книги / Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья

давления ведет к уменьшению пористости (линия первичной на­ грузки). При снятии нагрузки пористость восстанавливается только частично (линия разгрузки), т.е. часть деформаций явля­ ется необратимой. При повторном нагружении пористость уменьшается вдоль линии разгрузки до тех пор, пока всесторон­ нее давление не превзойдет ранее достигнутой максимальной величины. После этого пористость вновь будет уменьшаться вдоль линии первичного нагружения. Для линеаризации экспе­ риментальных кривых используются логарифмические координа­ ты (см. рис. 1.2.5). Угловые коэффициенты линий нагрузки и разгрузки в координатах е-\п (р) называются соответственно ко­ эффициентами компрессии X и декомпрессии к. При выполнении расчетов численными методами используется параметр упрочне­ ния х» который определяет долю необратимых (пластических) деформаций объема при компрессионном сжатии и имеет вид

X = (1 + е0)/(Х - к),

где е0 - исходная пористость образца.

В качестве примера на рис. 1.2.6 показаны компрессионные кривые образцов керна Чумпасского месторождения Западной Сибири.

Следует отметить, что на деформирование порового простран­ ства коллекторов сильное влияние оказывает время нагружения. Об этом свидетельствуют опыты В.П. Сонича и его коллег по длительному нагружению песчано-алевритовых пород с месторо­ ждений центральной части Западной Сибири [10]. В этих опытах время нагружения достигало 1000 ч. Было установлено, что при длительных нагрузках существенную роль играют деформации ползучести минерального скелета породы, что приводит к значи­ тельному уменьшению исходной пористости образца. Более под­ робно об особенностях деформирования и изменения фильтра- ционно-емкостных свойств (ФЕС) коллекторов при длительных нагрузках говорится в главе 6.

1.3. ПРИМЕРЬ| ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ КОЛЛЕКТОРОВ. ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

ГОРНЫХ МАССИВОВ

Определение физико-механических свойств горных пород яв­ ляется первым этапом решения горнотехнических проблем, так как надежность Прогноза напряженно-деформированного состоя-

ния (НДС) горных массивов определяется в первую очередь дос­ товерностью исходных данных. Кроме непосредственных испы­ таний горных пород, для обоснования параметров расчетных моделей бывает полезным использование различных эмпиричес­ ких зависимостей и справочных данных. Анализ литературных источников показывает, что в первом приближении упругие свойства пород коллекторов определяются глубиной их залега­ ния (термобарические условия), пористостью и глинистостью (проницаемостью). Для более точного описания необходимо учитывать особенности строения порового пространства, состоя­ ние скелета и глинистого цемента. Это требует проведения спе­ циальных исследований комплекса параметров, включая опреде­ ление гранулометрического и минерального состава представи­ тельной коллекции образцов.

К настоящему времени на нефтяных месторождениях Запад­ ной Сибири различными организациями выполнены довольно многочисленные исследования упругих свойств керна ультразву­ ковым методом. Некоторое обобщение этих исследований пред­ ставлено в табл. 1.3.1 и 1.3.2 и может служить определенным ориентиром при расчетах параметров напряженно-деформирован­ ного состояния горных пород этих месторождений. Известно, что упругие свойства горных пород зависят от уровня действующих нагрузок. Поэтому можно предположить, что модуль упругости керна будет зависеть от глубины отбора образцов. На рис. 1.3.1 показаны результаты определения модуля упругости для ряда нефтяных месторождений Западной Сибири (Усть-Балыкское, Мамонтовское, Чумпасское, Северо-Поточное, Западно-Сургут­ ское и др.).

Из диаграммы следует, что зависимость между упругими свойствами коллекторов и глубиной залегания действительно существует. По представленным данным можно построить кор­

где Е - модуль упругости, ГПа; Н - глубина залегания, км. Коэффициент корреляции этой зависимости составляет 0,67.

Следует отметить, что при ее построении не производилось разделение пород на основные литотипы коллекторов, встречаю­ щихся на месторождениях Западной Сибири. Тем не менее, довольно большой объем данных позволяет пользоваться форму­ лой (1.3.1) для оценки динамического модуля упругости. Стати­ ческие методы для изучения деформационных свойств коллекто­ ров Западной Сибири применялись гораздо реже. Такие испыта­ ния проводились, например, в лаборатории физики пласта

Глубина залегания 2400-2800 м

Е , ГПа

Рис. 1.3.1. Зависимость модуля упругости коллекторов Западной Сибири от глубины залегания:

/ - Приобское; II - Самотлорское; III - Федоровское; IV - Лас-Еганское; V - Тундринское; VI - Вачимское; VII - Северо-Поточное; VIII - Чумпасское; IX - Усть-Балыкское; X - Мамонтовское; XI - Западно-Сургутское

СИБНИИНП. Характерная диаграмма деформирования одного из образцов показана на рис. 1.3.2.

На график нанесены три цикла нагрузка-разгрузка, после­ дующие циклы практически совпадают с предыдущими. Модуль упругости данного образца составляет 23 ГПа, модуль деформа­ ции 12 ГПа. При выполнении этих испытаний для ряда образцов модуль упругости определялся как статическим, так и динамиче­ ским методом. При этом расхождение модуля упругости, опреде­ ленного двумя методами, не превышало 20 %, хотя обычно дина­ мический модуль упругости больше статического.

В отличие от упругих свойств, прочностные показатели кол­ лекторов на месторождениях Западной Сибири изучены гораздо в меньшей степени. Для их предварительной оценки можно ис­ пользовать различные корреляционные зависимости. Хорошо известно, что прочностные и упругие характеристики горных по­ род коррелируют между собой: более крепкие породы обычно имеют и более высокий модуль упругости. Разными авторами на основе испытаний образцов горных пород установлено довольно

много корреляционных зависимостей между модулем упругости и прочностью на сжатие [14]. На рис. 1.3.3 представлены некото­ рые из них.

Этими зависимостями можно пользоваться для оценки упру­ гих свойств пород по их прочности или наоборот. Для песчаных коллекторов Западной Сибири можно воспользоваться зависимо­ стью прочности и упругости песчаников, которая получена из испытаний образцов крепостью / = 2-г32 (247 проб с 15 месторо­ ждений):

где £ - модуль упругости, ГПа; асж - прочность на сжатие, МПа. Коэффициент корреляции этой зависимости составляет

0,8±0,01.

Для ряда задач такой предварительной оценки бывает доста­ точно. Так например, далее будет показано, что при расчете уп­ лотнения коллекторов порового типа показатели прочности не играют большой роли. В этом случае для задания прочностных параметров расчетных моделей достаточно воспользоваться зави­ симостями, сходными с (1.3.2).

Статические и динамические методы совместно использова­ лись авторами данной работы для изучения деформируемости

Рис. 1.3.3. Зависимость между прочностью и упругостью некоторых горных пород:

/ - известняки и скарны; II - породы Криворожского бассейна; III - породы

Карагандинского бассейна; IV - песчаники

продуктивных известняков Астраханского газоконденсатного месторождения (АГКМ). Испытания выполнялись в Горном ин­ ституте (ГИ) УрО РАН на гидравлическом прессе ИП-2000 с предельной нагрузкой 200 т. В процессе нагружения осуществля­ лась непрерывная запись диаграммы нагрузка - продольная де­ формация с помощью двухкоординатного самописца Н-307. Кро­ ме статического и динамического модуля упругости, определя­ лись предел прочности на одноосное сжатие и растяжение, пре­ дел упругости, разрушающая деформация, доля упругих дефор­ маций на пределе прочности, упругости, а также модуль спада. Всего было исследовано шесть образцов - три образца размером 40x40x80 мм и три образца размером 40x40x40 мм (табл. 1.3.3).

В связи с малым количеством образцов их свойства были со­ поставлены со справочными данными. По материалам лаборато­ рии механических испытаний ВНИМИ [14] прочность на сжатие известняков различных видов колеблется в широких пределах - от 63 до 230 МПа. Прочность на сжатие (76,2 МПа) известняка

Таблица 133

Механические свойства известняков АГКМ по результатам испытаний в ГИ УрО РАН

АГКМ находится у нижней границы этого диапазона. Отношение асж/а р для (АГКМ) также близко к данным ВНИМИ. Видно (см. табл. 1.3.3), что динамический модуль упругости в данном случае заметно больше статического. Поэтому для изучения уп­ ругих свойств коллекторов желательно использовать статические методы наряду с более доступными динамическими.

Десять образцов известняка АГКМ были исследованы в Ин­ ституте проблем механики РАН на специальной установке - ис­ пытательной системе трехосного неравнокомпонентного сжатия (ИСТНС). Испытания проводились на кубических образцах раз­ мером 40x40x40 мм, которые нагружаются тремя парами жестких взаимно ортогональных плит. Конструкция нагружающего узла ИСТНС такова, что движение каждой пары плит происходит кинематически независимо от других. Это позволяет создавать в процессе испытания однородные напряженные состояния в об­ разцах с любым соотношением напряжений сжатия о и аг, азЭто позволяет проводить количественную оценку механических свойств горных пород в условиях, моделирующих сложные на­ пряженно-деформированные состояния, формирующиеся в раз­ рабатываемых коллекторах нефти и газа.

Кубические образцы выпиливались из кернового материала на камнерезном станке. При изготовлении образцов одна пара гра­ ней кубика всегда ориентировалась перпендикулярно к оси кер­ на. Остальные грани были ей параллельны и, соответственно, примерно перпендикулярны к плоскости напластования. Образ­ цы изготавливались с высокой точностью и доводились до за­ данных размеров на оптическом плоскощлифовальном станке. При этом выдерживались следующие размеры: 40,0±0,1 мм, при­ чем нарушение параллельности граней составляло не более 20 мкм. Целью испытаний была оценка модуля упругости при различных