Механические свойства коллекторов

Упругость, прочность на сжатие и разрыв, пластичность — наиболее важные механические свойства горных пород, с которыми приходится сталкиваться при разработке и эксплуатации нефтяных месторождений. Перечисленные механические свойства пород влияют на ряд процессов, происходящих в пласте в период разработки и эксплуатации месторождения.

Так, например, упругие свойства горных пород совместно с упругостью пластовых жидкостей влияют на перераспределение давления в пласте при эксплуатации месторождения. Запас упругой энергии, освобождающейся при снижении давления, может служить значительным источником движения нефти по пласту к забоям скважин. Действительно, если пластовое давление снижается, то жидкость — вода и нефть — расширяется, а поровые каналы сужаются. Упругость пород и жидкостей очень мала, но вследствие огромных размеров пластовых водонапорных систем в процессе эксплуатации значительное количество жидкости (упругий запас) дополнительно вытесняется из пласта в скважину за счет расширения объема жидкости и уменьшения объема пор при снижении пластового давления.

Не менее существенный эффект упругости жидкости и пласта представляет не мгновенное, а постепенное перераспределение давления в пласте после всякого изменения режима работы скважины, после ввода новой или остановки старой скважины. Таким образом, при большой емкости пласта и высоком пластовом давлении с самого начала эксплуатации пласт будет находиться в условиях, для которых характерны длительные неустановившиеся процессы перераспределения пластового давления. Скорости этих процессов в значительной мере определяются упругими свойствами пород и жидкостей. Оказывается, что по скорости перераспределения давления при известных упругих свойствах пород и жидкости можно судить о проницаемости и других параметрах.

В процессе эксплуатации месторождения весьма важно знать также и прочность пород на сжатие и разрыв. Эти данные наряду с модулем упругости необходимы при изучении процессов искусственного воздействия на породы призабойной зоны скважин (торпедирование, гидроразрыв пластов), широко применяемых в нефтепромысловом деле для увеличения притока нефти.

Весьма важно также знать пластические свойства пород.

Известно, что породы пластов в естественном состоянии находятся в упруго-сжатом состоянии под действием веса вышележащих отложений. При проведении горных выработок это состояние всестороннего сжатия нарушается и создаются условия «вытекания» пород в выработку. Очевидно, что при этом нарушается существовавшее ранее естественное поле напряжений в районе выработки и при проведении гидравлического разрыва пластов, при торпедировании, при исследовании процессов разрушения призабойной зоны необходимо исходить из новых условий напряженного состояния пород в районе выработки, обусловленных соответствующим горным давлением, величина которого, кроме всех прочих свойств пород, как мы увидим дальше, зависит также и от пластичности породы, в которой проведена выработка.

Из сказанного следует, что физико-механические характеристики горных пород чрезвычайно важно знать при разработке месторождения и проведении различных мер воздействия на призабойную зону скважин.

При рассмотрении физических свойств горных пород следует учитывать, что в зависимости от условий залегания механические свойства породы могут резко изменяться.

Основные факторы, определяющие физико-механические свойства породы, следующие:

1) глубина залегания породы, определяющая величину давления, испытываемого породой от веса вышележащей толщи (горное давление);

2) тектоника района, определяющая характер и степень интенсивности испытанных породой деформаций;

3) стратиграфические условия залегания;

4) внутрипластовое давление и условия насыщения пор жидкостями.

Горные породы, налегая друг на друга, находятся в определенном напряженном состоянии, вызванном собственным весом пород и определяющимся глубиной залегания и характером самих пород. До нарушения условий залегания пород скважиной внешнее давление от собственного веса вышележащих пород и возникающие в породе ответные напряжения находятся в условиях равновесия.

Составляющие этого нормального поля напряжений имеют следующие значения:

по вертикали

где σ — вертикальная составляющая напряжений в н/м²; γ — удельный вес породы в н/м³; Н — глубина залегания пласта в м; ρ— плотность породы в кг//м³; g — ускорение силы тяжести в м/сек².

по горизонтали

где п — коэффициент бокового распора.

Величина п для пластичных и жидких пород типа плывунов равна единице (и тогда горизонтальное напряжение определяется гидростатическим законом), а для плотных и крепких пород в нормальных условиях, не осложненных тектонически, коэффициент бокового распора выражается долями единицы.

Величина коэффициента бокового распора и горизонтального давления может быть приближенно оценена из следующего [35].

Выделим элементарный объем горной породы (рис. 21). Относительная деформация, которую это тело получило бы, например, вдоль оси х при сжатии его тремя взаимно-перпендикулярными, равномерно распределенными силами, выраженными главными напряжениями (; ), была бы равна

, (1.59)

где E — модуль Юнга в н/м²; ν — коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона).

Eсли принять, что в процессе осадконакопления происходило только сжатие пород в вертикальном направлении, а в горизонтальном направлении деформаций не происходило, то

Тогда, исходя из уравнения (1.59), получим

, (1.60)

т.е. коэффициент бокового распора

Если принять для пород значение коэффициента Пуассона равным ν = 0,3, то получим [13]

σ = 0,43·σ _z, (1.61)

Формула (1. 60) выведена для условий, когда справедливо предположение об отсутствии деформаций пласта в горизонтальном направлении и когда не учитывается пластичность горных пород. В условиях реальных пластов эти предположения не всегда справедливы, и в них поэтому возможны более сложные напряженные состояния горных пород.

При достаточно больших давлениях на значительных глубинах, по-видимому, происходит выравнивание напряжений вплоть до величин, определяемых гидростатическим законом, так как предполагается, что за длительные геологические периоды породы испытывают пластические деформации. Однако чаще всего вследствие интенсивных тектонических процессов, происходивших в земной коре в течение геологических периодов, горные породы многократно деформировались, что, по-видимому, сопровождалось возникновением значительных различий между главными напряжениями.

В областях, где в результате тектонических процессов происходили боковое сдавливание пород и образование надвигов, наибольшим должно быть горизонтальное напряжение, которое, по-видимому, может иногда в 2—3 раза превышать вертикальное горное давление. В зонах возникновения обычных сбросов, не сопровождающихся боковым сжатием, вертикальные напряжения пород должны значительно превышать горизонтальные.

С появлением скважины изменяется напряженное состояние пород, так как происходят возмущения в естественном поле напряжений. В глубине пластов породы всесторонне сжаты, а по мере приближения к скважине они будут находиться в условиях, близких к одноосному сжатию. В результате пластичные породы (некоторые глины и глинистые сланцы) частично выдавливаются в скважину и удаляются в процессе бурения. В результате вертикальное горное давление на породы нефтяного пласта в районе скважины оказывается частично уменьшенным. При этом в районе скважины в простом естественном поле напряжений появляется зона аномалий. В горном деле установлено, что область аномалий, имеющая практическое значение, невелика; она только в несколько раз превосходит размеры горной выработки.

Из сказанного следует, что горные породы в продуктивных пластах могут находиться в условиях различного напряженного состояния. Это надо учитывать при работах, связанных с воздействием на пласт с целью разрушения пород призабойной зоны и образования искусственной трещиноватости, проводимых для улучшения притока нефти в скважины.

Испытание горных пород на одноосное сжатие - наиболее распространенный метод общей оценки прочностных свойств горных пород. Максимальная нагрузка, приходящаяся на единицу площади сжимаемого образца в момент его разрушения, является временным сопротивлением породы одноосному сжатию σ_сж или пределом прочности породы на одноосное сжатие.

Сущность определения σ_сж заключается в следующем. Для испытания готовят образцы правильной формы (кубической или цилиндрической), при этом плоскости образцов, к которым прикладывают нагрузку, должны быть параллельны и отшлифованы. Нагрузку на образцы создают с помощью гидравлического пресса.

22 марта 1961 г. в Праге на Международном совещании был принят текст Основных положений по определению прочности горных пород на одноосное сжатие, ставший общепринятым международным стандартом. Для определения σ_сж рекомендовано использовать образцы керна диаметром и высотой 40-50 мм с отношением d / h = 1. Торцовые поверхности должны быть обработаны на шлифовальном круге, отклонение от параллельности и перпендикулярности к оси образца допускается не более 0,05 мм.

Испытания должны проводиться при скорости нагружения в пределах 50-100 Н/(см² с).

Если отношение d / h не равно единице, тогда рекомендуется сделать перерасчет предела прочности на сжатие по формуле

(3.1)

где σ_d - показатель прочности, полученный на образце с нестандартным отношением диаметра к высоте образца.

Для коррекции показателя прочности на сжатие, полученного на образце нестандартного диаметра, может быть использована формула Л.И. Барона

(3.2)

где σ_сж - показатель прочности породы при диаметре образца d₂; σ_сж1 - показатель прочности породы при диаметре образца d₁.

При определении временного сопротивления горных пород одноосному сжатию большое значение имеет соблюдение стандартных условий опытов, важнейшими среди которых являются следующие.

Величина коэффициента трения между торцами образцов породы и плитами пресса. При уменьшении коэффициента трения (использование прокладок из картона, свинца, парафина) предел прочности на сжатие уменьшается в 2-3 раза. Использование прокладок стандартом не предусмотрено.

Направление приложенной нагрузки по отношению к напластованию пород. При сжатии пород перпендикулярно к напластованию σ_сж в 1,5 - 1,7 раза больше показателя, полученного при сжатии параллельно напластованию.

Скорость нагружения образцов пород. При увеличении скорости перемещения пуансона пресса от 0,03 до 50 мм/мин значение σ_сж возрастает в 1,8 раза. При увеличении скорости возрастания нагрузки на образец свыше 200 Н/{см² с) показатель предела прочности особенно резко возрастает.