ре. Учебное пособие Издательство Нижневартовского государственного университета 2017
 Скачать 4.03 Mb.
|
|
1.5.5. Лабораторные методы определения фазовой проницаемости пород Количественная оценка фазовых проницаемостей в лабораторных условиях – очень сложная ив методологическом ив техническом отношении задача. Установки для определения зависимостей фазовых проницаемостей от насыщенности обычно состоят из следующих частей 1. Кернодержатель специальной конструкции. 2. Приспособление для приготовления смесей. 3. Устройство для приема, разделения и измерения раздельного расхода жидкостей и газа. 4. Устройство для измерения насыщенности различными фазами пористой среды. 5. Прибор контроля и регулирования процесса. Главная трудность при определении фазовой проницаемости нахождение текущей водонасыщенности, которая устанавливается двумя основными способами 1) измерение электропроводности (сравнение с тарировкой); 2) взвешивание образца. Первый метод пригоден, если одна из фильтрующихся жидкостей электропроводна (минерализованная вода, водоглицери- новая смесь. При движении многофазных систем проницаемость для каждой фазы будет определяться обобщенным законом Дарси, который имеет следующий вид [9]: , p grad k k ф ф ф где индексом ф отмечена соответствующая фаза в потоке. Таким образом, при движении многофазных систем проницаемость для каждой фазы можно определить экспериментально последующим формулам [9]: , L P k k Q н н н , L P k k Q в в в L P k k Q г г г Здесь н в г – соответственно расходы нефти, воды и газа в общем потоке системы на выходе из модели пласта. Вопросы для самоконтроля 1. Что понимают под фазовой проницаемостью горных пород Дайте определение фазовой проницаемости. 2. Чем объясняется различие абсолютной и фазовой проницаемо- стей? Почему суммарная относительная фазовая проницаемость обычно меньше 1? 3. Выведите аналитические зависимости относительной проницаемости для двухфазных жидкостных и газожидкостных потоков. 4. Какова особенность фильтрации многофазных систем в гидрофильных и гидрофобных коллекторах 5. Запишите обобщенный закон Дарси для многофазной фильтрации. Из каких основных узлов должна состоять установка по определению фазовых проницаемостей в лабораторных условиях 7. На чем основано измерение текущей водонасыщенности при экспериментальном определении фазовой проницаемости 61 1.6. Физико-механические свойства горных пород 1.6.1. Напряженное состояние горных пород Горные породы, залегающие в земной коре в виде ловушек нефти, газа и воды, ограничены сверху и снизу непроницаемыми монолитными отложениями или перемежаются ими в зависимости от вида нефтегазовой залежи. В результате на продуктивный пласт в вертикальном направлении действует сила тяжести вышележащих толщи чем глубже залегает пласт, тем больше это давление. Однако не только эти силы держат продуктивный пласт в напряженном состоянии. Горные породы в процессе геологического формирования ив настоящее время подвергаются действию сил тектонического происхождения, притяжения планет, физико-химическим превращениям. Все эти силы определяют естественное напряженное состояние горных пород. При внешнем воздействии нагорные породы с целью их выработки изменяется не только горное давление, но и их термодинамические параметры. Закачка вытесняющих агентов (в частности, воды с различной степенью минерализации) может в еще большей степени нарушить равновесное состояние продуктивных отложений за счет возможных химических реакций, разбухания глин и т.д. Немаловажную роль играют и силы, порожденные изменением в силу различных причин температурного поля в земной коре. Таким образом, можно говорить о том, что горные породы находятся в постоянном напряженном состоянии, и на породы в недрах Земли действуют следующие основные силы Горное давление, обусловленное весом пород. Тектонические силы и внутрипластовое давление. Термические силы, возникающие под влиянием теплового поля Земли. Выделим в массиве горной породы элементарный объем и рассмотрим силы, действующие на его грани (рис. 1.6.1) [6]. Представим суммарное действие всех сил в виде нормальных и касательных составляющих тензора напряжений относительно каждой грани нормальные составляющие ζ вдоль координатных осей в перпендикулярных к граням направлениях и касательные составляющие η, лежащие в плоскости соответствующих граней. Рис. 1.6.1. Компоненты напряжений, действующих на элемент горной породы В результате получим тензор, характеризующий напряжения выделенного элемента горной породы П [6]: П) Из курса механики сплошных сред известно, что такой тензор обладает следующими свойствами 1. Тензор П – симметричный, те. η xy = η yx , η zx = η xz , η yz = η zy 2. Существуют три взаимно перпендикулярные главные оси тензора напряжений, относительно которых тензор имеет вид [6]: 3 2 1 0 0 0 0 П, (1.6.2.) где ζ 1 , ζ 2 , ζ 3 – главные напряжения, причем ζ x + ζ y + ζ z = ζ 1 + ζ 2 + ζ 3 , те. сумма нормальных напряжений на трех взаимно перпендикулярных площадках не зависит от ориентации этих площадок. Если элементарный объем породы ориентировать по осям главных напряжений ζ 1 , ζ 2 , ζ 3 , то касательные напряжения будут равны нулю. Нормальные составляющие тензора напряжений вызывают деформации сжатия или растяжения e x , e y , e z , касательные – деформацию сдвига граней tg γ xy , tg γ yz , tg γ xz , а чаще угол сдвига γ, т.к. эта деформация обычно мала ирис. Рис. 1.6.2. Схема сдвиговой деформации грани ху под действием касательных напряжений На рисунке 1.6.2 показано, как под действием одной пары касательных напряжений η xy (риса) и другой – η yx (рис. 1.6.2 (б) будет выглядеть суммарный результат деформации грани (рис. 1.6.2 (в. При этом прямой угол этой грани уменьшится на сумму углов γ 1 и γ 2 : γ xy = γ 1 + γ 2 . В случае однородных изотропных пород угол сдвига удвоится γ xy = 2γ 1 [6]. 1.6.2. Упругие свойства горных пород Известно, что деформация тела обычно продолжается до тех пор, пока не наступит равновесие во всех точках между внешними и внутренними силами. Если после прекращения действия внешних сил деформация исчезает и тело принимает свою первоначальную форму, то такая деформация называется упругой. При этом действующие на тело внешние силы не превосходят определенного предела, называемого пределом упругости, а процесс является обратимым. Поскольку неупругие деформации характеризуют необратимые процессы, связанные в горных породах, например, с перегруппировкой зерен, скольжением их по поверхностям соприкосновения, разрушением и дроблением и т.д., пористость пород не восстанавливается, но это характерно в основном для очень глубоко залегающих пластов и встречается весьма редко. Упругость породи пластовых жидкостей влияет на перераспределение давления в пласте. Сильно сжатые породы могут быть значительным источником энергии в пласте при снижении в них давления. Эффект упругости жидкости и пласта приводит к медленному перераспределению давления в пласте, и по скорости этих длительных неустановившихся процессов можно судить, например, о проницаемости. Так, при упругом режиме снижение внутрипластового давления приводит к расширению жидкости или газа, сужению поровых каналов, т.к. внешнее давление остается постоянным. Если тело полностью изотропно, то связь между напряжениями) и деформациями (ε) выражается уравнениями, вытекающими из закона Гука [6]: ЕЕ) Е, xy xy G 1 , yz yz G 1 , xz xz G 1 , где Е – модуль Юнга (коэффициент продольной упругости G модуль сдвига, ν – коэффициент Пуассона, равный отношению поперечной деформации сжатия к продольной. Рассмотрим некоторые частные случаи. 1. Будем считать, что при геологическом формировании горной породы напряжение осуществлялось, в основном, вверти- кальном (по оси z) направлении, те. e z ≠ 0; e x = e y = 0. Решая систему уравнений (1.6.3) относительно нормальных напряжений при этих условиях, получим [6]: z x 1 , (1.6.4) где 1 n называется коэффициентом бокового распора. Учитывая, что коэффициент Пуассона лежит в пределах от 0 до 0,5, можно заключить, что даже при отсутствии перпендикулярных коси нормальных составляющих тензора напряжений будут иметь место вполне ощутимые деформации горной породы в этих направлениях. Этот же эффект может наблюдаться в процессе бурения нефтяной скважины, что приводит преимущественно к одноосному сжатию породы. 2. Действие тензора напряжений всесторонне (это в большей степени относится к сформировавшейся и находящейся в равновесном состоянии горной породе, те. три взаимно перпендикулярных составляющих тензора напряжений равны между собой ζ x = ζ y = ζ z = ζ. В этом случае из уравнений (1.6.3) получим ) 2 1 ( E z y x (1.6.5) Тогда единица объема элемента породы будет изменена на величину ) 2 или 0 V V (1.6.6) Здесь 0 ) 2 1 ( 3 E – коэффициент объемного сжатия элемента горной породы, который можно определить экспериментально по модулю Юнга (Е) и коэффициенту Пуассона (ν). Для большинства изученных пород нефтяных месторождений уменьшение или увеличение объема образца связано с изменением пластового давления, следовательно, выражение (1.6.6) можно представить в виде P V V обр обр 0 , (1.6.7) где ∆V обр – изменение объема образца при изменении пластового давления на ∆P. В.Н. Щелкачев предложил различать три коэффициента сжимаемости пород [6]: 66 1) P V V обр обр 1 0 – коэффициент сжимаемости образца (1.6.8) 2) Р V V пор пор пор 1 – коэффициент сжимаемости пор (1.6.9) 3) Р V V пор обр c 1 – коэффициент сжимаемости среды. (1.6.10) Из них наибольший интерес представляет коэффициент сжимаемости (объемной упругости) среды c , который характеризует относительное (по отношению ко всему объему V обр ) изменение объема порового пространства при изменении давления на 1 Па. Для нефтесодержащих пород c = (0.3÷2)10 -10 Па [6]. Из (1.6.9) и (1.6.10) следует, что пор . Поскольку всегда m < 1, поэтому пор Аналогом 0 для жидкости является коэффициент сжимаемости ж, определяемый в условиях изотермической фильтрации из выражения dР dV V ж 1 (1.6.11) Для пресной воды 5 4 22000 в Па -1 Для нефти в пластовых условиях н Па [6]. В теории упругого режима пласта принято пользоваться более общим коэффициентом – коэффициентом упругоемкости пласта β* = ж + с) И хотя обычно коэффициент сжимаемости среды β с меньше коэффициента сжимаемости жидкости ж, но т.к. m < 1, то оба слагаемых в уравнении (1.6.12) могут быть вполне равнозначными. В трещиноватых коллекторах аналогично с β с введен коэффициент сжимаемости пласта при сокращении трещиноватой среды. На рисунках 1.6.3 и 1.6.4 приведены возможные схемы установки по определению коэффициента сжимаемости горных пород. 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 [6]. Характер зависимости между s 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 1.6.6 [6]. 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. |