Горное давление. Напряженное состояние горных пород в массиве и в околоскважинных зонах.

Горное давление, обуславливается весом пород, тектоническими силами, пластовым давлением и термическими напряжениями, возникащие под влиянием тепла земных недр. В результате воздействия на породу комплеса упомянутых сил, элемент породы, выделенный из массива, наход. в сложном напряженном состоянии, результир. векторы не перпендик. к его граням. Разлагая эти результирующие, имеем три компоненты напряжений-одна нормальная G, направленно перпендикулярно к грани кубика, и две касательные t. Условие состоян. относит.покоя: G_y@G_x@G_z; t_xy=t_yx;t_xz=t_zx;t_yx=t_zy. Нормальные и касательные напряжения, действующие на элемент породы, вызывают соответствующие деформации его граней. G-деф.сжатия и растяжения.( e_x, e_y и e_z). t-деф.сдвига граней (деформация сдвига обычно измеряется углами сдвига). На верхнем рисунке показан сдвиг грани элемента при влиянии одной пары касательных напряжений xy, на среднем рисунке сдвиг под влиянием другой пары yx, в результате наложения этих сдвигов деформация грани будет иметь вид изоб. на нижнем рис. В результате сдвига прямой угол грани уменьшится на сумму этих углов gx=g`<sub>1</sub>+g`₂, если породы однородны gxy=2g. В случае полностью изотропного тела связь между напряжениями и деформациями можно выразить следующими уравнениями, которые согласно закону Гука имеют вид: e_x=1/E{G_x-n(G_y+G_z)}; e_y=1/E{G_y-n(G_x+G_z); e_z=1/E{G_z-n(G_x+G_y)}; g_xy=1/G*t_yx; g_yz=1/G*t_zy; g_zx=1/G*t_xz, где Е- модуль продольной упругости (модуль Юнга); n- коэффициент Пуассона (Тела деформируются по направлению действия силы. При этом происходят поперечные деформации, перпендикулярные к направлению силы, т.е. тело расширяется при сжатии или сужается при растяжении. Поперечная деформация ε_п составляет часть продольной ε: ε_п =-ε*n); G-модуль сдвига. Связь между ними выражается седующими формулами: Е=2*(1+ ν); G=E/(2(1+ ν)); ν=E/(2*G-1). До нарушения условий залегания пород скважиной внешнее давление от действия собственной массы вышележащих пород и возникающие в породе ответные напряжения находятся в условиях равновесия. Составляющие имеют следующие значения:

По вертикали:σ_z=rgH, σ_z-вертикальная составляющая напряжений; ρ-плотность породы; Н-глубина залегания пласта.

По горизонтали:σ_y=σ_x=n*r*g*H=n*σ_z;где n-коэф.боков.распора; Для пластичн.г.п. n=1; для упруго-пласт. г.п. подверж. определ. осложнениям в тектон. отнош. n®0; Для хрупких и хрупко-пластичн. n=0,3-0,7;Допустим, что горизонт.составляющие σ_y= σ_x и не оказывает особое влияние на напряж.состояние г.п.и не учитывает пластичн.г.п.e_x=e_y=0; σ_x=σ_y={n/(1-n)}*σ_z; n=n/(1-n);

Напряженное состояние г.п. в ОЗП. G_Q-тангенс.составл.; Gr-радиальная составл.(нормальн.напряж.). Gr= Рз (Рз-забойное давление); G_Q=2* n*r*g*H-Рз. Т.е. на стенке скважины могут действовать окружные сжимающие напряжения, которые при Рз=0 достигают двойного значения горного давления. Это означает, что при наличии пород недостаточной прочности в призабойной зоне возможно их разрушение под действием тангенсыальных напряжений и ухудшение фильтрационных свойств пород вследствие их сжатия под влиянием этих нагрузок. Следовательно стенки ствола скважины будут устойчивы, если

G_Q=2* n*r*g*H<σ_сж, где σ_сж-предел прочности породы при двухосном сжатии.

7. Характеристика горных пород – коллекторов нефти и газа.

1)Механические свойства горных пород.Прочность-способность г.п. сопротивляться разрушению. Прочность на сжатие и разрыв горной породы оценивается через модуль объемного сжатия, представляющее собой сопротивление, которое оказывает данное тело всестороннему сжатию. Данные о прочности пород на сжатие и разрыв необходимы при изучении процессов разрыва пластов. Тветдость-способность г.п. сопротивляться пластическим деформациям. Упругость-свойство г.п. сохранять свою форму и объем при снятии нагрузки. Упругие свойства горных пород совместно с упругостью пластовых жидкостей в пласте влияют на режим перераспределения давления в пласте. Давление в пласте, благодаря упругим свойствам пород и жидкостей перераспределяется не мгновенно, а постепенно, после изменения режима работы скважины. Упругие свойства пород и жидкостей создают запас упругой энергии в пласте, которая освобождается при уменьшении давления и служит одним из источников движения нефти по пласту к забоям скважин. При снижении пластового давления, объем жидкости будет увеличиваться, а объем порового пространства будет уменьшаться. Считается, что основные изменения объема пор при уменьшении пластового давления происходят вследствие увеличения сжимающих условий на пласт от веса вышележащих пород. При одинаковой прочности пород интенсивность трещиноватости будет увеличиваться при уменьшении мощности пласта.Упругие свойства горных пород описываются законом Гука: bс =m·β_п;где β_с – коэффициент объемной упругости пористой среды;β_п - коэффициент сжимаемости пор;m - коэффициент пористости.; Изменение пористости пород (m) функционально зависит от объемной упругости пористой среды (β_с) и наименьшего напряжения (σ_о):m = m_o· [1 - β_n · (σ- σ_o)],где m_o – пористость при начальном эффективном напряжении;Коэффициент объемной упругости пористой среды (β_с) будет влиять на коэффициент сжимаемости пор (β_n) и на пористость пород:β_n = β_с / m_o. (1.42)

Величина коэффициента объемной упругости пористой среды (β_с) очень маленькая. Для нефтеносных пород она изменяется в диапазоне 0.3 – 2·10^-10 [м²/н].Пластичность-св-во г.п. характ.изменен.механич.параметров породы при длительном нагружении при кот-м порода испытыв. на себе остаточные деформации.Набухаемость-св-во г.п. увеличивать свой объем при взаимод. с флюидами.

2)Тепловые свойства горных пород.Тепловые свойства горных пород характеризуются, в основном, удельной теплоёмкостью, коэффициентом температуропроводности и коэффициентом теплопроводности. 1)Удельная (массовая) теплоёмкость характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы породы на 1°С: С=dQ/(MdT);Этот параметр необходимо учитывать при тепловом воздействии на пласт. Чем меньше плотность пород, тем выше величина удельной теплоёмкости. Удельная теплоёмкость зависит от минералогического состава, дисперсности, температуры, давления и влажности горных пород. Теплоёмкость пород зависит от минералогического состава пород и не зависит от строения и структуры минералов. Удельная теплоёмкость увеличивается при уменьшении плотности породы и растёт с увеличение температуры и влажности в пределах 0,4 - 2 кДж/ (кг×К). 2)Коэффициент теплопроводности (удельного теплового сопротивления)l характеризует количество теплоты dQ, переносимой в породе через единицу площади S в единицу времени t при градиенте температуры dT/dx:dQ=l*(dT/dx)*S*dt; 3)Коэффициент температуропроводности (α) характеризует скорость прогрева пород или скорость распространения изотермических границ.Коэффициенты линейного (a_L) и объёмного (a_V) расширения характеризуют изменение размеров породы при нагревании: aL=dL/dT*L;aV=dV/dT*V;где L и V – начальные длина и объем образца.Взаимосвязь тепловых свойств горных пород выражается соотношением:a=l/(c*r);c=l/(a*r);Теплопроводность и температуропроводность пород очень низки по сравнению с металлами. Поэтому для прогрева призабойных зон требуется очень большая мощность нагревателей. Вдоль напластования теплопроводность выше, чем поперёк напластования на 10-50%.Коэффициенты линейного и объёмного расширения изменяются в зависимости от плотности породы аналогично теплоёмкости. Наибольшим значением коэффициентов расширения обладает кварцевый песок и другие крупнозернистые породы.

Коэффициент линейного расширения пород уменьшается с ростом плотности минералов.