книги / Нефтегазовое дело. Полный курс

А

Испытания горных пород в условиях всестороннего сж атия обнару­ живают их следую щ ие свойства:

• горные породы, которы е в условиях одноосного сж атия являю тся хрупкими, в условиях всестороннего сж ати я становятся пластич­ но-хрупкими;

•предел текучести и предел прочности горных пород растут по мере увеличения среднего нормального напряж ения, характеризую щ его уровень всестороннего сж атия;

•энергоемкость разруш ен и я горной породы возрастает по м ере уве­ личения среднего нормального напряж ения.

Вусловиях всестороннего сж ати я предел прочности горных пород намного увеличивается. Н апример, в опытах при одноосном сж атии пес­

чаники и доломиты показы ваю т, соответственно, значения прочности 50 и 98 МПа, а в условиях неравномерного всестороннего сж ати я по схеме Кармана (предварительная всесторонняя нагрузка 95 М Па) п р е ­ делы прочности песчаников и доломитов, соответственно, составили 224 МПа и 345 МПа. М еж ду прочностью горных пород при объемном (всестороннем) сж атии <г)С}и прочностью при одностороннем сж атии <тсж установлена следую щ ая теоретическая зависимость;

Предел прочности горных пород при испы тании на растяж ен ие в 10—20 раз меньше их предела прочности на сж атие. П редел прочности при испытании на сдвиг у больш инства скальны х пород составляет око­ ло 10% от предела прочности на одноосное сж атие. С точки зрен ия р а з ­ рушения горных пород деф орм ац и я р астяж ен и я явл яется наиболее выгодной. Этот ф актор следует учиты вать во врем я конструирования дародоразрушающнх инструментов.

2.3.3.К л а с с и ф и к а ц и я го р н ы х п о р о д по твер д ости и а б р а зи в н о с т и

Твердость горны х пород — это способность пород оказы вать сопротивление проникновению (внедрению, вдавливанию ) в них более прочного тела — индентора (например, зуба шарош ки). Этот парам етр является одним из главных при проектировании реж им ов бурения.

В геологии ш ироко п р и м ен яется ш кала твердости по М оосу, ко ­ торая вы страивает наиболее часто встречаю щ иеся м инералы по м ере возрастания их твердости в следую щ ий ряд: тальк; гипс; кальц ит;

плавиковы й ш пат; апати т; полевой ш пат; кварц; топаз; корунд; а л ­ маз, В этом р я д у к аж д ы й следую щ ий м и н ерал способен процарап ать преды дущ ий .

И н д е н то р ы — это прочны е тела той или иной ф ормы , используе­ мые для вдавливания их в поверхность испы ты ваем ы х горных пород. В настоящ ее врем я ш ироко распространены методы изм ерения твер ­ дости вдавливанием в поверхность испытуемого м атериала стандарт­ ного индентора (пирамиды или сф еры ) до получения пластического от­ печатка. И зм ерения м икротвердости минералов проводится на специ­ альны х приборах, где в качестве инденторов используется алм азная пирамида. М и х р о тв ер д о стъ определяется как частное от деления на­ грузки на площ адь отпечатка. Эталонные м инералы кальцит, кварц и корунд имеют, соответственно, следую щ ие показатели м икротвердос­ ти: 1080; 11 000 и 22 600 МПа.

Твердость горных пород (или контактная прочность) определяется вдавливанием цилиндрического ш тампа из твердого сплава. Ш тамп в образец вдавливается до тех пор, пока при некоторой нагрузке не обра­ зуется лунка вы кола, то есть пока не произойдет разруш ение породы под штампом. В зависим ости от структуры пород наиболее часто ис­ пользую тся ш там пы площ адью 2— 5 мм2. И спы тания проводятся при малой скорости нагруж ения с автоматической записью глубины внедре­ ния ш там па от нагрузки. Этот метод получил название «м етод с т а т и ­

ческого вдавливания ш т а м п а ».

Д ля горных пород т в е р д о с т ь по ш т а м п у р ш определяется как час­ тное от деления наибольш ей нагрузки, при которой произош ло р азр у ­ ш ение, на площ адь вдавливаемого штампа. Д ля пластично-хрупких по­

род определяется такж е значение предела т е к у ч е с т и как частное от деления нагрузки, при которой наруш ается закон Гука, на площ адь вдавливаемого ш тампа.

На основании данных, полученны х при вдавливании ш тампа в об­ разцы различны х горных пород, составлена классиф икационная ш ка­ ла твердости пород р ш по ш тампу. Все породы разделены на 12 катего­ рий твердости (табл. 2.2).

Кгруппе м ягки х пород относятся пластичны е и высокопористые (пористость 20— 60 %) породы: глины, аргиллиты и пористые разновид­ ности алевролитов, песчаников и известняков.

Кгруппе пород средней т в е р д о с т и относятся породы из класса пла­ стично-хрупких: алевролиты , известняки, ангидриты, доломиты и пес­ чаники.

Таблица 2.2. Классификация горных пород по твердости

К группе т в е р д ы х пород относятся породы преимущ ественно из класса хрупких. Это в основном изверж енны е и м етам орф ические по­ роды. В группу тверды х пород, встречаю щ ихся при бурении неф тяны х и газовых скважин, входят кремни, кварциты , окрем нелы е разновид­ ности известняков и доломитов.

С помощью метода статического вдавливания ш тампа такж е опре­ деляют коэффициент пластичности пород, модуль деф орм ации и удель­ ную объемную работу разруш ен и я пород.

А бразивность горны х пород — это способность пород изн аш ивать породоразрушающий инструм ент в процессе их взаим одействия. П о­ нятие абразивности связано с понятием внеш него трен и я и износа. И з­ нос или изнаш ивание — это отделение поверхностны х частиц твердо ­ го тела в результате действи я сил трения. В р езу л ьтате инструм ент или деталь в процессе работы постепенно изм еняю т массу, ф орм у и размеры.

В большинстве случаев детали маш ин и бурильны й инструм ент дол­ жны работать при м инимальных затр атах энергии на трение, тогда как

п ородоразруш аю щ и й ин струм ент п ред н азн ач ен д л я концентрации энергии на забое скваж ины для разруш ен ия горной породы. Энергия разруш ения горной породы реали зуется рабочими поверхностями воо­ р у ж ен и я долота. В ы сокая энергоем кость разр у ш ен и я горных пород обусловливает очень тяж елы й реж им трения и высокую скорость и з ­ наш ивания долота.

А бразивное изнаш ивание х арактери зуется пластическим деф орм и ­ рованием, царапанием и м икрорезанием поверхности м еталла более твердой абразивной средой. Если исходить из этих представлений о сущ ности абразивного изнаш ивания, то при трении закаленны х сталей об осадочные породы абразивны м и можно считать только кварцевы е и полевош патны е песчаники и алевролиты . Это породы, сцементирован­ ные из обломочных зерен разм ером от 0,01 до ОД мм. При трении о пес­ чаники происходит срезание м еталла в виде струж ки. П ри ударе инст­ рум ента о поверхность абразива в м естах контакта м еталла и зерен аб­ разива развиваю тся вы сокие напряж ения, происходит пластическое деф орм ирование м еталла, часть абразивны х зерен внедряю тся в и зн а­ ш иваемую поверхность, образуя в ней лунки.

При небольш их удельны х давлениях и скоростях скольж ения про­ исходит усталостное отслаивание окисных пленок с трущ ихся поверх­ ностей. При высоких удельны х давлениях и скоростях скольж ения про­ исходит терм ическое разупрочнение поверхности м еталла.

По отношению к тверды м сплавам ни одна из осадочных пород не явл яется абразивной. Скорость изнаш ивания твердого сплава в д есят­ ки р аз м еньш е, чем скорость и зн аш и ван и я долотной стали, и пропор­ циональна удельной м ощ ности трения. О днако при мощ ности более 4 В т/м м 2 скорость изнаш ивания твердого сплава резко увеличивается за счет вы краш ивания зерен карбида вольф рама.

В неф тегазовой промыш ленности абразивны м назы ваю т изнаш ива­ ние бурового инструмента при трении о любые горные породы. Разны й вид зависим ости скорости изнаш ивания м еталла от удельной мощнос­ ти трения не позволяет разработать единый количественны й показа­ тель абразивности горных пород. По этой причине сущ ествует несколько классиф икаций: по скорости изнаш ивания эталонного стального стер­ ж н я горные породы разделены на восемь классов абразивности, по ско­ рости изнаш ивания вращ аю щ егося стального диска составлена другая классиф икация пород.

Д ля вы бора рац иональн ы х типов и кон струкц ий долот проводит­ ся кл асси ф и кац и я пород геологического р а зр е за и его р азд ел ен и е на

\

характерные пачки. К классиф икационны м х ар актер и сти кам горных пород, от которых более всего зав и ся т п о казател и работы долот, от­ носятся твердость, аб рази вн ость и сплош ность. Д ля приближ енной оценки названных свойств, необходим ы х д л я расчетов реж им ов бу ­ рения, составлена таблица соответстви я категорий твердости и аб ­ разивности пород их общ ей геолого -п етрограф ической х а р а к те р и с ­ тике (табл. 2.3).

Таблица 2.3. Категории твердости и абразивности некоторых горных пород

2.3.4. П ористость и п р о н и ц а е м о с т ь о с а д о ч н ы х п о р о д

С плош ность горны х пород, в конечном счете, определяет способность пород передавать различны е воздействия (упругие коле­ бания и волны, давление ж идкости, расход жидкости). Сплош ность оце­ нивается в пределах ш калы и з четы рех категорий: от горных пород пер­ вой категории, которые могут приним ать глинистый раствор, до пород

четвертой категории, которы е практически не способны п ередавать внеш нее гидравлическое давление.

Сплош ность горных пород оп ределяется таким текстурны м призна­ ком как п о р и с т о с т ь . Под общ ей пористостью поним ается объем, не заняты й кристаллической м атрицей породы. Отнош ение объема всех пустот к объему породы, их содерж ащ ей, назы вается коэф ф и ц и ен том общ ей п о р и с т о с т и Я. Под эф ф екти вн о й пористостью поним ается объем пор и соединяю щ их их каналов, по которым возможно перем е­ щ ение флюидов. Э ф ф ективная пористость — это внутрисвязанная по­ ристость. Чем больш е пористость горных пород, тем меньш е их плот­ ность, прочность и больш е их проницаемость. Н априм ер, общ ая порис­ тость известняков м ож ет изм еняться в пределах 0,01— 0,30.

С вязь м еж ду плотностью породообразую щ их минералов рм и плот­ ностью горной породы р п вы раж ается через пористость следую щ им об­

П ористость является важ ной текстурной характеристикой осадоч­ ных пород, влияю щ ая на их способность вмещ ать, уд ерж и вать и отда­ вать различны е флю иды — воду, неф ть и газ. По степени пористости вы деляю т породы: плотные, мелкопористые, крупнопористы е с вели ­ чиной пор до 2,5 мм и кавернозны е. Поры, как и м икротрещ икы , явл я ­ ю тся концентраторам и напряж ений и служ ат очагами зарож даю щ их ­ ся трещ ин.

Все горные породы разбиты системами трещ ин различного генези­ са, различной протяж енности и величины раскры тия. П оказатель т р е - щ и н о в а т о с т и х ар актер и зуется количеством трещ ин на единице дли ­ ны в заданном направлении. С истемы трещ ин в горных породах появ­ л яю тся в р е зу л ь т а т е д ей ств и я тек то н и ч еск и х и геодин ам ических напряж ений.

Трещ иноватость горных пород имеет повсеместный характер. Т ре­ щ ины в подавляю щ ем больш инстве располож ены не хаотично, а по оп­ ределенны м системам. К аж дую трещ ину можно считать ф и льтрац и ­ онным каналом, имеющим плоские взаим нопараллельны е стенки, зна­ чение раскры тия и элементы ориентировки в пространстве. Трещ инная пустотность меньш е меж зерновой пористости и составляет не более 20 % общей пористости породы. В то ж е время трещ инная проницаемость гор­ ных пород м ож ет достигать значительны х разм еров и превы ш ать про­ ницаемость нетрещ иноваты х массивов на несколько порядков.

Пористость является одной из основных характеристик коллекто­ ров нефти и газа. П ри подсчете общих геологических запасов углеводо­

родов используется полная или общ ая п о р и с т о с т ь .

При погружении пород на все больш ие глубины пористость в целом уменьшается (рис. 2.7). Процесс консолидации осадочных пород рассм ат­ ривается в предполож ении, что изм енение объема твердой м атрицы пород под действием леж ащ ей вы ш е нагрузки пренебрежимо мало по сравнению с уменьш ением объема их порового пространства. В ответ на изменение геостатического давления породы уплотняю тся не мгно­ венно, фронт уплотнения постепенно м игрирует вниз в течение неко­ торого интервала времени. З ад ер ж к а этого процесса по глубине и вре­ мени зависит от способности поровой ж идкости покидать породу.

Рис 2,7. Изменение пористости с глубиной на Уренгойском место­ рождении. Значения пористости, вычисленные [291:

J — для пород разреза; 2 — для пес­ чаной фракции пород; 3 — для гли­ нистойфракции пород; 4 — измерен­ ные в песчаной фракции пород

Зависимость пористости от м аксим альной глубины, достигнутой породой в истории ее погруж ения, удовлетворительно описывается сле­ дующим экспериментальны м вы раж ением :

где z — максимальная глубина слоя осадков; Пп — пористость осадков при их отложении в пределах 100 м от поверхности; В — масш таб изм е­ нения пористости с глубиной. П оследние два парам етра можно оценить на основании среднем ировы х данны х д л я основных литологических единиц (табл. 2.4). В таблице приведены такж е: Я — теплопроводность матрицы пород при 0 'С; С г — объем ная теплоемкость м атрицы пород; pt — плотность м атрицы пород.

\

Таблица 2.4. Среднемировые значения физических параметров основных осадочных фаций

С пористостью тесно связан ф изический параметр, называемый про­ н и ц аем о стью пород к. П роницаем ость оп ределяет скорость течения жидкости в пористых средах, вызванного градиентом давления d p /d x в

где / / — д инам ическая вязкость жидкости.

П ро н и ц аем ость горны х пород — это способность пропускать ж ид ­ кости и газы под действием перепада давления Др. Это свойство горных пород х арактери зуется коэф ф ициентом проницаемости к, который оп­ ределяет ф ильтрационны е свойства пород и поглощающую способность вскрытого скваж иной пласта. К оэф ф ициент проницаемости определя­ ется в лабораторны х условиях с использованием следую щ ей зависи ­

гд е //— динамическая вязкость ф ильтрую щ ей жидкости, Па • с; L — дли ­ на ф ильтрую щ его образца породы, м; Q — объем ны й расход ж идкос­ ти, м:Ус; S — площ адь ф ильтрую щ его образца, м2.

В ы раж ение (2.8) назы вается уравнением Дарси. Единицей изм ере­ ния проницаемости является Дарси (Д): 1 Д = 1 • 10“12 м2. Проницаемость коллекторов н еф тяны х и газовы х м есторож дений и зм еняется от не­ скольких миллидарси (мД) до двух Дарси. Например, для проницаемости

к= 1(Г|7м2 и типичного движ ущ его градиента давления 103 П а /м объем фильтрующейся воды, переносимый через 1 м2 породы (то есть скорость Дарси) составит 8,8 • 10"12 м:!/м 2 • с. В этом случае при пористости П = 0,50 истинная скорость течения ю = 1,4 • 10_3 м/год.

В гидрогеологии для характери сти ки водопроницаемости пород ис­ пользуется коэф ф ициент ф ильтрации:

где р — плотность ф и льтрую щ ейся ж идкости. С редние значения ко­ эффициента ф ильтраци и изм еняю тся от 0,01 м /с у т д л я суглинков до 10 м/сут для среднезернисты х песков.

Для трех ортогональных систем трещ ин одинакового раскры тия b и густоты Г коэффициент ф и льтрации определяется из вы раж ения

Проницаемость относится к числу трудно определяем ы х п ар ам ет­ ров осадочных пород. На рис. 2.8 виден значительны й разброс в зн аче ­ ниях проницаемости и пористости д л я разн ы х ф аций неф теносны х песчаников. При одном и том ж е зн ачен и и пористости вар и ац и и в проницаемости песчаных ф аций могут достигать двух -трех порядков величины. Соотношение пористость— проницаемость наименее коррелировано в известняках, так как часто встречаю тся пористые, но абсо­ лютно непроницаемые известняки.

Породы со значениями к > 1 Д арси = 10“12 м2 являю тся высокопро­ ницаемыми (грубые песчаники, тр ещ и н оваты е и звестняки); со зн а ­ чениями к = (0,001— 1,0) Д — ум еренно проницаем ы м и; со зн ач ен и я ­ ми к = (10“в—0,001 ) Д — плохо проницаемы ми (сцементированные пес­ чаники); со значениями к < 10“*’ Дарси — практически непроницаемыми (мрамор, глинистые сланцы, плотны е известняки).

Существует ряд полуэмпирических соотношений, позволяю щ их свя­ зать проницаемость осадочных пород с их пористостью . Н апример, для пород, имеющих пористость П > 10 % справедлива следую щ ая зависи ­ мость Карнеги—К арм ана:

(2.11)

- площадь поверхности всех пор породы. Д ля уплотненны х глин щадь огромна — до 3 • 10!i м2/м :1