горном деле часто используют понятие горная масса. Горная масса – это образующиеся в процессе разработки полезных ископаемых или при проходке горных выработок скопления разновеликих кусков геологических горных пород и руды, обычно смоченных естественной и технической шахтной водой и находящихся под воздействием атмосферы. Характерно присутствие в горной массе обломков производственных материалов. Состав и кусковатость горной массы могут изменяться на разных стадиях производства.
В геологии россыпных полезных ископаемых россыпь – это скопление рыхлого или сцементированного обломочного материала, содержащее в виде зерен, их обломков либо агрегатов те или иные ценные россыпеобразующие минералы. Пески – рыхлые или сцементированные отложения различного состава, а также трещиноватые или выветренные коренные породы, слагающие продуктивный пласт россыпи. Пески служат объектом добычи при разработке россыпных месторождений и последующего извлечения из них полезного компонента. Понятие “пески” аналогично понятию “руда” для коренных месторождений. Продуктивный пласт – тело полезного ископаемого россыпных месторождений, сложенное песками. Термин “продуктивный пласт” соответствует термину “рудное тело” для коренных месторождений. Понятие “продуктивный пласт” применяется также в геологии нефти и газа, в геотехнологии. Торфа, или породы вскрыши – отложения, перекрывающие продуктивный пласт россыпи, лишенные полезных минералов или содержащие их в небольшом количестве (ниже бортового содержания). Наносы – общее название (вне зависимости от условий их происхождения) рыхлых четвертичных отложений на земной поверхности (песок, гравий, глина и прочее), покрывающих коренные породы и часто залегающих в виде сплошного покрова.
К полезным ископаемым относят минеральные и иные (неминеральные) природные либо техногенные образования, которые можно использовать в промышленности полностью (например, граниты для облицовки) или получать из них те или иные элементы, их соединения, минералы, компоненты.
Среди полезных ископаемых выделяют следующие главнейшие группы:
- Металлические полезные ископаемые – руды большинства металлов железа, меди, цинка и др.;
- Неметаллические полезные ископаемые:
а) руды некоторых металлов (натрий, калий, кальций), их условно относят к неметаллическому сырью, так как используют, в основном, не в виде элементов-металлов, а как различные химические соединения;
б) горно-химическое сырье – руды фосфора, серы, бора, а также соли, природные минеральные пигменты и др.;
в) горно-индустриальное сырье – руды графита, асбеста, слюды, флюорита, корунда, талька, а также высокоглиноземистое и пьезооптическое сырье и др.;
г) керамическое сырье – глины и каолины, полевые шпаты, волластонит, магнезит, брусит и др.;
д) минеральные строительные материалы – гипс и ангидрит, карбонатные породы, диатомиты, трепелы, опоки, песчаники и кварциты, песок, гравий, изверженные и метаморфические породы (кровельные сланцы, пемза, гранит) и др.;
е) драгоценные и поделочные камни – агат, изумруд, гранаты, нефрит, алмаз и многие др.;
- Горючие полезные ископаемые – каустобиолиты (ископаемые угли, торф, горючие сланцы), нефть и природные горючие газы.
Скопления полезных ископаемых образуют месторождение полезных ископаемых.
К рудопроявлениям относят также скопления полезных ископаемых, которые недостаточно исследованы, вследствие чего их нельзя еще отнести к месторождениям, или по тем или иным показателям не удовлетворяют требованиям, обусловливающим выгодную разработку.
Руда – минеральное природное или техногенное полезное ископаемое. Ранее под рудами понимали исключительно руды металлов.
Коренная порода – не превращенная в элювий и не перемещенная водными потоками, ветром или другими агентами поверхностной транспортировки.
Рудная порода – имеющая самостоятельное наименование (боксит, магнетит, таконит) геологическая горная порода, в состав которой входят рудные компоненты значительных количеств.
Рудовмещающая порода – находящаяся в непосредственной близости с рудным телом. По отношению к рудному телу представляет собой либо боковую породу, либо породу ложа, либо породу кровли.
Рудоносная (рудосодержащая) порода – любая по составу и происхождению порода, имеющая самостоятельное наименование, независимое от присутствующего рудного компонента (например, кварцит, в том числе золотоносный).
Водо-, нефте- или газоносным горизонтом называется пластколлектор, заполненный соответствующим флюидом (гидратом).
Горные породы в обобщенном понимании: состав,
основные представители, условные обозначения
и элементы залегания
Среди минералов, входящих в состав как геологических, так и искусственных (технических) горных пород, различают главные, или породообразующие, второстепенные и акцессорные минералы.
Породообразующими, или главными, называют минералы, слагающие основную массу породы. На базе видового состава и содержания породообразующих минералов строятся классификации магматических и метаморфических пород.
Второстепенными называют минералы, присутствующие в горной породе в меньших, чем породообразующие, количествах (могут отсутствовать в породе). Второстепенные минералы имеют значение для характеристики пород и условий их образования.
Акцессорными называют минералы, присутствующие в горной породе в малых количествах в виде редкой, но характерной примеси. Акцессорный минерал не определяет наименование данной породы.
Некоторые минералы, относящиеся к одной из рассмотренных выше групп, могут быть рудными.
Влагоемкость, естественная влажность
и флюидонасыщенность горных пород
Наличие пор и трещин в породах предопределяет возможность их заполнения различными жидкостями и газами. Наиболее часто горные породы бывают насыщены водой, которая может содержаться в породах в разном виде. Различают химически связанную, физически связанную и свободную воду.
Химически связанная вода входит в состав кристаллической решетки минералов, слагающих породу. Удаление такой воды приводит к разрушению минерала, превращению его в другое – безводное соединение. Наличие в породе химически связанной воды проявляется только при ее значительном нагревании. При удалении нагревом химически связанной воды в большинстве случаев происходит ослабление и разрушение пород (у глин — наоборот).
Физически связанная вода тесно соединена молекулярными силами притяжения с твердыми частицами породы, обволакивая их в виде пленки. Ее количество зависит от смачиваемости породы, определяемой ее адсорбционной способностью. Физически связанная вода удаляется из породы только нагреванием выше 105 – 110 °С.
Свободная вода в породах может находиться в виде капиллярной воды, удерживаемой в порах силами капиллярного поднятия (поверхностного сцепления), и в виде гравитационной воды, заполняющей поры и трещины и передвигающейся в породах под действием сил тяжести или сил давления.
В зависимости от минерального, гранулометрического состава пород и формы частиц соотношение количеств различных видов воды в породах может быть разным. Так, пески содержат в основном гравитационную воду, а глины, лесс и суглинки – физически связанную и капиллярную.
Максимальное количество физически связанной, капиллярной и гравитационной воды, которое способна вместить порода, характеризуется ее полной влагоемкостью (массовой, объемной).
Источник: Бурение скважин различного назначения.
Сердюк Н.И., Куликов В.В., Тунгусов А.А. и другие …