Механические свойства горных пород

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.

Упругость – свойство горных пород сопротивляться изменению их объёма и формы под действием приложенных сил.

Абсолютно упругое тело восстанавливаетпервоначальную форму мгновенно после снятия напряжения.

Если тело не восстанавливает первоначальную форму или восстанавливает её в течение длительного времени, то оно называется пластичным.

До начала разработки продуктивный пласт находится под давлением, создаваемым весом вышележащих пород (Р_г – горное давление), и противодействующего ему давлением пластовых флюидов (Р_пл), насыщающих пласт. При отборе нефти газа пластовое давление снижается, и породы коллекторов испытывают на себе давление, равное разности горного и пластового давлений: Р_упл = Р_г – Р_пл.

Упругие свойства горных пород совместно с упругостью пластовых жидкостей влияют на режим перераспределения давления в пласте. Давление в пласте, благодаря упругим свойствам пород и жидкостей перераспределяется не мгновенно, а постепенно, после изменения режима работы скважины. Упругие свойства пород и жидкостей создают запас упругой энергии в пласте, которая освобождается при уменьшении давления и служит одним из источников движения нефти по пласту к забоям скважин.

При извлечении нефти на поверхность пластовое давление (Р_пл.) падает, а давление на минеральный скелет пород (Р_упл) увеличивается. При снижении пластового давления объём жидкости будет увеличиваться, а объём пласта и порового пространства в нём уменьшаться (m↓). Установлено, что с падением пластового давления объём порового пространства пласта уменьшаетсявследствие упругого расширения зёренпороды и возрастания сжимающих условий, передающихся на скелет от массы вышележащих пород (рис. 1.24).

При этом зёрна породы испытывают дополнительную деформацию. Пористость коллектора уменьшается и вследствие изменения формы упаковки зёренв более плотные формы, зёрна различных размеров укладываются более плотно, что приводит к уменьшению пористости (m↓). Могут происходить и процессы перегруппировки зёрен, скольжение их по поверхности соприкосновения.

Рис. 1. 24. Схема проявления горного и уплотняющего (эффективного) давлений в элементе (элементарном объёме) породы

Изменения пластового давления являются одной из причин деформации пород формирующих пласт. Изменяется структура самой пористой среды. Пластовые жидкости, находясь под пластовым давлением, разрушают минеральный скелет пород. В связи с этим могут происходить процессы разрушения и дробления зёрен породы, зёрна различных размеров укладываются более плотно, что приводит к уменьшению пористости (m↓).

Поэтому, общепринятым считается мнение, что горные породы при условиях залегания в месторождениях имеют меньшие значения ФЕС по сравнению с параметрами, определёнными на поверхности. По результатам исследований пористость песчаников уменьшается на 20 % при давлениях около 15 МПа, пористость плотных аргиллитов уменьшается на 6 % при том же давлении.

Упругие свойства горных пород описываются законом Гука, согласно которому относительная деформация (∆L) пород пропорциональна изменению пластового давления → ∆L = ε·L·P/S, ε =1/E, где E – модуль упругости. В процессах эксплуатации нефтяных и газовых горизонтов, как показано В.Н. Щелкачевым, особое значение приобретает коэффициент объёмной упругости пласта (βс).

, (1.51)

где β_с – коэффициент объёмной упругости пористой среды;

β_п – коэффициент сжимаемости пор;

V_о – начальный объём образца породы;

ΔV_п – изменение объёма пор;

∆P – изменение пластового давления;

m – коэффициент пористости.

Для характеристики упругих деформаций используются коэффициенты сжимаемости (объёмной упругости) породы, пласта, пор (β_п), твердой фазы и пористой среды (βс).

Коэффициент объёмной упругости пористой среды (породы, β_с) будет влиять на коэффициент сжимаемости пор (β_n) и на пористость пород:

β_n = β_с/mo, (1.52)

где m_o– пористость при начальном напряжении (Р_{min упл}).

Изменение пористости пород (m) функционально зависит от объёмной упругости пористой среды (β_с) и наименьшего напряжения, которое испытывают на себе породы (Р_{min упл}). При небольших значениях разницы величин между начальным уплотнением (напряжением) и текущим, можно воспользоваться соотношением:

m = mo· [1 – β_п· (Р_упл – Р_{min упл})] = mo – βс· (Р_упл – Р_{min упл})]. (1.53)

В общем случае изменение пористости при действии эффективного напряжения {m = m_o·ехр[– β_п·(Р_упл – Р_{min упл})]} описывается экспоненциальной зависимостью.

Величины коэффициентов объёмной упругости горных пород (β_с) небольшие. Для нефтеносных пород они изменяются в диапазоне 0,3–2,0·10^–10 м²/н или 0,3–2,0·10^–4 МПа^–1.

В нефтепромысловой практике часто используется коэффициент упругоёмкости пласта (β^*):

β^* = m·β_ж + β_с, (1.54)

где β_ж – коэффициент сжимаемости пластовой жидкости, Па^–1.

Прочность на сжатие и разрывгорной породы оценивается через модуль объёмного сжатия, представляющего собой сопротивление, которое оказывает данное тело всестороннему сжатию.

Мелкозернистые породы, как правило, обладают более высокой прочностью, чем породы того же минералогического состава, но сложенные кристаллами больших размеров.

Весьма прочны породы волокнистого строения. Большое влияние на прочность пород оказывает состав цемента. Однако высокая прочность зёрен ещё не означает, что порода будет оказывать большее сопротивление различным видам деформаций.

Песчаники с глинистым цементом относятся к группе пород с низкой прочностью на сжатие. Примесь глины в известняках также понижает их прочность.

Песчаники, цементирующим веществом которых служит кремнезёмили известковый цемент, обладают повышенной прочностью.

Осадочным породам обычно присуща анизотропия (зависимость свойства от направления его измерения: anisos – неравный, tropos – направление) в механических свойствах. Например, прочность, измеренная вдоль напластованияпороды, большей частью превышает прочность, измеренную в направлении, перпендикулярном напластованию. Данные о прочности пород на сжатие и разрыв необходимы при изучении процессов разрыва пластов, при искусственном воздействии на породы призабойной зоны скважин.

Пластичность – изменение формы пород при воздействии на них различных нагрузок, без появления видимых трещин. Последние характеризуют хрупкостьпороды.

Часто пластичность горных пород проявляется под действием длительных нагрузок, вызывающих изменение структуры породы. Механизм пластических деформаций может быть различен, как результат межзерновых и трансляционных движений (смещение атомов внутри отдельных кристаллов вдоль плоскостей, известных под названием плоскостей скольжения) или явлений перекристаллизации.

Пластические свойства при высоких давлениях особенно ярко проявляются у глин, пород, содержащих в значительных количествах глинистые минералы, солей.

При значительном снижении пластового давления происходят необратимые пластические деформации.

Установлено, что с течением времени нарушенное поле естественных напряжений вокруг нефтяных скважин в значительной мере восстанавливается, и давление на обсадные трубы нефтяных скважин после окончания бурения возрастает, что объясняется проявлением ползучести и пластичности некоторых горных пород.