12.2. Взаимодействие горных пород и насыщающих их жидкостей
Поровое пространство горных пород, а также имеющиеся в породах трещины, каверны и другие полости в естественных условиях, как правило, бывают заполнены жидкостями или газами.
Эти подвижные вещества, насыщающие горные породы, находятся под давлением. В горных породах в свою очередь имеются напряжения. Любое изменение давления жидкости или газа, а также нагрузок на горные породы нарушает имеющееся в данный момент времени соотношение между давлением и напряжениями. Другими словами, между породами и насыщающими их веществами существует механическое взаимодействие.
Возьмем образец пористой среды (рис.12.2), покрытый непроницаемой оболочкой и поместим его в среду, создающую вертикальное и горизонтальное давления (жидкость).
Рис. 12.2. Действие усилий на образец пористой горной породы
Внутрь образца подводится по трубке жидкость, имеющая давление р. В материале образца соответственно возникают горизонтальные и вертикальное напряжения. Если изменить давление жидкости, оставив неизменными внешние нагрузки на образец, то это вызовет изменение напряжений в материале образца. Напряжения в образце пористого тела, показанного на рис.12.2, являются эффективными напряжениями действующими на единичную площадку пористого тела в целом, включая как зерна, так и пустоты. Эффективные напряжения вызывают изменение конфигурации скелета пористой среды; при определенном значении эффективных напряжений может произойти разрушение пористой среды.
Вернемся теперь к поставленному выше вопросу о количественной взаимосвязи между внутрипоровым давлением р, эффективными напряжениями и полными напряжениями. Эффективные напряжения в пористом теле могут быть равны нулю. Вряд ли можно ожидать разрушения материала пористой среды под действием внутрипорового давления р. Уменьшение внутрипорового давления р в образце на какую-то величину при неизменном полном напряжении приводит к увеличению эффективного напряжения на такую же величину.
При деформации пористых и проницаемых пород в процессе фильтрации содержащихся в них жидкостей или газов на каждый элементарный объем пористой среды действует соответствующая компонента градиента давления жидкости или газа.
Будем также учитывать наличие обсадной стальной трубы (колонны) в скважине. Внешняя поверхность трубы скреплена с породами пласта при помощи цемента. В целях упрощения задачи будем считать свойства цемента и свойства пород одинаковыми. Примем также, что жидкость не оказывает давления на обсадную трубу, поскольку она перфорирована и, следовательно, очень хорошо проницаема. Деформацию обсадной трубы будем считать упругой. Очевидно, что в рассматриваемом случае каждому значению нормального напряжения в горных породах, действующего на трубу, будет отвечать определенное значение смещения горных пород вблизи трубы (рис. 12.3).
Рис. 12.3. Действие градиентов давления на породы пласта вокруг
Ствола обсаженной скважины:
1 — обсадная труба; 2 — цементное кольцо; з — породы пласта
Для той части задачи, которая касается фильтрации, примем следующую схему с определенным приближением соответствующую случаям закачки в пласт жидкости с вязкостью, намного превышающей вязкость пластовой жидкости, или при приближенном рассмотрении неустановившейся фильтрации при упругом режиме.
В первом случае, труба оказывает малое влияние на деформацию пласта и можно считать пласт как бы не обсаженным. Во втором случае, когда пласт сложен мягкими породами (алевролитами, глинами и т. д.), уже нельзя не учитывать наличия обсадной трубы в скважине при рассмотрении деформации горных пород. Если породы обладают большим модулем упругости, то при нагнетании жидкости в пласт обсадная труба будет деформироваться в той же степени, что и породы пласта, и напряжение, отрывающее трубу от цемента, будет сравнительно невелико. Наоборот, если породы имеют меньший модуль упругости, отрывающее напряжение, может достичь значительной величины.
Представляет интерес описание пластической деформации горных пород под действием градиентов давления фильтрующейся жидкости. Известно, что при проходке и эксплуатации нефтяных и газовых скважин создание определенных градиентов давления жидкости в каком-либо пласте, сложенном глинистыми или плохо сцементированными песчаными породами, приводит к тому, что породы разрушаются, «плывут».
Наличие градиентов давления жидкости в пласте при фильтрации из пласта в скважину как бы уменьшает коэффициент пластичности и способствует большему распространению пластической деформации неустойчивых пород вблизи скважин.
Перейдем к вопросу механического взаимодействия горных пород и фильтрующейся жидкости при упругом режиме пластов. На движение жидкости, насыщающей горные породы, оказывает влияние деформация пород — в этом, собственно, и заключается одна из особенностей упругого режима нефтеводоносных пластов.
Прежде всего необходимо показать, каким образом деформируются породы в процессе движения в них жидкости. Как следует из сказанного выше, эта деформация возникает в основном от двух причин: от изменения эффективных напряжений в породах в результате изменения давления жидкости на контакте кровля - пласт и от действия на породы градиентов давления фильтрующейся жидкости. Поясним более подробно, что это – разные причины.
Эффективные напряжения в породах могут появиться как при наличии, так и при отсутствии движения жидкости. Градиенты давлений действуют на горные породы только при наличии движения жидкости. Деформацию пород от действия эффективных напряжений, возникающих из-за появления контактных усилий на границе пласта с кровлей и подошвой, и деформацию от действия градиентов давления фильтрующейся жидкости нужно учитывать раздельно. Поэтому, в принципе, в каждом отдельном случае деформация горных пород по-разному влияет на процесс фильтрации жидкости.
На тех глубинах, где в настоящее время разрабатываются месторождения полезных ископаемых и, в частности, нефтяные и газовые месторождения, породы – коллекторы нефти и газа можно во многих практических случаях считать упругими. При переходе же на большие глубины, а также в тех случаях, когда давление насыщающей породу жидкости близко к горному давлению и, следовательно, сами породы в естественных условиях слабо нагружены, они будут большей частью деформироваться пластически, необратимо, а также будут проявлять свойства текучести.
При упруго-пластическом режиме пластическая деформации самой породы в каждом элементарном объеме происходит мгновенно, т. е, текучести породы не наблюдается.
12.3. Деформации горных пород на больших глубинах
Следует подчеркнуть чрезвычайно важную реологическую роль кварца в песчаниках и кварцсодержащих кристаллических породах. Уже при температурах 260-290°С он начинает терять свою прочность и испытывает пластические деформации даже при небольших (меньше 1 МПа) напряжениях. Наличие воды в зонах глубинной гидрогеологической инверсии, влечет за собой снижение лимита текучести на 40-80°С. Граница между зонами хрупкой и пластической реологии во время деформации земной коры любой природы становится поверхностью срыва и именно благодаря этому приобретает значение сейсмической границы. Глубина ее залегания в зависимости от конкретных геотермодинамических условий варьирует от 7 до 15 км. Наблюдаются сопутствующие поверхности, отображающие ступенчатый характер изменения реологических свойств пород фундамента.