физика пласта. Кочина Физика пласта. Учебное пособие Часть 1 петрофизика породыколлекторы нефти и газа
 Скачать 3.82 Mb.
|
|
Рис. 1.6.3. Схема установки для определения коэффициента сжимаемости горных пород 1 – камера высокого давления, 2 – образец керна, 3 – эластичная непроницаемая оболочка, 4 – крышка, 5 – пресс для создания давления в камере, 6 – калиброванный капилляр для измерения объема жидкости, вытесняемой из сжимаемого образца Рис. 1.6.4. Схема установки для определения коэффициента сжимаемости горных пород 1 – измерительный пресс, 2 – вентиль, 3 – термостат, 4 – образец керна, 5 – кернодержатель, 6 – образцовый манометр, 7 – датчик давления, 8 – микропресс По экспериментально определенным значениям коэффициентов сжимаемости можно определить значение пористости образца горной породы в реальных условиях. Действительно, из уравнения (1.6.8) легко получить ) ( 0 0 0 p p e V V , где V и V 0 – значения объема образца при давлениях p и p 0 соответственно. Полагая, что в горной породе именно поры претерпевают наибольшее сжатие или растяжение, имеем ) ( 0 Эта формула была предложена В.Н. Николаевскими позволяет переходить от лабораторной пористости (m 0 ) к пластовой (m). 1.6.3. Прочность и пластичность горных пород Большая часть горных пород при отсутствии высокого всестороннего давления как в условиях одноосного, таки сложного напряженного состояния при быстром нагружении или разгрузке в большом диапазоне реально существующих напряжений хорошо подчиняется закону Гука. При медленном нагружении деформации почти всех горных пород отклоняются от закона Гука (возникают необратимые пластические деформации. На рисунке 1.6.5 приведены характерные кривые зависимости напряжения горных пород от деформации при различной скорости нагружения. Характер зависимости между и e определяется продолжительностью действия нагрузки (t = 0 – мгновенное нагружение, t = ¥ – длительное. При s < s s остаточной деформации не наблюдается в обоих случаях. Из рисунка видно, что чем длительнее процесс нагружения горной породы, тем больше в ней величина остаточной деформации. Если выделить на этих кривых линейный участок, соответствующий упругим деформациям с пределом упругости s s , то можно оценить насколько долго сохраняются в данной горной породе упругие деформации относительно разрушающего напряжения s сж . Из экспериментальных исследований известны следующие соотношения у глин s s = 10– 15% s сж ; у твердых горных пород (песчаники, доломиты, известняки) упругие свойства сохраняются до s s = 70–75% s сж Рис. 1.6.5. Зависимость напряжения горных пород от деформации при различной скорости нагружения s s – предел упругости s сж – разрушающее напряжение В общем случае кривая, характеризующая связь напряжений и деформаций, имеет вид, представленный на рисунке Рис. 1.6.6. Связь напряжений и деформаций горных пород с пределами – упругости (точка В 70 – пластичности (точка D); – прочности (точка Е. Точка С соответствует началу пластических деформаций на отрезке В Когда напряжение превышает предел упругости, тело Гука начинает разрушаться или пластически течь, переходя в тело Сен-Венана. Сопротивление тела Гука разрушению и переходу в тело Сен-Венана называют прочностью У песчаников прочность s s = 500 атм, известняков s s = 3 500 атм. Такой большой диапазон обусловлен кристаллической и агрегатной структурой горной породы, плотностью, составом, характером распределения цементирующего материала. Один и тот же тип породы на разных глубинах ив разных географических районах может иметь разные механические свойства и прочность. Горные породы оказывают наибольшее сопротивление сжатию наименьшее – растяжению (враз меньше, чем сжатию изгибу – враз меньше срезу враз меньше разрыву враз меньше. Прочность горных пород на больших глубинах больше, чем при нормальных поверхностных условиях. Но прочность известняков и песчаников после проникновения воды уменьшается на 25–30%. Наиболее прочны мелкозернистые породы, что необходимо учитывать при проектировании буровых, взрывных и других работ, связанных с разрушением породы. Пластичность Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки могут вести себя и как хрупкие, и как пластичные тела. При растяжении, изгибе, одноосном сжатии пластические свойства почти не проявляются. При всестороннем сжатии многие горные породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают пластические свойства однако чаще горные породы ограниченно пластичны. Механизм пластических деформаций может быть различным зависит от состава и свойств пород, условий залегания, действия нагрузки вследствие межзерновых движений и явлений перекристаллизации отдельные зерна могут двигаться независимо друг от друга (сцементированные зерна – песчаник, доломит. В результате такого межзернового перемещения порода приобретает ограниченные пластические свойства. Значительные пластические деформации претерпевают глины, глинистые породы, минералы типа каменной соли. В песчаниках, известняках и доломитах пластические деформации могут возникнуть из-за появления микротрещин, позволяющих отдельным участкам пластов скользить и перемещаться вдоль плоскостей трещин. Какова бы ни была природа ползучести и пластических деформаций это происходит даже на сравнительно небольших глубинах. На практике стечением времени нарушенное поле естественных напряжений вокруг горных выработок и скважин восстанавливается, и давление, например на обсадные колонны, после окончания бурения долго возрастает, что объясняется проявлением ползучести и пластичности горных пород. 1.6.4. Твердость и крепость горных пород Твердость – несмотря на многочисленные исследования, достаточно неопределенное понятие, которое характеризует сопротивление породы режущему инструменту. Твердость определяют путем выполнения различных операций на разных приборах и по разным методикам. Поэтому при характеристике твердости указывают метод ее измерения, к примеру, твердость по Шору [кгс/мм 2 ] (далее в тексте кгс/см 2 ). На практике понятие твердости применяют, например, для определения предельных нагрузок на долото при бурении. Установлено, что с увеличением всестороннего давления (до 1 000 атм) твердость горных пород увеличивается в 2–2,5 раза. Следовательно, по мере увеличения глубины залегания при прочих равных условиях твердость, также как и прочность, плотность, предел текучести, увеличивается. Кроме того, твердость горных пород зависит от 1) пористости (с увеличением пористости уменьшается 2) сцементированности породы (с увеличением карбонатно- сти увеличивается 3) водонасыщенности (с увеличением в породе содержания воды уменьшается. Крепость, в отличие от твердости, характеризует разрушение породы по отношению к конкретному виду воздействия, а именно внедрение долота, скалывание, резание, дробление и т.д. Все горные породы делятся по крепостям на 5 групп 1) весьма крепкие 2) крепкие 3) ломкие 4) мягкие 5) рыхлые и сыпучие. Численно крепость характеризуют коэффициентом крепости [ 2 см кгс ], где A – работа разрушения горной породы, V – объем разрушения. В Башкирии, например, коэффициент крепости лежит в пределах 2 см кгс Наиболее крепкие породы – известняки и доломиты, наиболее слабые – песчаники. 1.6.5. Набухание и размокание глинистых пород Прочность горных пород зависит от их влажности (водона- сыщенности). Глинистые породы при взаимодействии с водой набухают, увеличивают свою влажность и объем. В нарушенном состоянии наблюдается большая набухаемость глинистых пород, чем в ненарушенном. Способность к набуханию характеризуется 1) увеличением объема образца (в % к начальному объему породы) влажностью набухшего образца 3) давлением, развиваемым набухшим образцом. Набухание глинистых коллекторов приводит иногда к значительному снижению проницаемости. При набухании происходит ослабление внутренних связей, что ведет к размоканию, сопровождающемуся уменьшением прочности. В промысловой практике размокание глин может привести к обвалам, т.к. глины распадаются на мелкие чешуйки. 1.6.6. Классификация горных пород по механическим свойствам Классификация горных пород по механическим свойствам дает возможность нормировать выбор средств для разрушения горных пород, например, при бурении. В настоящее время принята следующая классификация. Породы разделяют на 12 категорий по твердости и пределу текучести 8 категорий по удельной контактной работе (крепости) и модулю Юнга 6 категорий по коэффициенту пластичности. В целом все породы разделяют натри группы по их твердости и пределу текучести (табл. Таблица 1.2 Классификация горных пород по твердости и пределу текучести Тип пород Твердость и предел текучести Мягкие f s < 100 2 см кгс , напр глинистые, песчаники, известняки) Средние 100 < f s < 400 2 см кгс Твердые f s > 400 2 см кгс Вопросы для самоконтроля. Действием каких основных сил обусловлено напряженное состояние горных пород в недрах Земли 2. Каковы основные свойства тензора напряжений 3. Что определяет деформации горных пород 4. Какие деформации горных пород называются упругими 74 5. Как математически выражается зависимость между напряжениями и деформациями для упругой изотропной среды 6. Что такое коэффициент бокового распора 7. Выведите формулу для коэффициента объемного сжатия горной породы. 8. Дайте определение коэффициентам сжимаемости пори среды. Как они связаны между собой 9. Дайте определение прочности горных пород. 10. Что такое пластичность горных пород 11. Как определяются твердость и крепость горных пород 75 1.7. Теплофизические свойства горных пород 1.7.1. Тепловые характеристики горных пород Изучение термических характеристик горных пород является важной частью петрофизических исследований состояния горных породи направлено на решение следующих задач выявление в разрезе скважин горизонтов, содержащих полезные ископаемые контроль за разработкой нефтяных и газовых месторождений на основе изучения тепловых свойств пород, слагающих разрез скважины изучение геологического разреза и технического состояния скважин. Кроме того, это также очень важно при проектировании методов теплового воздействия на пласт (закачка горячей воды и теплоносителей для вытеснения нефти, обработки призабойной зоны скважин, удаления асфальтено-смолистых отложений и парафина и т.д. Причем доля тепловых методов будет, по всей видимости, все более возрастать, т.к. дальнейший рост добычи нефти в значительной степени будет происходить за счет ввода в эксплуатацию месторождений высоковязких нефтей и битумов. Часто прогрев сочетают с ультразвуком, который вызывает упругие колебания среды и ускоряет перенос тепла за счет конвекции. Состояние теплового поля поверхностных слоев Земли определяется как естественными геологическими процессами, происходящими в ее недрах, таки воздействием на эти слои, которое оказывает процесс добычи полезных ископаемых, в том числе и разработка нефтяных месторождений. При этом в продуктивных пластах нарушаются условия термодинамического равновесия, определяемого температурным градиентом Земли данного региона. Тепловой режим Земли изменяется по мере углубления, при этом можно выделить четыре температурные зоны 1. Зона, в которой имеют место суточные колебания температуры, глубиной до 1 метра. 2. Зона годового колебания температуры глубиной до 20 метров. Зона векового колебания температуры глубиной до 1 000 метров. 4. Зона постоянной во времени температуры глубиной свыше метров. Тепловые свойства горных пород характеризуются Удельной c (или объемной c v ) теплоемкостью – количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы (объема) породы на один градус: MdT dQ с , си. Используют также и понятие молярной теплоемкости с, где М – масса породы, dQ – количество переданной породе теплоты прирост температуры, V – объем породы, m – молярная масса, ρ – плотность. Удельная теплоемкость пород зависит от их минералогического состава, обычно возрастает с увеличением влажности и температуры, а также с уменьшением плотности и не зависит от строения, структуры, дисперсного состояния минералов. Значения удельной теплоемкости горных пород находятся в пределах 0,4 < с < 2 кгК кДж , объемной теплоемкости 15 < ср < 3·10 3 К м кДж 3 Коэффициентом теплопроводности λ, характеризующим количество теплоты, переносимой через единицу площади породы в единицу времени t в направлении x : Sdt dx dT dQ (1.7.1) Или в соответствии см законом Фурье gradT q , (1.7.2) где q – тепловой поток. Коэффициент теплопроводности горных пород – это очень низкая по сравнению, например, с металлами величина и лежит в пределах < λ < 7 К м Вт Наибольшая теплопроводность – у кварца 7 < λ < 12 К м Вт ; – водонасыщенного керна 4 < λ < 7 К м Вт ; – песчаника 1,4 < λ < 3,2 К м Вт ; – воды 0,58 К м Вт ; – нефти 0,14 К м Вт ; – глинистых пород 1,2 < λ < 1,6 К м Вт Поэтому для прогрева пород на 60–70 К даже на расстоянием нагревать нужно в течение нескольких десятков часов мощность электрических печей для прогрева призабойной зоны скважины обычно равна 10–20 кВт. Коэффициентом температуропроводности а, характеризующим скорость прогрева породы, а именно скорость распространения в ней изотермических границ, и связанным с предыдущими характеристиками следующим соотношением: c a c м 2 (1.7.3) Коэффициент температуропроводности входит, как известно, вой закон Фурье – уравнение теплопроводности, которое и позволяет определить тепловое поле заданной области продуктивного пласта, (1.7.4) где Δ – оператор Лапласа. Температуропроводность характеризует скорость выравнивания температуры среды при нестационарной теплопередаче и зависит от теплопроводности и теплоемкости рассматриваемой среды. При нагреве породы расширяются. Способность пород к расширению характеризуется коэффициентами линейного α L и объемного расширения = LdT dL , α V = VdT dV , где L и V – длина и объем образца горной породы. Значение коэффициента линейного теплового расширения различных горных пород меняется в пределах от 4 до 15·10 6 К -1 Вдоль напластования горной породы теплопроводность и температуропроводность выше, чем поперек, на 10–15%. 1.7.2. Физический механизм теплопередачи в горных породах Теплопроводность характеризует теплопроводящие свойства системы – нефтегазосодержащей породы. В газах, как известно, перенос теплоты (энергии) осуществляется хаотически движущимися молекулами, в твердых телах – электронами проводимости (электронная теплопроводность, а в диэлектриках – за счет связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку фононная теплопроводность. В горных породах, представляющих собой гетерогенную среду, включающую твердый скелет и поры, заполненные жидкостью или газом, возможны следующие виды переноса тепла 1. Кондуктивная теплопроводность. 2. Конвективный перенос тепла. 3. Теплопередача излучением (лучистая теплопроводность. В случае кондуктивной теплопроводности перенос тепла осуществляется за счет фононной теплопроводности твердого скелета и молекулярной передачи тепла флюидами, заполняющими поры. Фонон определяет энергию колебательных состояний узлов решетки твердого тела и может рассматриваться как квазичастица. Интенсивность переноса теплоты фононами в кристаллах в основном определяется химическим составом и плотностью породив меньшей степени кристаллографическим направлением и наличием дефектов в их кристаллической структуре. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией и теорией Дебая поток фононов может рассматриваться как фононный газ с теплопроводностью, равной: 3 ф v l с , где u – скорость распространения упругой волны, ф длина свободного пробега фонона. Приведенная формула справедлива для любых твердых тел кристаллических и аморфных. Теплопроводность жидкости можно оценить по формуле: м м ж ж ж l с , где ж ж с – объемная теплоемкость жидкости, м – скорость движения молекул, м – межмолекулярные расстояния. Конвективный перенос тепла связан со свободной конвекцией флюида под действием градиента температуры или с вынужденной под действием градиента давления. Конвекция возможна, если поры различных диаметров сообщаются друг с другом. Некоторые исследователи считают, что конвекцией можно пренебречь в порах с эффективным диаметром меньше 3 мкм, тогда как другие считают ее уже незначительной в воздушном пространстве шириной 6 мкм. В областях пор, занятых связанной водой, конвекция исключается. Теплопередача излучением происходит на границе раздела фаз (твердый скелет – жидкость или газ. В общем случае вводят понятие коэффициента эффективной теплопроводности э, включающей в себя |