Экспериментальные исследования процесса дилатансии

Таким образом, переход породы в окрестности скважины в новое напряженно–деформированное состояние может сопровождаться следующими эффектами:

уменьшением ее объема за счет сокращения порового пространства; дилатансией (увеличением объёма породы) за счёт обретения поверхностью минералов нового физического состояния.

Для разведки и разработки месторождений углеводородов важно установить основные закономерности уплотнения и дилатансии пород в зависимости от их состава, характера насыщения и исходных фильтрационно – емкостных свойств.

В стендовых условиях склонность пород к уплотнению и дилатансии на образцах, отобранных в скважинах, может быть исследована только на качественном уровне. Поэтому была принята система достаточно простого нагружения цилиндрических образцов, обеспечивающая в то же время необходимые условия для возникновения в породе сдвиговых напряжений.

Для условий нагружения цилиндрического образца породы по оси и боковой поверхности

σ_р = 0,33 ( σ₁ - σ₃ ) ² (2.7) (3.10)

σ_р ^0,5 = 0,577( σ₁ – σ₃) =1,15· 0,5 ( σ₁ - σ₃).

Введя обозначение К_D = 1,15Ф, получим θ_D = K_D Δτ, где К_D – коэффициент дилатансии, определяемый экспериментально.

Для экспериментальных исследований деформации горных пород с одновременным контролем их ФЕС была разработана и создана установка в которой к образцу породы могли прикладываться высокие нагрузки, формирующие в нем сложное напряженное состояние. Одновременно установка позволяла с высокой точностью определять изменение порового объема образца породы.

Для этих целей использовался микропресс. Гидравлическая система обеспечивала боковое обжатие цилиндрического керна до 150 МПа и осевое сжатие до 250 МПа. Давление в поровом объеме образца создавалось независимо от действующих нагрузок на его торцы и боковую поверхность. В ходе экспериментов было установлено, что при равенстве бокового и осевого давлений, действующих на образец и достигающих значения 170 МПа происходит только уплотнение породы независимо от ее исходных свойств. Дилатансия породы отмечалась только при неравномерном статическом нагружении, когда отношение бокового давления к осевому не превышало 0,25. Диапазон неравномерности нагружения в экспериментах варьировал от нуля (боковой обжим образца отсутствовал) до единицы (давления, действующие на боковую поверхность образца и его торцы были одинаковыми).

На основе анализа результатов проведенных исследований наиболее четкая зависимость для однотипных песчаников и алевролитов одного месторождения установлена между величиной дилатансионного разуплотнения и содержанием глинистого цементирующего вещества.

Измерение коэффициента проницаемости на образцах осадочных пород по азоту или жидкости проводилось путем измерения расхода флюида вдоль оси керна при постоянстве давлений на входе и выходе из образца. При определении изменения проницаемости породы по газу деформации подвергались сухие образцы пород. Проницаемость по жидкости определялась при насыщении породы 5- процентным водным раствором NaCl и деформации образцов до достижения максимального значения дилатансии именно при таком состоянии насыщения. При этом промежуточные замеры проницаемости осуществлялись по водному раствору NaCl, и только на конечной стадии проницаемость определялась по керосину.

На Рисунке №.3.5 приведена типичная зависимость изменения пористости в области уплотнения и дилатансии породы при неравномерном всестороннем сжатии. При достижении критического напряжения в точке С происходит спонтанное

Полимиктовый песчаник мелкозернистый, однородный

Насыщенный раствором NaCl 10 г/л; К_{П 0} =14,8% при

Р_Г = 10 МПа, Р_П = 6МПа – внутрипоровое давление;

К_{П СЖ} = значение пористости при максимальном уплотнении породы (в точке В).

σ_ос – напряжения, действующие по оси керна;

АВ – область уплотнения породы;

СД – область дилатансии породы;

ДЕ - область разгрузки породы.

Одновременно с увеличением пористости, абсолютное значение которой составляет доли или единицы процента, происходит возрастание проницаемости в 10 – 1000 раз, что и отражено на Рисунке №3.6.

Снижение осевого давления не сопровождается увеличением проницаемости. Более того, временная полная разгрузка от гидрообжима и последующее восстановление нагрузки, соответствующей области дилатансии, не приводит к восстановлению аномально высокой проницаемости.

На основе обобщения результатов стендовых исследований выполнена классификация пород неокомских и юрских отложений по их склонности к дилатансии. Наиболее высокая склонность к дилатансии отмечается у сильно уплотненных алевролитов и аргиллитов. Для уплотнённых глин и других плотных пород наличие дилатансии не установлено, но вероятноть такого эффекта достаточно велика, учитывая упрощённую нагрузку на образцы, узкий спектр состава насыщающего флюида и т.п.

В таблице №3.1 дана классификация некоторых пород–коллекторов по склонности их к дилатансии.

Учитывая тот факт, что порода не претерпевает разрушения, и проходное сечение поровых каналов изменяется незначительно можно предполагать, что увеличение или уменьшение фильтрационного потока через керн при дилатансии связано с обретением поверхностью минералов нового физического состояния, которое поддерживается горным давлением или, применительно к нашим опытам, (гидрообжимом). Следовательно, дилатансия, сопровождающаяся значителным увеличением или снижением проницаемости, не связана с простым механическим переустройством порового пространства.

Таблица №3.1.