Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

шим должно быть горизонтальное напряжение, которое, по-видимому, может иногда в 2-3 раза превышать вертикальное горное давление. В зонах возникновения сбросов, не сопровождавшихся боковым сжатием, вертикальные напряжения пород должны значительно превышать горизонтальные.

§ 2. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОРОД В РАЙОНЕ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК

Призабойная зона скважин представляет собой область пласта, от характеристики которого зависит производительность скважин. Эта область самого узкого сечения потока в процессе вскрытия пласта и эксплуатации скважин подвержена воздействию раствора воды, цемента, отлончения парафина, солей и смол, заиливания и т. д., в результате чего уменьшается приток нефти и газа. Поэтому свойствам пород призабойной зоны и процессам, происходящим в этой области, уделяется особое внимание. С бурением скважины изменяется начальное напряженное состояние пород, так как происходят возмущения в естественном поле напряжений. В глубине пластов породы всесторонне сжаты, а по мере приближения к скважине они будут находиться в условиях, близких к одноосному сжатию. В результате пластичные породы (некоторые глины и глинистые сланцы) частично выдавливаются в скважину и удаляются в процессе бурения. В результате вертикальное горное давление на породы нефтяного пласта в районе скважины оказывается частично уменьшенным. При этом в простом естественном поле напряжений появляется зона аномалий. В горном деле установлено, что область аномалий, имеющая практическое значение, невелика; она только в несколько раз превосходит размеры горной выработки. Вместе с тем в этой области происходят существенные изменения условий залегания горных пород, которые могут быть причиной значительных изменений их фильтрационных свойств.

В простейшем случае (если рассматривать призабойную зону, как однородный упругий толстостенный сосуд) поиски распределения напряжений в этой зоне можно свести к решению задачи Ламе (рис. II.2).

Как известно, напряжение в толстостенном цилиндре, сечения которого образованы концентрическими окружностями, подвержен-

Рис. II.2. Схема распределения действующих напряжений в элементе породы призабойной зоны скважин.

ном действию равномерно распределенных сил, определяется соотношениями

Ci(l + v) + C,(l-v)4-1; (II.4)

1 v2 -1v I "i I "/ 2

Ci(l+v)-C2(l-v)41, (II.5)

где - радиальная компонента нормального напряжения;

oe - окружное или тангенциальное нормальное напряжение (в направлении касательной к окружности, на которой выделен элементарный объем dV на рис. 11.22); г - расстояние от оси; Ci и 6*2 - постоянные интегрирования, которые можно определить из граничных условий: при г = г; Or = Рз (забойному давлению); при г = оо; Од = а. = pgH (горному давлению). Для упрощения формулы (И.4) и (П.5) запишем с другими постоянными в виде

Ог=-С + - (II.6)

По этим формулам можно вычислить окружные и радиальные напряжения на разных расстояниях г от оси скважины. Из граничных условий найдем

при Г = Гс

а. = Рз = С + ;

при г = оо

Следовательно,

о, = рЯ=С + = С.

а, = ря(1+4)-рз4- ("-8)

Из формул (П.7) и (II.8) следует: при г = Гс

(г = Рз, а, = 2рЯ -Рз, (II.9)

т. е. на стенке скважины могут действовать окружные сжимающие напряжения, величина которых при Рз = О достигает двойного значения горного давления. Это означает, что при наличии пород недостаточной прочности в призабойной зоне возможно их разрушение под действием тангенциальных напряжений и ухудшение фильтрационных свойств пород вследствие их сжатия под влиянием этих нагрузок. Область аномалий, имеющая практическое значение,

невелика; она лишь в несколько раз превосходит размеры горной выработки. Но последствия от нарушения скважиной начального поля напряжений могут существенно влиять на качество скважины и показатели ее работы в целом или отдельных участков продуктивного пласта.

Количественные зависимости коллекторских свойств горных пород от действующих в пласте напряжений мы рассмотрим позднее. В начале обратимся к физическим процессам, которые протекают в породе при изменении напряженного состояния.

§ 3. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Большая часть горных пород при отсутствии высокого всестороннего давления как в условиях одноосного, так и сложного напря-

нагружении или разгрузке

женного состояния, при быстром в большом диапазоне напряжений хорошо подчиняются закону Гука.

По мере увеличения напряжения на сжатие усиливается и деформация (рис. П.З). При нагрузке, соответствующей пределу прочности образца а, происходит его разрушение. Характер зависимости между напряжением и деформацией определяется продолжительностью действия нагрузки на образец - при медленном нагружений деформация почти всех горных пород отклоняется от закона прямой пропорциональности (кривая с t=oo). Рассматривая кривые < = 0 и < = оо (рис. П.З), можно заметить, что при напряжениях, меньших oTg, остаточной деформации не наблюдается как при мгновенной нагрузке (i=0), так и при нагрузке и разгрузке с длительной выдержкой (t = oo).

У большей части пород необратимые пластические деформации при медленном нагружений появляются при напряжениях Og, составляющих 10-15% от разрушающих. Пластические деформации при многократной нагрузке и разгрузке постепенно уменьшаются в каждом цикле. При длительном действии постоянной нагрузки на образцы горных пород обнаруживается ползучесть (если нагрузка в течение длительного времени остается постоянной, то горная порода продолжает деформироваться). Твердые же горные породы сохраняют упругие свойства при нагружений до напряжений, составляющих 70-75% разрушающих.

Относительная десрормация £

Рис. П.З. Схематические зависимости деформаций глинистого сланца от напряжений при одноосном сжатии.