Напряженное состояние пород в условиях залегания в массиве

Размещено на http://www.allbest.ru//

Лекция 6

Напряженное состояние пород в условиях залегания в массиве

Породы, залегающие в недрах земли, находятся под влиянием горного давления, которое обусловливается весом пород, тектоническими силами, пластовым давлением и термическими напряжениями, возникающими под влиянием тепла земных недр.

Под воздействием горного давления пласт находится в напряжённом состоянии и проявляет свойства упругости - свойство сопротивляться воздействию механических напряжений, которые стремятся изменить форму и объём пласта.

Напряжение - сила, приходящаяся на единицу поверхности и направленная против действующей силы: , то есть напряжение есть сила противодействия, отнесённая к единице поверхности.

Напряжение, так же как и сила, является векторной величиной. В зависимости от вида напряжения возможны различные напряжённо-деформированные состояния пласта. Если силы действуют только в одном направлении, то возникают линейные деформации. Если силы действую в плоскости, то возникает плоское напряжённое состояния. Если действуют объёмные силы, то возникает объёмное напряжённое состояние.

Нормальные и касательные напряжения, действующие на элемент породы, вызывают соответствующие деформации его граней. Нормальные составляющие напряжений вызывают деформации сжатия элемента или растяжения ех, еу и еz, а касательные напряжения -- деформации сдвига граней гху, гyz, гxz (деформация сдвига обычно измеряется углами сдвига, так как из-за малости их величины tgг=г), рис. 6.1. Суммарная деформация граней, гху, гyz и гxz -- величина, на которую уменьшается прямой угол между соответствующими гранями в результате сдвига. Каждый из них является следствием проявления и наложения друг на друга двух бесконечно малых сдвигов от двух пар касательных напряжений, стремящихся вращать элемент в противоположные стороны.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 6.1. Компоненты напряжений, действующих в элементе породы

Напряжения , , - главные (нормальная составляющая) напряжения, параллельные осям и перпендикулярные площадкам.

Напряжения , , , , , являются касательными напряжениями, которые приводят к повороту плоскости и стремятся изменить форму.

Отличие пласта от жидкости заключается в том, что под воздействием изменения любого из напряжений может изменяться напряжённо-деформированное состояние.

Напряжение в процессе разработки может меняться по самым разнообразным причинам, например, возможно появление термического напряжения, при изменении температуры в скважине. Напряжённое состояние пласта может меняться достаточно существенным образом при реализации технологического воздействия на пласт.

Для примера на рис. 6.2 приведена схема проявления касательных напряжений в случае чистого сдвига грани ху (т. е. когда по внешним граням элемента отсутствуют нормальные напряжения).

Рисунок 6.2 - Схема деформаций грани xy под влияние касательных напряжений

Таким образом, существует масса причин изменения напряжённого состояния пласта.

Закон Гука для линейных и угловых деформаций.

Деформация в разных направлениях имеет разное значение. В общем случае деформация может быть записана через обобщённый закон Гука, который используется в случае неравномерного напряжённого состояния:

;

;

;

В этих выражениях - модуль продольной упругости (модуль Юнга) 109-1011Па, - коэффициент Пуассона 0-0,5, который характеризует изменение поперечных размеров.

Под действием касательных напряжений происходит сдвиговая деформация: , , , где - модуль сдвига.

Под воздействием разнонаправленных напряжений происходит деформация пласта, при которой .

С точки зрения пласта, наибольшее значение имеет объёмная деформация, которая характеризует изменение объёма, то есть , где или , где - давление, возникающее в горной породе.

Сжимаемость - изменение объёма фазы на единицу напряжения, отнесённую к начальному объёму.

Упругие изменения коллекторов в процессе разработки

Горные породы в недрах земли находятся в напряженном состоянии, вызванным собственным весом пород (Рг - геостатическое давление). Пластовое давление жидкости разрушает минеральный скелет пород, которые испытывают давление, равное разности между горным и пластовым давлениями (Рупл.= Рг. - Рпл.). При извлечении нефти на поверхность пластовое давление (Рпл.) падает, а давление на минеральный скелет пород (Рупл.) увеличивается. При снижении пластового давления, объём жидкости будет увеличиваться, а объём порового пространства будет уменьшаться. Установлено, что с падением пластового давления объём порового пространства пласта уменьшается вследствие упругого расширения зерен породы и возрастания сжимающих условий, передающихся на скелет от массы вышележащих пород (рис. 6.3).

При этом зерна породы испытывают дополнительную деформацию. Пористость коллектора уменьшается также вследствие перераспределения зерен и более плотной упаковки их. Изменения пластового давления являются причиной деформации пород формирующих пласт. Изменяется структура самой пористой среды.

Поэтому, общепринятым считается мнение, что горные породы при условиях залегания в месторождениях имеют меньшие значения ФЕС по сравнению с параметрами, определенными на поверхности. По результатам исследований пористость песчаников уменьшается на 20 % при давлениях около 15 МПа, пористость плотных аргиллитов уменьшается на 6 % при том же давлении.

Упругие свойства горных пород описываются законом Гука, то есть относительная деформация пород пропорциональна изменению пластового давления:

где вс - коэффициент объёмной упругости пористой породы;

вп - коэффициент сжимаемости пор;

Vо - начальный объём образца породы;

?Vп - изменение объёма пор;

?P - изменение пластового давления;

m - коэффициент пористости.

Для характеристики упругих деформаций используются коэффициенты сжимаемости (объёмной упругости) породы, пласта, пор, твердой фазы и пористой среды.

Коэффициент объёмной упругости пористой породы (вс) будет влиять на коэффициент сжимаемости пор (вn) и на пористость пород:

вn = вс/mo

где mo- пористость при начальном напряжении (Рпл. min).

Изменение пористости пород (m) функционально зависит от объёмной упругости пористой среды (вс) и наименьшего напряжения (Рупл. min):

m = mo? [1 - вп? (Рупл. - Рупл. min)] = mo - вс? (Рупл. - Рупл. min)]

Величина коэффициента объёмной упругости пористой среды (вс) очень маленькая. Для нефтеносных пород она изменяется в диапазоне 0,3-2,0 ?10-10 м2/н (0,3-2,0 ?10-4 МПа-1).

В нефтепромысловой практике часто используется коэффициент упругоёмкости пласта (в*):

в* = m · вж + вс

где вж - коэффициент сжимаемости пластовой жидкости, Па-1.

Горное давление

Обязательное условие существования нефтяных, газовых или газонефтяных залежей связано с наличием ловушки, представляющей собой определенный объем обладающих пустотностью горных пород, приуроченный к четко выраженному пласту (прослою) или массиву (рифу). Эти породы ограниченны сверху, если это куполообразная структура или и сверху, и с какой-нибудь стороны практически непроницаемыми отложениями (называемыми «флюидоупорами»), т. е. над продуктивным (углеводородсодержащим) пластом обязательно имеется монолитная толща или чередование вышележащих пород самого разнообразного состава.

Соответственно по вертикали на продуктивный пласт действует вес этих вышележащих пород. С увеличением глубины залегания продуктивного пласта вес пропорционально возрастает. Воспринимаясь минеральным скелетом породы продуктивного пласта, суммарная масса вышележащих пород создает в теле породы напряжение в вертикальном направлении у1 называемое еще горным давлением рг.

Если вес вышележащих пород учитывать дифференцированно по пластам и пропласткам, то рт определяется следующим выражением:

где рi, hi - соответственно плотность пород и толщина отдельных пропластков и пластов разреза данной глубины Н.

В толще горных пород в идеальном случае составляющие горного давления по вертикали и горизонтали (боковое) должны быть равны. Это обусловлено действием фактора времени и ползучестью пород, а также наличием пластических деформаций в глинистых материалах.

Расположение реальных пластов в разрезе может иметь сложную и весьма разнообразную геометрию с соответствующими эффектами перераспределения нагрузок. При этом наличие сводов может обусловливать снижение напряжения в подкупольной части. В результате, как правило, различают вертикальную и горизонтальную составляющие горного давления, которые называют, соответственно, полным и боковым горным давлением. При этом боковое горное давление может различаться в разных направлениях.

Знания горного бокового и вертикального давления в элементарном объеме еще недостаточны для определения напряжений, которые испытывают породы в различных направлениях.

Породы продуктивных отложений обладают известной пустотностью (пористостью, кавернозностью, трещиноватостью). Пустотное пространство заполнено флюидами, которые находятся (в общем случае) под давлением, равном гидростатическому. В зонах истощенных продуктивных пластов это давление может быть меньше гидростатического. Однако нередко начальное давление флюидов в пустотном пространстве замкнутых (а в некоторых случаях и нормально сообщающихся) пластов больше гидростатического, а иногда достигает почти горного давления.

Существуют случаи, когда в пласте в процессе разработки (фильтрации флюидов от нагнетательных к добывающим скважинам) появляются перепады давления, вполне соизмеримые с пластовым давлением. Тогда и вертикальное горное, и боковое горное давления в разных направлениях определяются динамикой пластового давления.

Из сказанного следует, что напряженное состояние породы в каком-то объеме будет определяться так называемым эффективным горным давлением рэфг. В общем случае эффективное горное давление, действующее в вертикальном направлении,

рэфг= рг - nрпл

где n--безразмерный коэффициент, учитывающий часть пластового давления рпл, обусловливающего разгрузку горного давления рг.

Еще сложнее определить боковое горное давление. Общие представления о том, что боковое горное давление рг6 меньше рг на коэффициент, пропорциональный коэффициенту Пуассона v, т. е.

справедливы лишь для изотропных пород в отложениях, не подверженных каким-либо боковым нагрузкам. Для изотропных отложений в зависимости от упругих свойств горных пород коэффициент пропорциональности может изменяться от 0 до 1 и, следовательно, рг6 может изменяться от 0 до рг.

Если учитывать влияние пластового (порового) давления рпл то в общем случае рэфгб будет определяться выражением

В реальных условиях залегания пород, а тем более при наличии структур-ловушек, величины рэфгв и рэфгб могут существовать в самых различных соотношениях. Эти величины и их соотношения, в том числе изменения в процессе разработки месторождения, определяют фильтрационные характеристики пород-коллекторов. При этом в зависимости от структуры пустотного пространства продуктивного пласта (наличия пор, каверн и трещин) необходимость определений и измерений или оценки характеристик косвенными методами представляется исключительно важной (рис.6.4).

Механические и тепловые свойства горных пород

Рис.6.4 Зависимость проницаемости k карбонатной породы (а) и оттавского песка (б) от эффективного давления рэфгв.

Кроме того, информация о различных составляющих горного давления очень полезна для прогнозирования типа трещин, образующихся при проведении операций по гидроразрыву (вертикальные или горизонтальные), а также их ориентации (в случае образования вертикальных трещин). Очевидно, что в этом случае можно выбирать такое расположение скважин, как добывающих, так и нагнетательных, которое обеспечивало бы максимальную эффективность системы разработки месторождения.

Оценить существующее напряженное состояние горных пород в массиве, т. е. в условиях их залегания, можно по результатам механических испытаний образцов. В этом случае используется свойство горной породы «запоминать» действовавшие на нее ранее напряжения, т. е. сохранять в течение некоторого времени характерную информацию, о механических воздействиях на породу в прошлом. Проявление этой «памяти» заключается в изменении характера деформирования акустической эмиссии, электропроводимости пород и т. д. после того, как прикладываемые к образцу нагрузки превысят уровень напряжений, действующий на данный образец в массиве.

Для проведения механических испытаний образцов породы (кернов) необходим пресс разноосного сжатия и тензорезисторные датчики, фиксирующие деформацию образца породы при разноосном нагружении. Существует и экспресс-метод испытаний, результаты которого позволяют прогнозировать ориентацию трещин гидроразрыва на основе знания ориентации главных осей напряжений в породе, т. е. и Опыт показывает, что для этого достаточны исследования релаксационной деформации на «свежайшем», т. е. только что поднятом ориентированном керне. Поднятый на поверхность керн после извлечения его из керноприемной трубы и смывки глинистого раствора помещают в жесткую манжету, оборудованную специальными индикаторами (или прижимными тензометрами), фиксирующими деформацию керна по высоте и диаметру по крайней мере в трех направлениях, с регистрацией самописцем изменения размеров в течение 30--40 ч. Последующая расшифровка записей о деформациях позволяет определять направление осей главных напряжений относительно стран света (на поверхности керна в процессе выбуривания появляется царапина, соответствующая направлению на север), а, следовательно, и вероятное направление распространяющихся от скважины трещин. В одном из примеров использования метода на месторождении Северного моря азимут осей максимальных главных напряжений по данным исследования 18 кернов, отобранных в двух соседних скважинах, колебался в пределах +22°. горный порода керн залегание

Размещено на Allbest.ru