Физические процессы при бурении и эксплуатации скважин.

Тепломеханические параметры

Упругость, прочность на сжатие и разрыв, пластичность - наиболее важные механические свойства горных пород, влияющие на ряд процессов, происходящих в пласте в период разработки и эксплуатации месторождений. Так, например, упругие свойства горных пород и упругость пластовых жидкостей влияют на перераспределение давления в пласте в процессе эксплуатации месторождения. Сильно сжатые породы и жидкости при снижении давления могут быть значительным источником энергии, под действием которой происходит движение нефти по пласту к забоям скважин.

Не менее существенный эффект упругости жидкости и пласта заключается в том, что давление в пласте перераспределяется не мгновенно, а постепенно после всякого изменения режима работы скважины, после ввода новой или остановки старой скважины. Таким образом, при большой емкости пласта и высоком пластовом давлении с начала эксплуатации пласт будет находиться в условиях, для которых характерны длительные неустановившиеся процессы перераспределения пластового давления. Скорости этих процессов в значительной мере определяются упругими свойствами пород и жидкостей

В процессе разработки месторождения важно знать также и прочность пород на сжатие и разрыв. Эти данные наряду с модулем упругости необходимы при изучении процессов искусственного воздействия на породы призабойной зоны скважин (торпедирование, гидроразрыв пласта), применяемых в нефтепромысловом деле для увеличения притоков нефти.

Напряженное состояние пород

Породы, залегающие в недрах Земли, находятся под влиянием горного давления, которое обусловлено весом пород, тектоническими силами, пластовым давлением и термическими напряжениями, возникающими под влиянием тепла земных недр. В результате воздействия на породу комплекса упомянутых сил элемент породы, выделенный из массива, может находиться в общем случае в условиях сложного напряженного состояния, характеризующегося тем, что на него действуют как нормальные, так и касательные напряжения.

Нормальные и касательные напряжения, действующие на элемент породы, вызывают соответствующие деформации его граней. Нормальные составляющие напряжений вызывают деформации сжатия элемента или растяжения, а касательные напряжения - деформации сдвига граней.

Мерами деформируемого состояния являются следующие параметры: Е– модуль Юнга, n- коэффициент Пуассона; G– модуль сдвига; b - модуль объёмной упругости.

Для большинства горных пород модуль Юнга изменяется в пределах от 10⁹ до 10¹¹ Па, а коэффициент Пуассона от 0 до 0,5.

Единой теории, описывающей напряженное состояние горных пород, нет по причине чрезвычайной сложности процесса из-за влияния на него множества геологических, физических и тепловых факторов. При этом результаты относятся лишь к частным конкретным геологическим условиям.

До нарушения условий залегания пород скважиной внешнее давление от действия массы вышележащих пород и возникающие в породе ответные напряжения находятся в условиях равновесия. Составляющие этого нормального поля напряжений имеют следующие значения по вертикали

,

где s_z - вертикальная составляющая напряжений; r - плотность породы; g - yскорение свободного падения; Н - глубина залегания пласта.

По горизонтали (в простейшем случае)

,

где n — коэффициент бокового распора.

Значение n для пластичных и жидких пород типа плывунов равно единице (тогда напряжения определятся гидростатическим законом), а для плотных и крепких пор в нормальных условиях, не осложненных тектонически, выражается во многих случаях долями единицы.

При достаточно больших давлениях на значительных глубинах (2500- 3000 м), по-видимому, происходит выравнивание напряжений вплоть до величин, определяемых гидростатическим законом, так как предполагается, что за длительные геологические периоды породы испытывают пластические или псевдопластические деформации. Однако чаще всего вследствие интенсивных тектонических процессов, происходивших в земной коре в течение геологических периодов, горные породы многократно деформировались, что, по-видимому, сопровождалось возникновением значительных различий между главными напряжениями. В областях, где в результате тектонических процессов происходило боковое сдавливание пород и образование надвига, наибольшим 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.

Напряженное состояние пород в районе горных выработок

Призабойная зона скважин представляет собой область пласта, от характеристики которой зависит их производительность. Эта область (самого узкого сечения потока) в процессе вскрытия пластов и эксплуатации скважин подвержена воздействию глинистого раствора, воды, цемента, отложений парафина, солей и смол, заиливания в 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 скважин 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. Поэтому 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 частично уменьшается. 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 существенно изменяются условия залегания горных пород, что может быть причиной значительных изменений их фильтрационных свойств.

Новое поле напряжений, образующееся вокруг выработок, зависит от их глубины, геометрии и размеров, а также от состояния и физико-механических свойств массива пород. Расчеты показывают, что на стенке скважины могут действовать окружные сжимающие напряжения, которые при р_з=0достигают 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 напряжений, имеющая практическое значение, невелика. Последствия от нарушения скважиной начального поля напряжений могут существенно влиять на качество скважины и показатели ее работы в целом или отдельных участке продуктивного пласта. Поэтому целесообразно увеличивать глубину перфорационных каналов, вскрывающих пласт, не только для преодоления зоны загрязнения буровыми растворами, но и для выхода за пределы особо интенсивной части зоны аномалий напряжений пород.

Особо сложный характер распределение напряжений в зоне выработки имеет при неоднородных свойствах пород и наличии в разрезе пропластков, подверженных пластическим деформациям. В процессе бурения скважин пластические породы разреза способны частично "вытекать" в скважину и удаляться из нее, что сопровождается уменьшением вертикальных напряжений, которые в зоне возникновения пластических деформаций ниже вертикального горного давления. Радиус области разгрузки горного давления r_p вследствие пластической деформации пород определяется формулой

,

где r_п и r_в - плотности пород и воды; r_c - радиус скважины; Н - глубина скважины; К_п - коэффициент пластичности породы.

Например, при Н = 1500 м, К_п = 3 • 10⁶ Па, r_п = 2500 кг/м³, r_в = 1000 кг/м³; r_c = 0,15м радиус области разгрузки горного давления составит r_р = 4 м.

Очень часто давления разрыва пластов при их гидроразрыве оказываются меньше вертикального горного, что, вероятно, объясняется появлением зоны разгрузки в призабойной зоне скважин в связи с пластической деформацией пород некоторых пропластков.

На напряженное состояние пород и деформацию существенно влияют физико-механические свойства обсадных труб и цементного кольца, геометрия перфорационных каналов и депрессия давления, возникающая при эксплуатации скважин.

Деформационные и прочностные свойства горных пород

Большая часть горных пород при отсутствии высокого всестороннего давления при быстром нагружении или разгрузке в большом диапазоне напряжений хорошо подчиняете закону Гука.

По мере увеличения напряжения на сжатие усиливается и деформация (рисунок). При нагрузке, соответствующей пределу прочности образца s_сж происходит его разрушение. Характер зависимости между напряжением и деформацией определяется продолжительностью действия нагрузки на образец - при медленном нагружении деформация почти всех горных пород отклоняется от закона прямой пропорциональности (кривая с t = ∞). При напряжениях, меньших s_s остаточной деформации не наблюдается как при мгновенной нагрузке (t = 0), так и при нагрузке и разгрузке с длительной выдержкой (t = ∞).

У большей части пород необратимые пластические деформации при медленном нагружении появляются при напряжениях s_s составляющих 10—15% разрушающих. Пластические деформации при многократной нагрузке и разгрузке постепенно уменьшаются в каждом цикле. В ряде случаев под влиянием нагрузки некоторые горные породы приобретают специфические реологические свойства.

Многие горные породы подвержены явлению крипа (ползучести), которое характеризуется постепенным нарастанием деформации при постоянном напряжении. Явления крипа в наибольшей степени свойственны глинам, аргиллитам, глинистым сланцам, каменной соли. Деформация ползучести зависит от структуры породы, нагрузки, времени и направления их действия. При нагрузках, действующих перпендикулярно плоскости напластования, ползучесть возрастает. Этот вид деформации отличается от пластической тем, что она возникает при длительном воздействии напряжений, не превышающих предела упругости породы, в то время как пластическая деформация происходит при возрастающих напряжениях за пределами упругости пород.

Почти все породы при различных условиях приложения нагрузки могут вести себя как хрупкие, и как пластичные тела. При растяжении, изгибе и одноосном сжатии пластические свойства горных пород почти не проявляются, разрушение пород происходит без заметной пластической деформации. При всестороннем сжатии многие горные породы, хрупкие при простых деформациях, приобретают пластические свойства.

В процессе лабораторных испытаний таких пород, как песчаник, глинистый сланец и др., не обнаружен переход в пластическое состояние при всестороннем сжатии с давлением, соответствующим глубине залегания более 3000 м. Вместе с тем практика горных работ показывает, что и на меньших глубинах происходят деформации пород, похожие на пластические.

В зависимости от состава и свойств пород, условий их залегания и действия нагрузки механизм пластических деформаций может быть различен. Иногда пластические деформации пород происходят вследствие межзерновых и трасляционных движений и явлений перекристаллизации. Если сжимать породы типа песчаников, известняков и др., состоящих из сцементированных зерен кварца или мелких сросшихся кристаллов кальцита, отдельные зерна могут двигаться независимо друг от друга. Каждое зерно под нагрузкой движется и вращается около соседних. В результате такого перемещения зерен, которое можно рассматривать как межзерновое, порода приобретает ограниченные пластические свойства.

Тепловые свойства горных пород

В нефтепромысловом деле для решения ряда геологических и технических задач (изучение тепловых свойств пород, слагающих разрез скважин; выявление в разрезе скважин продуктивных горизонтов; определение технического состояния скважин и обсадных колонн и др.) широко применяют термические исследования скважин. Тепловые свойства горных пород характеризуются удельной тепло­емкостью с, коэффициентом теплопроводности l, или удельного теплового сопротивления å(1/l), и коэффициентом температуропроводности а.

Удельная (массовая) теплоемкость с пород характеризуется количеством теплоты, необходимой для нагрева единицы массы породы на 1⁰С.

Коэффициент теплопроводности l пород характеризует количество теплоты dQ, переносимой в породе через единицу площади S в единицу времени при градиенте температуры DТ/Dх, равном единице,

.

Коэффициент температуропроводности а характеризует скорость прогрева пород, т.е. скорость распространения в них изотермических границ.

При нагреве породы расширяются. Способность пород к расширению характеризуется коэффициентами линейного a_L и объемного a_V теплового расширения:

; ,

где L и V - начальные длина и объем образца породы; dL и dV — приращение длины и объема образца при повышении температуры на dT.

Удельная теплоемкость горных пород возрастает с уменьшением их плотности в пределах 0,4-2 кДж/(кг • К). По результатам многочисленных измерений значение с горных пород, слагающих продуктивные пласты нефтяных месторождений, во многих случаях находится в пределах 0,63-1,0 кДж/(кг • К). Объемная теплоемкость породе с_r обычно находится в пределах 1,5^. 10£ с_r £3^. 10³ кДж/(м^3.К).

Теплоемкость пород зависит от их минерального состава и не зависит от строения, структуры и дисперсного состояния минералов.

С увеличением влажности и температуры теплоемкость пород возрастает.

Теплопроводность и температуропроводность горных пород по сравнению с металлами очень низки — (0,1-7) Вт/(м • К). Поэтому для прогрева на 60-70 К пopoд призабойных зон скважин даже на небольшую глубину (2-3 м) необходимо выдерживать нагревательные приборы, применяемые для этой цели, в течение нескольких десятков часов.

Из основных минералов, слагающих нефтегазоносные пласты, наибольшей теплопроводностью обладает кварц (l= 7-12 Вт/(м • К)). Вдоль напластования пород теплопроводность выше, чем поперек напластования, на 10-50%.

Теплопроводность горных пород, заполненных нефтью и водой, значительно повышается за счет конвективного переноса тепла жидкой средой. По этой причину для усиления прогрева пород пласта и увеличения глубины прогрева забой скважины в то же время подвергается ультразвуковой обработке, в результате чего ускоряется процесс передачи тепла за счет конвекции, возникающей вследствие упругих колебаний среды.

Коэффициент линейного расширения a_L пород уменьшается с ростом плотности минералов. Значительными коэффициентами линейного расширения обладают кварц и каменная соль.

Крупнозернистые породы расширяются при нагреве при одинаковых условиях больше, чем мелкозернистые.

Зависимость коэффициента температуропроводности от других термический свойств пород определяется соотношением

,

где а - коэффициент температуропроводности, м²/с; l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К); с - удельная теплоемкость, Дж/(кг К); r - плотность породы, кг/м³.

Температуропроводность горных пород повышается с уменьшением пористости и с увеличением влажности. В нефтенасыщенных породах она ниже, чем в водонасыщенных, так как теплопроводность нефти меньше, чем воды. Температуропроводность пород почти не зависит от минерализации пластовых вод. Вдоль пластования температуропроводность пород выше, чем поперек напластования.

Взаимодействие скважин с мерзлыми породами

Известно, что зависимость «напряжение – деформация» - для мерзлых пород имеет точку перегиба S, которая разделяет всю кривую на две части:

σ = при σ < σ_S

σ = при σ > σ_S

Например, для глин бат-байоса (при температуре -10⁰С) имеем m₁ = 0,66 и А₁ = 20 МПа; m₂ = 0,29 и А₂ = 5,5 МПа. При аналогичных условиях для келловейской супеси m₁ = 0,28 и А₁ = 7,35 МПа; m₂ = 0,26 и А₂ =6,65 МПа. Как видно, в обоих случаях m₁ > m₂, что естественно, поскольку само наличие точки перегиба σ = σ_s свидетель­ствует о более интенсивном развитии пластических деформаций при превышении напряжением величины σ_s.

В то же время описание кривой напряжение – деформация двумя зависимостями существенно усложняет расчеты, причем такое усложнение, учитывая неоднородность пород и обычный разброс экспериментальных данных, вряд ли оправдано. Поэтому целесообразно описывать кривые σ - ε одним законом σ = Аε^m и смотреть, какая при этом получается погрешность.

Параметры А и m являются деформативными характеристиками мерзлых пород и входят непосредственно или через другие реологические характеристики в уравнения ползучести. Рассмотрим подробнее поведение этих параметров.

Зависимость между напряжением и деформацией мерзлых грунтов может быть выражена законом, записанным в виде:

σ = А(t,Ө) ε^m,

где m = сonst.

Хорошая спрямляемость экспериментальных кривых А – t в логариф­мических координатах свидетельствует о том, что зависимость между А и t может быть описана уравнением

А = ξt^-λ,

где ξ имеет размерность Па^.ч ^λ.

Отметим при этом, что кривые А – t, построенные для различных температур в логарифмических координатах, имеют практически одинаковый угол наклона к оси абсцисс, т.е. одно и то же значение показателя степени.

Второй параметр – коэффициент ξ – в значительной степени зависит от температуры.

Завершая рассмотрение взаимодействия скважин с мерзлыми породами, следует подчеркнуть, что неравномерность нагрузки на колонну труб в мерзлоте носит глубокий характер. Нагрузку на трубы при остановке скважин в криолитозоне определяют не только температура мерзлых пород и их механические свойства, но и положение труб в скважине. Смещение осей каверны и труб приводит к возникновению неравномерной по периметру трубы радиальной нагрузке, которая в несколько раз снижает сминающее давление трубы по сравнению с равномерной («гидростатической») нагрузкой. По известной методике можно оценить устойчивость трубы, если известны смещение осей и скорость смерзания жидкости в каверне.

Устойчивость скважин в пластических и мерзлых породах

Анализ большого количества промысловых данных по смятию обсадных колонн убеждает в том, что наиболее вероятной нагрузкой на обсадные колонны в пластических горных породах является неравномерная нагрузка. Причинами ее возникновения, по мнению многих исследователей, являются:

- асимметрия всех каверн в пластических породах;

- несоосность осей трубы и скважины;

- цементный камень не полностью заполняет заколонное пространство;

- большая вероятность разрушения цементного кольца фильтрационными потоками до окончания времени схватывания тампонажного раствора.

Как показали исследования, наиболее опасной является двухсторонняя нагрузка. Поэтому расчет сопротивляемости смятию обсадных колонн при воздействии пластических горных пород необходимо проводить на этот более неблагоприятный случай нагружения, т.е. принимаем, что колонна находится под нагрузкой

р(φ)= р_ср(1+γсos2φ).

В настоящее время установлено, что сминающее давление обсадных труб, резко меняясь при переходе от равномерной (гидростатической) к неравномерной нагрузке, становится малочувствительным к изменению характера неравно­мерности в пределах выбранного типа неравномерного нагружения. Поэтому вопрос о выборе функции р(φ) для описания внешней двухсторонней неравномерной нагрузки не является принципиальным.

Из всего вышесказанного следует, что для оценки сопротивляемости смятию обсадных труб в зонах залегания пластических пород необходимо рассмотреть взаимодействие трубы с неравномерной нагрузкой с двумя максимумами, каждый из которых равен по значению пределу текучести пластической породы. Несложные расчеты дают следующие значения параметров нагрузки

γ = (р_мах – р_мin)/( р_мах + р_мin); р_cр = ½ σ_т