3.3 Неоднорідність гірських порід

Анізотропними називають тіла, в яких показники властивостей однакові в паралельних і неоднакові в непаралельних напрямах.

Тіла, що мають однакові показники властивостей в усіх напрямах називають ізотропними.

Породи впорядкованих текстур є, як правило, анізотропними. Властивості порід невпорядкованої текстури (наприклад, масивно-кристалічних) є приблизно однаковими в усіх напрямах. В задачах механіки гірських порід такі породи можна розглядати як квазіізотропні.

Через те, що більшість осадових гірських порід є полімінеральними, і, як правило, ніяких закономірностей в розподілі окремих мінералів в них немає, гірські породи є тілами неоднорідними за мінералогічним складом.

В своїй більшості гірські породи різнозернисті, причому зерна в загальній масі розподілені випадково. В одному місці сконцентровані, наприклад, великі зерна, а інших – дрібні чи середнього розміру. Це є причиною неоднорідності порід за розподілом мінеральних частин в їх масі.

Розподіл пор в масиві порід також має випадковий характер як за розміром, та і за формою і мірою сполученості. Помічено, що в площині залягання пластів пори з’єднані краще, ніж по підняттю пластів. Таким чином, породи неоднорідні і за пористістю.

При динамічних і фізико-хімічних процесах, що відбуваються в земній корі, в породах виникають тріщини, різні як за величиною, так і за напрямом. Їх розподіл в масиві випадковий, тому гірські породи неоднорідні і за тріщинуватістю.

Ущільненість порід залежить від глибини їх залягання: чим глибше залягає порода, тим вона більше ущільнена. Крім того, ущільнення порід залежить від характеру складчастості і розташування на структурі – на крилах складок породи більш ущільнені, чим в склепінні.

Природно, що вплив неоднорідностей на деформування конкретних об’єктів неоднозначний. Ступінь впливу тієї чи іншої неоднорідності визначається співвідношенням розмірів структурних блоків і геометричних параметрів об’єктів, що деформуються. Неоднорідності суттєво впливають на деформування гірничого об’єкту, якщо його масштаб співрозмірний з розмірами блоків, утворених структурними неоднорідностями.

Отже, неоднаковість показників властивостей гірських порід залежно від абсолютних геометричних розмірів ділянок породного масиву, зумовлена проявом різних неоднорідностей, називають масштабним ефектом.

Неоднорідність порід суттєво впливає на їх поведінку при проведенні гірничих робіт. Неоднорідність порід і анізотропія властивостей утруднює вибір загальних моделей, отримання аналітичних залежностей, які адекватно і задовільно описують механічні процеси.

4 Пластові Флюїди

4.1 Загальна характеристика пластових флюїдів

До пластових флюїдів відносяться нафта, природний газ та пластова вода.

Нафта − це суміш різних вуглеводневих та не вуглеводневих (гетероатомних) сполук. У нафті присутні вуглеводні метанового, нафтенового і ароматичного рядів, які вміщують кисневі, сірчисті та інші сполуки. Співвідношення основних вуглеводневих сполук може бути різним.

Метанові або парафінові вуглеводні (СпН_2п+2) представлені газами (СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈, С₃Н₁₀) в нормальних умовах, рідинами (С₅Н₁₂ … С₁₅Н₃₂) і твердими тілами (С₁₆Н₃₄, …). Парафінові вуглеводні можуть мати або нормальну − у вигляді нерозгалуженого ланцюжка, або ізотермічну − у вигляді розгалуженого ланцюжка будову.

Нафтенові вуглеводні (поліметиленові, циклопарафіни, циклани) мають циклічну будову. Прості моноциклічні сполуки мають загальну формулу С_пН_2п . У нафті переважно зустрічаються вуглеводні з п’яти- і шестичленною структурою. У фракціях нафти з високою температурою кипіння трапляються також поліциклічні вуглеводні ( С_пН_2п-2 і С_пН_2п-4), які складаються з 2−4 циклів. Більшість нафтенових вуглеводнів − рідини, лише високомолекулярні вуглеводні є твердими тілами.

Ароматичні вуглеводні також поділяють на моноарени (бензол і його гомологи С_пН_2п-6) та поліарени (С_пН_2п-12, С_пН_2п-18 , С_пН_2п-24). Наявність одного чи більше бензольних кілець у ароматичних вуглеводнів дає змогу їм приєднувати (заміщенням атому водню) інші радикали.

Невуглеводневі сполуки нафти − це, в основному, органічні сполуки кисню, сірки і азоту. Кисень в нафті утворює кілька груп сполук: нафтові (нафтенові і жирні)кислоти, феноли і кетони. Найпоширеніші нафтенові кислоти, які є похідними нафтенових вуглеводнів, де атом водню заміщений на карбоксильну групу СООН.

Сірка в нафті може зустрічатися в малих кількостях у вільному стані, у вигляді розчиненого в нафті сірководню і в органічних сполуках. Вміст сірки в сполуках в 10−12 разів перевищує загальний вміст самої сірки. Серед сполук сірки відомі меркаптани, сульфіди, дисульфіди та циклічні сполуки (тіофани і тіофени).

Меркаптани (тіоспирти, тіоли) − це сполуки, у яких до вуглеводневого радикала приєднано групи SH. Сульфіди (тіоефіри, тіоалкани) мають будову типу R−S−R, де R − радикал метанового або ароматичного ряду вуглеводнів. Дисульфіди мають будову R−S−S−R. Тіофани і тіофени є циклічними сульфідами, де в кільці один атом вуглецю заміщений на атом сірки.

Сполуки сірки в нафті вважаються шкідливими домішками, які знижують якість продуктів переробки, викликають корозію і отруюють повітряний басейн.

Серед азотних сполук виділяють нейтральні (аміни, піридини, хіноліни) та основні (індоли і карбазоли, окремі піроли).

Смоли і асфальтени є найскладнішими сполуками нафти, де вуглеводневі радикали пов’язані між собою, а також із сіркою. Киснем і азотом. Вміст смолисто-асфальтенових речовин у нафті коливається в межах від 1−2 % до 60−70 %. Молекулярна маса смол становить 500−1000 г/моль, а асфальтенів 1000−6000 г/моль. Смоли мають напіврідку консистенцію, а асфальтени є порошкоподібними нерозчинними у легких вуглеводнях речовинами. Смол у нафті значно більше, ніж асфальтенів. Під дією різних факторів (при нагріванні, під дією світла тощо) можуть перейти в асфальтени.

Газові конденсати за складом аналогічні нафтам, однак у них відсутні асфальтени і мало смол.

За переважаючим вмістом тих або інших вуглеводнів нафти поділяють на групи: метанові, метано-нафтенові, нафтенові, метано-нафтено- ароматичні і нафтено-ароматичні.Є також інші класифікації нафт: за вмістом твердих парафінів − малопарафінові (до 1,5 %), парафінові (1,5−6 %) і високопарафінові (понад 6 %); за вмістом сірки − малосірчасті (до 0,5 %), сірчасті (0,5−2 %) і високосірчасті (понад 2 %); за вмістом смолистих речовин слабо смолисті (до 8 %), смолисті (8−28 %) і сильно смолисті (понад 28 %) і т. ін.

Природний газ − це суміш різних, головним чином вуглеводневих газів: метан (СН₄), етан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₂₀) та ін. Основною складовою частиною природного газу є метан, вміст якого зазвичай перевищує 80−90 % і досягає 97−99 %. Тільки в газах, розчинених у нафті, частка метану може зменшуватися до 60 % і менше. Домішками до вуглеводневих газів можуть бути азот, водень, сірководень, вуглекислий газ та інертні гази (гелій, аргон та ін.).

Гази, які вміщують в 1 м³ понад 100 г важких вуглеводневих газів (етан, пропан та ін.), називають "багатими", а менше 100 г − "сухими".

Хімічний склад газів залежить від типу родовища, з якого його видобувають.

Вода в гірських породах може перебувати у зв’язаному та вільному станах. Залежно від природи зв’язуючих сил поділяють на капілярно зв’язану, в якій переважають капілярні сили; адсорбційно зв’язану, яка утримується на поверхні скелета породи; зв’язану плівково, що покриває гідрофільні ділянки поверхні скелета породи. Зв’язана вода суттєво впливає на характер рідин і газів у пластах.

Вільну пластову воду за розміщенням відносно нафтогазоносних горизонтів називають верхньою, якщо вона насичує пласт, розташований вище продуктивного; нижньою, якщо насичує пласт, розташований нижче продуктивного; проміжною, якщо насичує пропласток у продуктивному пласті; підтстилаючою або крайовою, якщо вона наповнює води колектора під нафтовим (газовим) покладом, або довкола нього. У нафтовій (газовій) частині пласта завжди вміщується вода, яка збереглася з часу утворення покладу і називається залишковою або реліктовою.

Характеристика пластових вод визначається загальною мінералізацією води, вмістом основних іонів та деякими іншими показниками.

Загальна мінералізація води визначається сумарним в ній хімічних елементів , їх сполук і газів. У залежності від ступеня мінералізації, який оцінюють за сухим залишком після випаровування води при температурі 105−110 °С, пластові води поділяють на прісні, з вмістом солей менше 1 г/л; слабосолоні з вмістом солей 1 − 5 г/л; солоні 5 −10 г/л; сольові 10 − 50 г/л і розсоли з вмістом солей понад 50 г/л.

Основними іонами в природних водах є аніони Cl⁻, HCO⁻₃, CO²⁻₃, SO^2-₄ і катіони Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺. Інші належать до числа мікрокомпонентів, найважливішими з яких є J⁻, Br⁻, NH⁺₄. Залежно від переважного вмісту тих чи інших іонів пластові води поділяють на сульфатно-натрієві, гідрокарбонатно-натрієві, хлормагнієві і хлоркальцієві. Кожен з цих типів вод підрозділяється на групи: гідрокарбонатні, сульфатні, хлоридні.

Для пластових вод нафтогазових родовищ характерний підвищений вміст іонів йду, брому, амонію і нафтенових кислот. За хімічним складом це хлоркальцієві розсоли із загальною мінералізацією 50 г/л і більше. Води нафтових родовищ бувають кислими і лужними гідрокарбонатно-натрієвого, а інколи хлоридно-сульфатно-натрієвого складу. Пластові води вміщують розчинений газ ( природний газ, азот, вуглекислий газ).