litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 ... 6 7
2 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД



2.1 Общие сведения


Изучение физико-механических свойств горных пород имеет важное значение при сооружении нефтяных и газовых скважин. Без знаний свойств пород невозможно выбрать конструкцию буровой скважины, подобрать наиболее эффективный породоразрушающий инструмент, определить параметры режима бурения, включая нагрузку на долото, частоту его вращения, объем и качество бурового раствора. Знание свойств горных пород необходимо при интерпретации диаграмм геофизических исследований скважин. Без знания свойств горных пород нельзя выбрать наиболее эффективную систему разработки нефтяных и газовых залежей и провести подсчет запасов углеводородов.

Необходимо отметить, что твердые горные породы в отличие от других твердых тел, обладают анизотропностью, т.е. неравносвойственностью в разных направлениях нагрузки на них. Особенно отмечается зависимость свойств горных пород от выбранного направления для осадочных пород. Причины этого следует искать в условиях осадконакопления при образовании слоистой текстуры. При этом свойства пород в параллельной плоскости напластования или слоистости существенно отличаются от свойств в перпендикулярном направлении. Для метаморфических пород, подвергшихся влиянию какого-либо одностороннего горного давления и имеющих сланцеватую текстуру, анизитропность свойств вдоль поверхностей сланцеватости и поперек является частым явлением.

Анизотропность физико-механических свойств горных пород определяется коэффициентом анизотропности кан, который может быть подсчитан следующим образом


Кан = , (2.1)


где А - показатель свойства породы вдоль слоистости или сланцеватости;

А - показатель того же свойства в перпендикулярном направлении


нагрузки породы.


2.2 Плотностные свойства горных пород


К ним относятся плотность, объемная масса, пористость, трещиноватость.

Плотностью называется масса единицы объема твердой фазы (минерального скелета) горной породы. Плотность зависит, главным образом от плотности минералов, слагающих породу. Плотность основных породообразующих минералов в земной коре колеблется в диапазоне от 1900 до 3500 кг/м3.

Плотность осадочных горных пород находится в пределах от 1850 до 3200 кг/м3 Чаще всего в геологических разрезах встречаются породы с плотностью от 1850 до 2700 кг/м3.

Важным структурным фактором является объемная масса горной породы. Это масса единицы объема породы в ее естественном состоянии, то есть с минеральным скелетом, порами и трещинами. Объемная масса имеет то же значение, что и плотность монолитных (без пор и трещин) пород.

Для пористых пород объемная масса всегда меньше их плотности. Объемная масса пород, имеющих в порах и трещинах капельную жидкость, больше объемной массы сухих пород. Разница возрастает по мере роста пористости и минерализации пластовой воды.

При увеличении глубины скважины за счет роста горного давления происходит уплотнение пород, смятие пор и пустот, поэтому объемная масса возрастает. Горные породы осадочного комплекса имеют объемную массу, равную 1800-2500 кг/м3, а насыщенные водой осадочные породы имеют объемную массу 2000-2700 кг/м3.

С ростом глубины скважины увеличивается температура горных пород. Повышение температуры вызывает увеличение объема минерального скелета и пластового флюида, поэтому объемная масса несколько снижается.

В работе [5] было предложено плотностью называть осредненные значения объемной массы породы для значительных интервалов и даже полностью для геологического разреза. В таблице 2.1 приведены плотности основных осадочных пород.



Таблица 2.1 – Плотность осадочных пород [5]


Горная порода

Плотность, кг/м3

Горная порода

Плотность, кг/м3

Песчаники

2320-3200

Алевролиты

2340-3040

Глины

1850-2200

Известняки

2360-2980

Аргиллиты

2630-2860

Доломиты

2460-3190

Мергели

2370-2920

Каменная соль

2100-2200


Наиболее важным структурным признаком породы является пористость, определяемая наличием в ней пор, трещин (пустот).

Общая (абсолютная, физическая, полная) пористость характеризуется отношением объема пор к объему всей породы. Коэффициент общей пористости кп есть отношение объема всех пор Vпор к полному объему образца породы Vобр, в долях или процентах


Кп = (2.2)


Известна также открытая пористость, которая учитывает сообщающиеся между собой поры. Она всегда меньше или равна общей пористости.

Динамическая (эффективная) пористость учитывает только часть объема открытых пор с движущимся пластовым флюидом. Пористость магматических и метаморфических пород весьма мала (0,8-1,2 %) [1]. Осадочные породы имеют большую пористость (таблица 2.2).



Таблица 2.2 – Общая пористость основных пород нефтяных и

газовых месторождений


Горные породы

Кп, %

Горные породы

Кп, %

Глины

0-62

Песчаники

0-53

Аргиллиты

0-25

Известняки

0-45

Глинистые сланцы

0,5-4

Доломиты

2,5-33

Пески

2-55

Алевролит

0-47


Как следует из таблицы, наибольшую общую пористость имеют глины, пески, песчаники, но у глины поры в основном закрытые, то есть не сообщающиеся друг с другом.

Обломочные породы весьма пористы. С ростом глубины пористость обломочных пород уменьшается.

Пористость зависит от формы и размеров зерен, степени их окатанности, уплотнения, цементирования обломков и зерен.

Пористость пород-коллекторов нефтяных и газовых месторождений чаще всего находится в следующих пределах (%):

Пески 20-25

Песчаники 10-30

Карбонатные породы 10-20.

По происхождению поры, трещины могут быть первичными и вторичными. К первым относятся поры и трещины, образующиеся во время осадконакопления и формирования массива горных пород. Вторичные поры и трещины образовались в течение постдиагенетического изменения. В этом отношении наиболее характерными являются карбонатные породы, например, при доломитизации известняков образуется значительное количество пустот.


По размеру поровые каналы пород-коллекторов условно делят на три группы [4]:

- сверхкапиллярные – более 0,5 мм;

- капиллярные - 0,5-0,0002 мм;

- субкапиллярные – менее 0,0002 мм.

Структура порового пространства зависит от следующих факторов:

- степени трещиноватости;

- гранулометрического состава пород;

- характеристики цементации.

Измерения коэффициента полной пористости горных пород кп основывается на следующем соотношении


(2.3)


где Vзерн – объем минерального скелета образца.

С учетом того, что масса образца складывается из слагающих его зерен, уравнение (2.3) может быть представлено так

(2.4)


где и суть плотности образца породы и плотности минерального

скелета.

Определение плотности [1, 3, 6].

Плотности горных пород определяется с помощью весов на основании того, что она равна массе пород, отнесенной к ее объему. Масса породы определяется или путем вытеснения воды в мерном сосуде или посредством гидростатического взвешивания. Последний из перечисленных методов включает подвешенную на гидростатических весах на тонкой проволоке образец пород, взвешенный на воздухе и при погружении его в воду.

Объем вытесненной воды Vвв численно равен объему образца горной породы. Масса породы фиксируется при взвешивании образца на воздухе. Таким образом плотность горной породы равна



. (2.5)


2.3 Проницаемость



В процессе бурения скважин с промывкой их буровым раствором возникают сложные явления взаимодействия раствора с горными породами на стенках ствола. Это, прежде всего, явления фильтрации, диффузии, теплообмен и капиллярная пропитка. Самым значительным элементом воздействия бурового раствора на породы является фильтрация, которая служит причиной возникновения таких процессов, как поглощения бурового раствора, нефтегазоводопроявлений пластовых флюидов в скважину, кольматация стенок призабойной зоны пласта, суффозия (разрушение) пород в зоне перфорации во время освоения скважины и ее эксплуатации [4]. В результате фильтрации глинистые горные породы при первичном вскрытии пласта набухают и теряют устойчивость. Все расчеты по добыче нефти и газа основаны на теории фильтрации пластовых флюидов.

В теории фильтрации рассматриваются модели течения флюида, которые связывают потери напора его при движении в пористой среде со свойствами и параметрами флюида. Общепризнанным является линейный закон фильтрации Дарси, в котором скорость фильтрации жидкости в порах породы пропорциональна градиенту давления и обратно пропорциональна динамической вязкости. Закон Дарси записывается следующей формулой [4]

(2.6)


где Q – объемный расход жидкости в единицу времени, м3/с;

- динамическая вязкость жидкости, Па·с;

F – площадь поперечного сечения пористой среды, м2;

ΔP – перепад давления, Па;

L – длина пористой среды, м;

кпркоэффициент проницаемости, м2.

Коэффициент фильтрации является количественной мерой проницаемости, то есть способности горных пород фильтровать сквозь себя жидкости или газы под воздействием градиента давления.


В практике работ обычно применяют размерность коэффициента проницаемости равным (мкм2). В технической системе использовалась размерность в виде «дарси (Д)» и «миллидарси (мД)».

Известны следующие виды проницаемости: абсолютная, эффективная и относительная. Абсолютная (физическая) проницаемость представляет собой проницаемость пористой породы для единственной фазы, которая физически и химически инертна к породе.

Под эффективной (фазовой) проницаемостью понимают проницаемость при наличии в породе более одной фазы. Как известно, в продуктивных пластах поры могут вмещать как жидкость (нефть, вода), так и газ. Проницаемость любой из этих фаз не будет равна абсолютной проницаемости.

Относительная проницаемость это отношение эффективной проницаемости к абсолютной. Существует ряд классификаций горных пород по проницаемости. Наиболее простая классификация разработана Кобрановой В.Н. [2], предложившей разделить породы на проницаемые, полупроницаемые и практически непроницаемые.

К проницаемым отнесены грубообломочные осадочные породы, включая галечники и гравий, песчано-алеврито-глинистые и трещинноватые и кавернозно-трещинные карбонатные породы с коэффициентом проницаемости кпр > 10-2 мкм2. Сюда же относят и трещиноватые магматические и метаморфические породы, в которых наблюдаются проницаемые разности.

Полупористые породы (10-4 < кпр < 10-2 мкм2) включают менее отсортированные глинистые пески, алевриты и песчаники с пористостью < 10 – 15 %, микротрещиноватые карбонатные породы с субкапиллярными каналами.

Практически непроницаемые породы включают глины, аргиллиты, глинистые сланцы, мергели с субкапиллярными каналами, а также сильно сцементированные алевролиты, известняки, песчаники и плотные магматические и метаморфические породы (кпр < 10-4 мкм2). Некоторые специалисты к трем описанным типам пород относят еще один. Это породы-экраны нефти и газа с коэффициентом проницаемости кпр < 10-6 мкм2. Они имеют такую низкую проницаемость, что служат ловушками для мигрирующих по геологическому разрезу скоплением нефти и газа. К ним относятся глины пластичные слабопесчанистые, ангидрит, каменная соль, многолетнемерзлые породы. На проницаемость песчано-алевролитовых пород существенно влияет размер обломков. Чем крупнее обломки, тем больше размер пор и выше проницаемость. В породах, сложенных из неоднородных частиц проницаемость уменьшается по сравнению с породами, состоящих из относительно однородных по размеру обломков. Цемент осадочных горных пород оказывает большое влияние на проницаемость. Занимая пространство между частицами породы цемент перекрывает пути фильтрационных потоков. Рассматривая влияние минерального состава глинистых цементов, необходимо отметить то, что наиболее резко уменьшает проницаемость монтмориллонит.


Экспериментально установлено то, что в осадочных породах содержащих 20-25 % карбонатного цемента, проницаемость близка к нулю [3].

Для определения абсолютной проницаемости используется ряд приборов. Все они имеют близкие по составу узлы. Это, прежде всего кернодержатель, в котором находится керн горной породы, проницаемость которого определяют, узлов для замера давлений на входе и выходе кернодержателя, расходомер и механизм для подачи жидкости или газа в кернодержатель [4].


2.4 Прочность


Прочность определяется способностью пород сопротивляться разрушению под действием нагрузок. Критические значения напряжений, при которых происходит разрушение породы, называют пределом прочности. Различают пределы прочности пород на одноосное сжатие , растяжение , изгиба , сдвига (среза) . При проходке глубоких скважин разрушение горных пород на забое происходит в условиях всестороннего сжатия, поэтому рассматривается также понятие «предел прочности при всестороннем сжатии [1, 5, 6, 8, 9].

В горно-добывающей промышленности применяется термин «крепость» как синоним понятия «прочность». Широко известен коэффициент крепости Протодьяконова М.М., определяемый отношением значения предела прочности породы при одноосном сжатии к 100.

Наиболее простым видом определения прочности является одноосное сжатию, так как она проводится при простом напряженном состоянии, то есть < 0; - = 0.


Этот метод является стандартным. Определение прочности проводят на гидропрессах. При подготовке образцов пород к опыту следует помнить что размер образца цилиндрической или прямоугольной формы должен быть близким к 40-50 мм с примерно одинаковыми размерами длины и диаметра для цилиндра и поперечными и продольными размерами для образцов прямоугольной формы.

Схема проведения опыта приведена на рисунке 2.1.






следующая страница >>