Тема 12. Деформация горных пород

 

Напряженное состояние горных пород

Горные породы, залегающие в земной коре, подвергались в течение геологического времени и подвергаются в настоящее время действию силы тяжести, внутриземных сил, притяжения Солнца, Луны и планет, физико-химическим превращениям. Под действием этих факторов в горных породах создалось напряженное состояние, которое будем называть естественным напряженным состоянием.

При искусственном воздействии на горные породы путем выработок в них проявляется эффект естественного напряженного состояния пород или горного давления.

Рассматривая естественное напряженное состояние пород, следует различать вертикальную компоненту горного давления σ_z и горизонтальную σ _х.у Вертикальную компоненту горного давления называют также полным горным давлением и обозначают q _г, а горизонтальную компоненту – боковым горным давлением.

К прямым методам определения горного давления можно отнести измерение горного давления в горных выработках (скважинах, шахтах, штреках и т. д.). Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что для определения вертикальной компоненты горного давления в не насыщенных жидкостью или газом горных породах можно использовать формулу

σ_z = ρ_пgH,

где: ρ_п – осредненная плотность горных пород в интервале от z = 0 до z = Н ( z — вертикальная координата, причем z = 0 на дневной поверхности); g — ускорение свободного падения.

Считается, что горизонтальную компоненту естественного напряженного состояния пород для не насыщенных жидкостью или газом пород можно определить по формуле:

g_x,у = а σ_z

Считается, что наиболее вероятные значения коэффициента а для хрупких горных пород в пределах 0,3-0,7, для текучих горных пород он близок к единице. Объясняется это тем, что релаксация напряжений в твердых, хрупких горных породах либо не происходит вовсе, либо происходит чрезвычайно медленно, так что даже за геологические периоды в десятки и сотни миллионов лет, разность между вертикальным и боковым горным давлением сохраняется. Если горные породы упругие и в пластах отсутствовали значительные тектонические движения, особенно в горизонтальном направлении, то а = v/ (1- v) (v - коэффициент Пуассона). У текучих пород время релаксации достаточно мало по сравнению с периодами существования геологических структур, и вследствие текучести пород, разность между боковым и вертикальным горным давлением могла практически исчезнуть. В вязкой жидкости, например, согласно закону Паскаля давление, действующее на элементарный объем жидкости в вертикальном направлении, равно давлению жидкости, действующему на этот объем в горизонтальном направлении.

При проведении горных выработок напряженное состояние вблизи выработок, существенным образом изменяется (рис. 12.1).

 

Рис.12.1. Давления в горных породах вокруг вертикальной выработки

 

Рассмотрим упругую деформацию горных пород вблизи выработок круговой формы в плане, когда действие нагрузки на выработку не является осесимметричным. Рассмотрим пример плоского двумерного напряженного состояния.

Пусть скважина радиусом г, пробурена в массиве, где действует лишь одностороннее сжимающее напряжение направленное вдоль оси О_х. Вблизи скважины образуется пластическая область, где вертикальное напряжение оказывается ниже вертикального горного давления. Эта область разгрузки горного давления распространяется от скважины до определенного радиуса.

Размер области разгрузки горного давления сильно зависит от разности плотности породы и жидкости и глубины залегания пласта. [(р_п-р_в) gН ]

Так, при одинаковых параметрах и радиусе выработки 1 м на глубине Н = 2000 м радиус области разгрузки горного давления равен 90 м, а при глубине 1000 м и тех же параметрах он равен лишь 7,4 м.

Разгрузка горного давления оказывает большое влияние не только на процесс проходки скважины, так как из-за пластической деформации из разбуриваемых горизонтов «выдавливается» большое количество малопрочных пород, но и на последующую разработку пластов, расположенных около пластически деформирующегося пласта. Таким образом, разгрузка горного давления изменяет напряженное состояние вблизи скважины и облегчает образование трещин в пластах при повышении давления жидкости в скважине.

 

Взаимодействие горных пород

И насыщающих их жидкостей

Поровое пространство горных пород, а также имеющиеся в породах трещины, каверны и другие полости в естественных условиях, как правило, бывают заполнены жидкостями или газами.

Эти подвижные вещества, насыщающие горные породы, находятся под давлением. В горных породах в свою очередь имеются напряжения. Любое изменение давления жидкости или газа, а также нагрузок на горные породы нарушает имеющееся в данный момент времени соотношение между давлением и напряжениями. Другими словами, между породами и насыщающими их веществами существует механическое взаимодействие.

Возьмем образец пористой среды (рис.12.2), покрытый непроницаемой оболочкой и поместим его в среду, создающую вертикальное и горизонтальное давления (жидкость).

 

Рис. 12.2. Действие усилий на образец пористой горной породы

 

Внутрь образца подводится по трубке жидкость, имеющая давление р. В материале образца соответственно возникают горизонтальные и вертикальное напряжения. Если изменить давление жидкости, оставив неизменными внешние нагрузки на образец, то это вызовет изменение напряжений в материале образца. Напряжения в образце пористого тела, показанного на рис.12.2, являются эффективными напряжениями действующими на единичную площадку пористого тела в целом, включая как зерна, так и пустоты. Эффективные напряжения вызывают изменение конфигурации скелета пористой среды; при определенном значении эффективных напряжений может произойти разрушение пористой среды.

Вернемся теперь к поставленному выше вопросу о количественной взаимосвязи между внутрипоровым давлением р, эффективными напряжениями и полными напряжениями. Эффективные напряжения в пористом теле могут быть равны нулю. Вряд ли можно ожидать разрушения материала пористой среды под действием внутрипорового давления р. Уменьшение внутрипорового давления р в образце на какую-то величину при неизменном полном напряжении приводит к увеличению эффективного напряжения на такую же величину.

При деформации пористых и проницаемых пород в процессе фильтрации содержащихся в них жидкостей или газов на каждый элементарный объем пористой среды действует соответствующая компонента градиента давления жидкости или газа.

Будем также учитывать наличие обсадной стальной трубы (колонны) в скважине. Внешняя поверхность трубы скреплена с породами пласта при помощи цемента. В целях упрощения задачи будем считать свойства цемента и свойства пород одинаковыми. Примем также, что жидкость не оказывает давления на обсадную трубу, поскольку она перфорирована и, следовательно, очень хорошо проницаема. Деформацию обсадной трубы будем считать упругой. Очевидно, что в рассматриваемом случае каждому значению нормального напряжения в горных породах, действующего на трубу, будет отвечать определенное значение смещения горных пород вблизи трубы (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Действие градиентов давления на породы пласта вокруг

ствола обсаженной скважины:

1 — обсадная труба; 2 — цементное кольцо; з — породы пласта

 

Для той части задачи, которая касается фильтрации, примем следующую схему с определенным приближением соответствующую случаям закачки в пласт жидкости с вязкостью, намного превышающей вязкость пластовой жидкости, или при приближенном рассмотрении неустановившейся фильтрации при упругом режиме.

В первом случае, труба оказывает малое влияние на деформацию пласта и можно считать пласт как бы не обсаженным. Во втором случае, когда пласт сложен мягкими породами (алевролитами, глинами и т. д.), уже нельзя не учитывать наличия обсадной трубы в скважине при рассмотрении деформации горных пород. Если породы обладают большим модулем упругости, то при нагнетании жидкости в пласт обсадная труба будет деформироваться в той же степени, что и породы пласта, и напряжение, отрывающее трубу от цемента, будет сравнительно невелико.Наоборот,если породы имеют меньший модуль упругости, отрывающее напряжение, может достичь значительной величины.

Представляет интерес описание пластической деформации горных пород под действием градиентов давления фильтрующейся жидкости. Известно, что при проходке и эксплуатации нефтяных и газовых скважин создание определенных градиентов давления жидкости в каком-либо пласте, сложенном глинистыми или плохо сцементированными песчаными породами, приводит к тому, что породы разрушаются, «плывут».

Наличие градиентов давления жидкости в пласте при фильтрации из пласта в скважину как бы уменьшает коэффициент пластичности и способствует большему распространению пластической деформации неустойчивых пород вблизи скважин.

Перейдем к вопросу механического взаимодействия горных пород и фильтрующейся жидкости при упругом режиме пластов. На движение жидкости, насыщающей горные породы, оказывает влияние деформация пород — в этом, собственно, и заключается одна из особенностей упругого режима нефтеводоносных пластов.

Прежде всего необходимо показать, каким образом деформируются породы в процессе движения в них жидкости. Как следует из сказанного выше, эта деформация возникает в основном от двух причин: от изменения эффективных напряжений в породах в результате изменения давления жидкости на контакте кровля - пласт и от действия на породы градиентов давления фильтрующейся жидкости. Поясним более подробно, что это – разные причины.

Эффективные напряжения в породах могут появиться как при наличии, так и при отсутствии движения жидкости. Градиенты давлений действуют на горные породы только при наличии движения жидкости. Деформацию пород от действия эффективных напряжений, возникающих из-за появления контактных усилий на границе пласта с кровлей и подошвой, и деформацию от действия градиентов давления фильтрующейся жидкости нужно учитывать раздельно. Поэтому, в принципе, в каждом отдельном случае деформация горных пород по-разному влияет на процесс фильтрации жидкости.

На тех глубинах, где в настоящее время разрабатываются месторождения полезных ископаемых и, в частности, нефтяные и газовые месторождения, породы – коллекторы нефти и газа можно во многих практических случаях считать упругими. При переходе же на большие глубины, а также в тех случаях, когда давление насыщающей породу жидкости близко к горному давлению и, следовательно, сами породы в естественных условиях слабо нагружены, они будут большей частью деформироваться пластически, необратимо, а также будут проявлять свойства текучести.

При упруго-пластическом режиме пластическая деформации самой породы в каждом элементарном объеме происходит мгновенно, т. е, текучести породы не наблюдается.

 

12.3. Деформации горных пород на больших глубинах

Следу­ет подчеркнуть чрезвычайно важную реологиче­скую роль кварца в песчаниках и кварцсодержащих кристаллических породах. Уже при температурах 260-290°С он начинает терять свою прочность и испытывает пластические деформации даже при небольших (меньше 1 МПа) напряже­ниях. Наличие воды в зонах глубинной гидрогео­логической инверсии, влечет за собой сниже­ние лимита текучести на 40-80°С. Граница между зонами хрупкой и пластической реологии во время деформации земной коры любой природы стано­вится поверхностью срыва и именно благодаря этому приобретает значение сейсмической грани­цы. Глубина ее залегания в зависимости от конкрет­ных геотермодинамических условий варьирует от 7 до 15 км. Наблюдаются сопутствующие поверхности, отображаю­щие ступенчатый характер изменения реологиче­ских свойств пород фундамента.

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Авчян Г.М., Матвеенко А.А., Стефанкевич. Петрофизика осадочных пород в глубинных условиях. М.: Недра. 1979.-224с.

2. Багринцева К.И. -Трещиноватость осадочных пород, М.:Недра, 1982.- 256с.

3. Березкин В.М.,Киричек М.А., Кунарев А.А.Применение геофизических методов разведки для прямых поисков месторождений нефти и газа. М.,»Недра. 1978.-223 с.

4. Виноградов В.Г., Дахнов А.В., Пацевич С.Л.- Практикум по петрофизике.- М.:Недра. 1990.-227с.

5. Добрынин В.М. Деформация и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа. М.: Недра. 1970.-180с.

6. Желтов Ю.П. Механика нефтегазоносного пласта. М.: Недра.1975.- 216с.

7. Кобранова В.Н. Петрофизика.- М.:Недра. 1986.-392с.

8. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Учебное пособие.- Л.:Недра, 1990.-328с.

9. Петрофизика: Справочник (ред. Н.Б.Дортман)М.: Недра. Т1-1992.- 391с.; Т2-1992.-296с.,; Т3-1992.-286с.

10.Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М.: Недра. 1976.-288с.

11.Сахибгареев Р.С. Вторичные изменения коллекторов в процессе формирования и разрушения нефтяных залежей. М.: Недра. 1989.-

12.Спутник нефтегазопромыслового геолога: Справочник. Ред. Чоловского. М.: Недра. 1989.-376с.

13.Физические свойства горных пород и полезных ископаемых: Справочник геофизика. Ред. Дортман Н.Б. М.: Недра, 1984.-455с.

14.Ханин А.А. Петрофизика нефтяных и газовых пластов. М.: Недра. 1976.-295с.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................... ………………………………………...3

Тема 1. Неоднородность геологических тел………………………………………....…..4
Тема 2. Пористость, глинистость,карбонатность…………............................................7

2.1 Происхождение и параметры порового пространства………………………..7

2.2 Глинистость порового пространства ………………………………………..10

2.3 Эффективная и динамическая пористость ………………………………...11

2.4 Карбонатность пород……………………………………………………13

Тема 3.Влагоемкость. Двойной электрический слой. ………………………………….14

3.1 Влагоемкость. Виды воды в горных породах……………………………...14

3.2 Двойной электрический слой……………………………………………….15

3.3 Структурные особенности жидкой воды ………………………………….17

Тема 4. Нефте- и газонасыщение пород............................................................. ….21

Тема 5. Проницаемость………………………………………….……………………..…24

5.1 Абсолютная проницаемость............................................................. ….24

5.2 Эффективная и относительная проницаемость …………………………...27

Тема 6. Плотность ………………………………………………………………………...29

6.1 Плотность газов, жидкостей, минералов и пород.................... ……….29

6.2 Плотность осадочных пород земной коры………………………………...33

Тема 7. Электромагнитные свойства горных пород……………………………….……34

7.1 Поляризация горных пород…………………………………………………34

7.2 Особые электрические явления …………………………………………….37

7.3 Электропроводность......................................... …………………………38

7.4 Магнитные свойства........................................................................... …43

Тема 8.Теплофизические свойства горных пород……………………………………… 45

8.1 Законы распространения тепла в горных породах...............................45

8.2 Тепловой поток.......................................................................................48

Тема 9.Радиоактивность ………………………………………………………………….50

9.1 Строение атома……………………………………………………………….50

9.2 Радиоактивность..................................................... ……………………..51

9.3 Энергия частиц.................................................................................. ….53

9.4 Взаимодействие излучений с веществом................................ ………..53

9.5 Распространение радиоактивных элементов в земной коре……………...55

Тема 10. Влияние литологии на коллекторские свойства.....................................56

10.1 Влияние структуры пористого пространства на проницаемость……….56

10.2 Влияние глинистости на экранирующие свойства……………………...57

10.3 Влияние термодинамических условий …………………………………...58

10.4 Влияние внешнего давления ……………………………………………..64

Тема 11. Подземное движение жидкостей и газов……………………………..………69

11.1. Основной закон фильтрации……………………………………………..69

11.2. Движение жидкости в неоднородных и трещиноватых пластах……….71

11.3. Вытеснение нефти водой………………………………………………….72

11.4. Вытеснение нефти из трещиновато- пористого пласта…………………75

11.5. Фильтрация газированной жидкости……………………………………..77

11.6. Влияние силы тяжести на подземное движение нефти и газа………….78

11.7. Конвективная диффузия. Сорбция ………………………………………78

11.8. Фильтрация неньютоновских жидкостей…………………………….…79

Тема 12.Деформация горных пород……………………………………………….…….81

12.1. Напряженное состояние горных пород…………………………………81

12.2. Взаимодействие горных пород и насыщающих их жидкостей……….83

12.3. Деформация горных пород на больших глубинах …………………….86

Литература………………………………………………………………………………...87