§ 4. Физико-механические и тепловые свойства горных пород

Для решения ряда технологических задач газонефтепромысло­вой практики (проектирование гидроразрывов пласта, торпеди­рования, учета распределения давления в коллекторе) необхо­димо знать некоторые физико-механические свойства горных пород — упругость, пластичность, прочность на сжатие и раз­рыв и др.

Большая часть горных пород выдерживает высокие на­грузки при всестороннем сжатии. Значительно меньшие разру­шающие напряжения при изгибе и растяжении. Если нагруже-ние и разгрузка многих горных пород происходят в короткий промежуток времени, при значительном диапазоне напряжений справедлив закон Гука. Если же сжимающая нагрузка, состав­ляющая иногда 10—15% от разрушающей (т. е. не превыша­ющей предела упругости), действует длительно, в породах мо­гут возникать явления крипа (ползучести) с образованием остаточных деформаций. В отличие от явлений крипа пластиче­ские деформации происходят при быстром нагружении пород

за пределами их упругости.

Явления крипа и пластической деформации способствуют частичной разгрузке продуктивных пластов призабойной зоны от воздействия горного давления вследствие «течения» части по­род в скважину при ее строительстве под влиянием высоких нагрузок в вертикальном направлении. Поэтому давление гид­роразрыва пластов часто оказывается значительно меньше гор­ного (до 20—40 %)• Как уже упоминалось, со снижением пла­стового давления эффективное напряжение возрастает [см. фор­мулу (1.6)] и поэтому уменьшается объем пор вследствие упру­гого расширения зерен, их переукладки и более плотной упа­ковки. Вначале происходят упругие деформации, а при значи­тельном снижении пластового давления в глубокозалегающих ^ пластах возможны неупругие (остаточные) деформации пород, i которые не восстанавливаются в полной мере даже в процессе заводнения залежи и при увеличении пластового давления до первоначального.

Подавляющая часть нефтяных месторождений разрабаты­вается с заводнением, и значительного снижения пластового давления не происходит. Поэтому в большинстве случаев воз­никают процессы упругих деформаций пористых сред. Расши­ряющиеся при этом горные породы и пластовые жидкости, на­ходящиеся в зоне снижения пластового давления, обладают уп­ругим запасом, равным сумме объемов расширения пород и пластовых жидкостей. Количественно упругие изменения объ­ема пор принято оценивать коэффициентом объемной упругости пласта р_с:

где V — объем образца породы; dV_nop — изменение объема пор при уменьшении или увеличении пластового давле­ния на dp.

Значение р_с зависит не только *от состава, строения и свойств горной породы, но и от давления р (сжимаемость со­кращается с ростом давления). В соответствии с этим коэффи­циент объемной упругости р_с зернистых коллекторов изме­няется в широких пределах: р_с= (0,3—3) Ю⁴⁰ (Па)-¹ в интер­вале давления р от 0 до 100 МПа. При снижении и увеличении пластового давления становится иным и объем жидкости, ко­эффициент сжимаемости которой р_ж характеризуется соотно­шением

ft 1 dV

V dp

где К—объем жидкости; dV — изменение объема жидкости при изменении давления на dp. Коэффициент сжимаемости нефтей Р„ в зависимости от количества растворенного газа изменяется в пределах (4—140) 10-^,0(Па)Для учета суммарной сжима­емости пор и жидкостей проф. В. Н. Щелкачевым введен комп^: лексный параметр — коэффициент упругоемкости р;

У Р = Рг + "ф_ж, (1.15)

где т — пористость пласта.

Тепловые свойства горных пород характеризуются удельной теплоемкостью с, коэффициентами температуропроводности а, теплопроводности Я и линейного расширения <x_L- Значения этих

Таблица 1.1

Параметры теплофизических свойств некоторых горных пород, нефти и воды

Горная порода	Коэффициент теплопровод­ности X, Вт/(м-К)	Удельная теплоем­кость с, кДж/(кг- К)	Коэффициент температуропро­водности а -10*. м7с	Коэффициент линейного расширения az-105. 1/К
Глины Песчаник плотный Известняк Нефть Вода	0,99 1,27-4-3,01 2,18 0,139 0,582	0,755 0,838 1,1 2,1 4,15	0,97 1,39 (0,5-М ,2) (0,069 -0,086) 0,14	0,5 (0,5-0,89) *

параметров для некоторых пород, нефти и воды приведены в табл. 1.1.

Теплопроводность горных пород по сравнению^ металлами очень низка, и поэтому для прогрева на 50—60 °С пород при-забойной зоны на глубину 2—3 м нагревательные приборы на забое выдерживают в течение десятков часов. Теплопровод­ность возрастает при сочетании тепловой обработки пласта с ультразвуковым воздействием на него за счет развивающе­гося при этом конвективного переноса тепла через жидкую среду, заполняющую псры.