Фізико-механічні властивості гірських порід

Породи, які залягають в надрах землі, перебувають під впливом гірничого тиску, що зумовлений вагою порід, тектонічними силами, пластовим тиском та термічними напруженнями, які можуть виникати під впливом тепла земних надр.

Пружність, міцність на розрив (розтяг) і стиск, пластичність – це найважливіші механічні властивості гірських порід, що впливають на ряд процесів, які відбуваються в продуктивних пластах в період розробки та експлуатації родовищ. Їх необхідно знати і враховувати при будівництві свердловин, нафтових шахт, сховищ газу у вироблених нафтових і газових пластах та в товщах кам’яної солі, в штучно розмитих пластах.

Важливе значення в процесі розробки родовищ мають деформації порід, що відбуваються внаслідок зміни пластового тиску, який може зменшуватись з часом і знову відновлюватись при впровадженні штучних методів підтримання тиску в покладі. При видобутку нафти чи газу пластовий тиск знижується, а тиск на скелет породи збільшується. Зі зниженням пластового тиску об’єм порового простору пласта зменшується завдяки пружному розширенню зерен породи та зростанню стискувальних зусиль, що передаються від маси вищезалягаючих порід. Практичне вивчення напруженого стану гірських порід в умовах їх природного залягання ускладнюється анізотропією (неоднорідністю) їх властивостей, проявом тріщинуватості, значною різновидністю механічних та фізичних властивостей порід, що входять в масив, залежністю пружних властивостей порід від тиску, температури, вологості. З цих причин досі відсутня обґрунтована єдина теорія, яка б описувала напружений стан гірських порід. Отже, задачі в цій області вирішуються з використанням теорії пружності тільки для конкретних геологічних умов.

Пружні властивості гірських порід і пружність пластових рідин впливають на перерозподіл тиску в пласті в процесі експлуатації свердловин. Сильно стиснуті породи і рідини при зниженні тиску можуть бути значним джерелом енергії, під дією якої проходить рух нафти по пласту до вибоїв свердловин.

Якщо пластовий тиск знижується, то рідина розширюється, а порові канали звужуються. Хоча коефіцієнти об’ємної пружності рідин і породи дуже малі, але через значні розміри напірних систем в процесі експлуатації значна кількість рідини ∆V (пружний запас) додатково витісняється з пласта в свердловини шляхом розширення рідини і зменшення об’єму пор при зниженні пластового тиску. Наведемо числові значення коефіцієнтів об’ємної пружності нафти, води і породи: β_н = (7-20)·10^-9 Па^-1; β_в = (2,7-5,0)·10^-10 Па^-1; β_п = (0,3-2,0)·10 Па^-1.

Коефіцієнт об’ємної пружності насиченого пласта при прояві пружних властивостей рідини і породи:

де m – коефіцієнт пористості;

S_в – насиченість порового простору водою.

Пружний запас нафти, який може бути видобутий за рахунок прояву пружних властивостей породи пласта і насичуючих поровий простір рідин при зниженні пластового тиску згідно із законом Гука:

де ∆Р(t) – зміна тиску в часі;

V_зап – запаси нафті в пласті.

Не менш суттєвий ефект пружності пластових рідин і гірських порід-колекторів полягає в тому, що пластовий тиск перерозподіляється не миттєво, а поступово після будь-якої зміни режиму роботи свердловини, після введення в експлуатацію нової або зупинки старої свердловини. Таким чином, при великій ємності пласта і високому пластовому тиску з початку експлуатації пласт буде перебувати в умовах, при яких характерні довготривалі неусталені процеси перерозподілу пластового тиску. Швидкість цих процесів в значній мірі визначається пружними властивостями рідин і породи.

В умовах залягання в пласті колекторські властивості порід через їх пружність (стискування) відрізняються від властивостей на поверхні.

За результатами досліджень пористість пісковиків зменшується на 20 % під час зниження пластового тиску на 15 МПа, пористість аргілітів за тих же умов зменшується на 6 %. Значно більше змінюється проникність.

У процесі розробки родовищ необхідно знати і міцність порід на розрив і стиск, особливо при вивченні можливості штучної дії на породи привибійної зони пласта такими як торпедування, перфорація та гідророзрив пласта. Стінки свердловин підземних сховищ газу повинні бути стійкими як при запомповуванні газу в сховища, так і при відборі газу з них. Необхідно враховувати напружений стан порід і на родовищах високов’язких нафт.

До порушення умов залягання порід свердловиною зовнішній тиск від дії маси порід, що залягають вище, і відповідні напруження, що виникають в породі, перебувають в умовах рівноваги.

Складові цього нормального поля напруженості мають такі значення:

- вертикальна складова:

- горизонтальна складова:

де ρ_п – густина породи;

g – прискорення вільного падіння;

Н – глибина залягання пласта;

n – коефіцієнт бокового розпирання, який для пластичних порід і порід-пливунів рівний 1, а для міцних і стійких порід рівний 0,3-0,7.

Під час буріння свердловин змінюється початковий напружений стан породи через порушення балансу природного поля напружень. У глибині пласта породи всебічно стиснуті, а з наближенням до свердловини вони будуть перебувати в умовах, близьких до одноосного стискання. В результаті пластичні породи можуть витискатись у свердловини, а вертикальний гірничий тиск на породи продуктивного пласта може виявитись частково зменшеним.

Привибійна зона пласта (ПЗП) – це зона продуктивних пластів, від характеристики якої залежить продуктивність свердловини. Це зона найвужчого перетину потоку, яка, як у процесі розкриття і освоєння пластів, так і при експлуатації свердловин, піддається дії глинистого і цементного розчину, води, відкладів парафіну, смол, солей, що призводить до зменшення припливу нафти чи газу до вибою свердловин. Тому стану цієї зони надається особлива увага. Для покращення її стану на свердловинах впроваджують різні методи інтенсифікації видобутку вуглеводнів (механічні, хімічні та теплові).