Механические свойства горных пород

Набухаемость пластовых глин

Многие глинистые составляющие горных пород при фильтрации воды способны набухать. Набуханием называется процесс поглощения жидкости твердой фазой с увеличением объёма последней.

Пластовые глины встречаются в коллекторах не только в виде прожилок, пропластков, но в виде порового цемента. При разработке продуктивной части пласта, ведения процесса разбуривания, капитальном и текущем ремонтах скважин, заводнении пластов определенное количество глинистых минералов может искусственно вносится в призабойную зону.

Глины-минералы продуктивных коллекторов состоят, в основном, из каолинитовых (Al₂O₃·2SiO₂·H₂O или Al₂·[Si₂O₅]·(OH)₄), монтмориллонитовых (Са, Na)·(Al, Mg, Fe)₂·[(Si, Al)₂O₅]₂·(OH)₂·nH₂O), гидрослюдистых (ионы Na⁺, Ca⁺, H⁺- воды, межслоевых промежутков трехслойных глин замещены на ионы К⁺) и хлоритовых (Mg, Fe⁺)₃·[Al·Si₃·O₁₀]·(OH)₂·3·(Mg, Fe⁺)· (ОH)₂ глин. Содержание их в продуктивном пласте изменяется от долей процента до 30 % и более.

Интенсивность набухания глин зависит от химического состава воды в поровом пространстве, концентрации солей в ней, состава обменных ионов, условий соприкосновения воды с породой, минералогического, гранулометрического состава пород, структуры породы, характера её внутренних связей. Интенсивность набухания увеличивается с уменьшением минерализации воды.

Интенсивность набухания возрастает с увеличением концентрации катионов в ряду: Li > Na > K > Mg > Ca > Sr > Ba > Al > Fe. Наибольшее набухание происходит обычно при замене двухвалентных катионов одновалентными.

Интенсивность набухания возрастает с увеличением разрушения структуры породы, за счет нарушения внутренних связей глинистых частиц (см. рис. 1.13, 1.14). Набухание глин объясняется процессом гидратации. Вода проникает в каналы глин и, адсорбируясь на их поверхности, создаёт поверхностные плёнки. Так как удельная поверхность глин значительна, глины могут набухать очень сильно. Частицы глин могут смещаться относительно друг друга и разрушаться. Процесс набухания глин может приводить и к полному их разрушению. Породы, склонные к набуханию характеризуются:

- увеличением объёма образца породы;

- увеличением влажности набухшего образца;

- увеличением величины давления, развиваемого набухшим образцом.

Процесс набухания глин приводит к снижению пористости и проницаемости породы в 50 и более раз.

Упругость, прочность на сжатие и разрыв, пластичность – наиболее важные механические свойства горных пород, влияющие на ряд процессов, происходящих в пласте в период разработки и эксплуатации месторождений.

Упругость – свойство горных пород сопротивляться изменению их объёма и формы под действием приложенных сил. Абсолютно упругое тело восстанавливает первоначальную форму мгновенно после снятия напряжения. Если тело не восстанавливает первоначальную форму или восстанавливает её в течение длительного времени, то оно называется пластичным.

Упругие свойства горных пород совместно с упругостью пластовых жидкостей 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.

Горные породы в недрах земли находятся в напряженном состоянии,

вызванным собственным весом пород (Р_г – геостатическое давление). Пластовое давление жидкости разрушает минеральный скелет пород, которые испытывают давление, равное разности между горным и пластовым давлениями (Р_упл.= Р_г. – Р_пл.). При извлечении нефти на поверхность пластовое давление (Р_пл.) падает, а давление на минеральный скелет пород (Р_упл.) 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. 1.24).

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:

, (1.48)

где вс – коэффициент объёмной упругости пористой породы;

вп – коэффициент сжимаемости пор;

V_о – начальный объём образца породы;

ДVп – 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 (в_с) будет влиять на коэффициент сжимаемости пор (в_n) и на пористость пород:

вn = вс/mo, (1.48)

где m_o– пористость при начальном напряжении (Р_{упл. min}).

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

m = mo· [1 – вп· (Р_упл. – Р_{упл. min})] = mo – вс· (Р_упл. – Р_{упл. min})], (1.49)

Величина коэффициента объёмной упругости пористой среды (в_с) 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, (1.50)

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

Прочность на сжатие и разрыв горной породы оценивается через модуль объёмного сжатия, представляющее собой сопротивление, которое оказывает данное тело всестороннему сжатию. Мелкозернистые породы, как правило, обладают более высокой прочностью, чем породы того же минералогического состава, но сложенные кристаллами больших размеров. Весьма прочны породы волокнистого строения. Большое влияние на прочность пород оказывает состав цемента. Однако высокая прочность зерен еще не означает, что порода будет оказывать большое сопротивление различным видам деформаций. Песчаники с глинистым цементом относятся к группе пород с низкой прочностью на сжатие. Примесь глины в известняках также понижает их прочность. Песчаники, цементирующим веществом которых служит кремнезем или известковый цемент, обладают повышенной прочностью.

Осадочным породам обычно присуща анизотропия (зависимость свойства от направления его измерения) в механических свойствах. Например, прочность, измеренная вдоль напластования породы, большей частью превышает прочность, измеренную в направлении, перпендикулярном напластованию.

Данные о прочности пород на сжатие и разрыв необходимы при изучении процессов разрыва пластов, при искусственном воздействии на породы призабойной зоны скважин..

Пластичность – изменение формы породы при воздействии на них различных нагрузок, без появления видимых трещин. Последние характеризуют хрупкость породы. Часто пластичность горных пород проявляется под действием длительной нагрузки, вызывающей изменение структуры породы. Механизм пластических деформаций может быть различен, как результат межзерновых и трансляционных движений (смещение атомов внутри отдельных кристаллов вдоль плоскостей, известных под названием плоскостей скольжения) или явлений перекристаллизации.

Пластические свойства при высоких давлениях особенно ярко проявляются у глин, пород, содержащих в значительных количествах глинистые минералы, солей.

При значительном снижении пластового давления происходят необратимые пластические деформации.

Установлено, что с течением времени нарушенное поле естественных напряжений вокруг нефтяных скважин в значительной мере восстанавливается, и давление на обсадные трубы нефтяных скважин после окончания бурения возрастает, что объясняется проявлением ползучести и пластичности некоторых горных пород.

Дата добавления: 2014-01-04