ре. Учебное пособие Издательство Нижневартовского государственного университета 2017
 Скачать 4.03 Mb.
|
|
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. 1.2) [6]. 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 [23]: 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 [23]: 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 [23]: 0,1 < 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 [23]: м) Коэффициент температуропроводности входит, как известно, вой закон Фурье – уравнение теплопроводности, которое и позволяет определить тепловое поле заданной области продуктивного пласта [23]: T a t T , (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 [23]: α L = 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 [23]: 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 [23]: 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 кондуктивный λ, конвективный к и лучистый (излучение) л коэффициенты переноса тепла [23]: эк+ λ л Теплопроводность горных пород, заполненных нефтью и водой, значительно выше за счет конвективного переноса тепла жидкой средой. При наличии движения флюидов в горных породах учет конвективной теплопроводности сводится к решению уравнения теплопроводности (го закона Фурье) с конвективным членом [23]: T с T t T с f ср , (1.7.5) где ср с – коэффициент объемной теплоемкости среды, с – коэффициент объемной теплоемкости фильтрующегося флюида. Коэффициент теплопроводности и удельную теплоемкость определяют поданным соответствующих экспериментов с применением стационарных, нестационарных и калориметрических методов. В условиях высоких температур используют методы стационарного теплового потока, мгновенного источника тепла, температурных волн и монотонного режима. 1.7.3. Связь теплопроводности с другими петрофизическими величинами Существуют разные мнения по вопросу о вкладе в теплопроводность отдельных ее составляющих, определяющемся минеральным составом породы, коэффициентами ее пористости и насыщения, размером и формой пори зерен, температурой и давлением. С ростом пористости теплопроводность уменьшается, что объясняется более низкой теплопроводностью жидкости и особенно газа в порах пород по сравнению с теплопроводностью их твердой фазы. В большинстве случаев теплопроводность можно считать аддитивной величиной, и для насыщенной жидкостью породы она может быть выражена следующим выражением [23]: ж ск m m ) 1 ( , в частности, для водонефтенасыщенной [23]: в в н в ск S S m m ) 1 ( ) 1 ( Вполне аналогичные выражения могут быть записаны и для теплоемкости среды. Размер зерен, определяющих эффективный диаметр пор, конечно, должен также влиять на теплопроводность. Низкую теплопроводность глин связывают не только с малой теплопроводностью, но и со значительной дисперсностью их частиц. Для песчано-глинистых и других пород найдены и прямые корреляционные связи между теплопроводностью водонасыщенной породы λ вп и плотностью породы δ с (рис. 1.7.1), теплопроводностью породы си объемной теплоемкостью с (рис. 1.7.2), теплопроводностью и модулем Юнга Е риса также удельной электропроводностью (рис. 1.7.4). Первые две зависимости объясняются тем, что каждая из сопоставляемых величин в отдельности находится в определенной связи с пористостью [23]. Рис. 1.7.1. Связь между коэффициентом теплопроводности и плотностью для песчаников и известняков Песчаники 1 – кварцевые 2 – полевошпатовые 3 – с неизвестным минеральным составом 4 – известняки 5 – кварцит λ вп – определялось на максимально влажных сна сухих образцах Рис. 1.7.2. Связь между коэффициентом теплопроводности и объемной теплоемкостью Рис. 1.7.3. Связь между коэффициентом теплопроводности и модулемЮнга для железистых кварцитов (измерен перпендикулярно к слоистости) Рис. 1.7.4. Связь между коэффициентом теплопроводности и удельной электропроводностью для гематитовой руды Прямые корреляционные связи λ = f (E) и λ = f (ζ), установленные также для железистых кварцитов (рис. 1.7.3) и гематито- вой руды (рис. 1.7.4), объясняются иначе тем, что каждая из сопоставляемых величин определенным образом зависит от содержания в руде электронно-проводящего компонента (окислов железа и гематита. 1.7.4. Зависимость теплопроводности и теплоемкости пород от температуры и давления Влияние температуры Теплопроводность пород снижается с ростом температуры, особенно сильно – до температуры 200– 427 СУ некоторых пород (оливинит, гранит, диорит) при достижении минимальных значений теплопроводности с увеличением температуры λ несколько возрастает. Минимум теплопроводности обычно совпадает с началом плавления пород. Неодинаковое поведение при нагревании, например, таких близких по составу разностей, как гранит и обсидиан, объясняют различием их структуры. По их поведению при нагревании породы делят натри группы кристаллические (гранит, диорит, эклогит и др, аморфные (обсидиан) и с кристаллоаморфной структурой (диабаз, порфирит и другие. У пород с кристаллической структурой теплопроводность обусловлена рассеянием фононов на кристаллических зернах и друг на друге. Последний процесс объясняет зависимость λ = f(λ 0 /t), где λ 0 – значение λ при 20 С. Для аморфных неупорядоченных по структуре пород теплопередача относится к случайным процессами. Для пород с кристаллоаморфной структурой характерен механизм теплопередачи обычный как для кристаллических, таки для аморфных тел. В связи с этим на их теплопроводность практически не влияет или слабо влияет температура. Температуропроводность падает с ростом t. Этот процесс обычен для пород с кристаллической ив меньшей степени – с кристаллоаморфной структурой он почти не наблюдается у чисто аморфных разностей. Объемная теплоемкость пород увеличивается при их нагревании до температуры 850 С. Влияние давления Теплопроводность увеличивается с ростом давления, причем максимальные ее изменения относятся к давлениям от 0,1 до 10 МПа. В дальнейшем коэффициент λ мало изменяется или сохраняется практически постоянным. Предполагают, что рост λ связан с уплотнением контактов между зернами, т.к. после снятия давления λ становится выше первоначального значения. Пространственное изменение коэффициента теплопроводности О локальных и региональных закономерностях изменения значений тепловых величин горных пород земной коры известно пока мало. Имеются расчетные данные, дающие ориентировочное представление о коэффициенте теплопроводности структурно-формационных комплексов различных слоев земной коры. Из рассмотрения этих данных следует, что самой малой средней теплопроводностью 1,2 Вт/(мК) обладает осадочный слой земной коры, сложенный слаболитифицированными пес- чано-глинистыми отложениями молодых платформ. А литифи- цированные известково-магнезиальные и песчано-глинистые отложения древних платформ и краевых впадин и осадочные отложения складчатых областей имеют почтив раза большую среднюю теплопроводность. Значения λ при нормальных р и t для гранитно-метаморфического, диоритового слоев Земли сохраняются почти неизменными, но снова значительно возрастают до 3,4 Вт/(мК) в базальтовом слое. Вопросы для самоконтроля. Что такое теплопроводность 2. В чем различие электронной и фононной теплопроводности 3. Что такое плотность теплового потока 4. Дайте определения различным видам теплоемкости. Какова связь между объемной и удельной теплоемкостями 5. Что характеризует коэффициент температуропроводности, и как он связан с другими тепловыми характеристиками 6. Как описывается линейное и объемное расширение горных пород. Дайте определение кондуктивного и конвективного переноса тепла в пористой среде. 8. Как выражаются аддитивные свойства тепловых характеристик насыщенных горных пород 9. Как зависит теплопроводность от других петрофизических характеристик. Как зависят теплопроводность и теплоемкость пород от температуры и от давления |