Напряженное состояние и устойчивость горных пород, окружающих скважину.

1. Горное и пластовое давление. Напряженное состояние горных пород в земной коре обусловлено давлением вышележащих пород и тектоническими процессами. При отсутствии тектонических движений на участке земной коры напряженное состояние горных пород можно охарактеризовать двумя компонентами в цилиндрической системе координат: и .

Вертикальные напряжения обусловлены массой вышележащих горных пород.

где - средняя плотность горных пород; - ускорение свободного падения; - глубина залегания горных пород.

Горные породы нагруженные вертикальным давлением, не могут свободно деформироваться радиальном направлении. Из условия в соответствии выведенной нами формулой.

получим, то

;

где

- коэффициент бокового давления.

В результате релаксации в земной коре напряжения выравниваются . Это значить, что горные породы находятся в условиях равномерного всестороннего сжатия т.е. среднее нормальное напряжение ;

Если принять , то при

-

- и т.д.

Вертикальную составляющую горного давления называют геостатическим или полным горным давлением, а горизонтальную составляющую - боковым давлением.

Пористые горные породы всегда насыщены жидкостью или газом (флюидом). В пластах-коллекторах давление флюида принято называть пластовым , а в глинистых толщах – поровым.

Любой флюид (вода, газ, нефть) – как на поверхности, так и в толще пород – будет перемещаться по пути наименьшего сопротивления, т.е. по наиболее простому, вдоль пласта породы-коллектора. Скорость, с которой флюиды могут просачиваться сквозь породу, называется проницаемостью породы, а процесс перемещения нефти и газа под углом вдоль коллектора – миграцией.

В процессе миграции вдоль пласта газ или нефть могут попадать в ловушку, т.е. наиболее высокую точку породы-коллектора. Здесь они задерживаются и накапливаются.

В ловушке флюиды размещаются в соответствии с их плотностью. Газ имеет наименьшую плотность, поэтому он поднимается вверх и образует газовую шапку. Нефть перемещается в середину, образуя природный нефтяной резервуар. Соленая вода, как наиболее тяжелая, перемещается вниз.

Рисунок В.2. Нефтяная ловушка

В нормальных условиях на глубине давления флюидов приблизительно равно гидростатическому давлению воды, т.е. . Для характеристики гидрогеологических условий бурения удобно пользоваться относительным пластовым или поровым давлением :

В нормальных условиях . Если , то имеется аномально высокое пластовые (АВПД) или поровое АВПоД) давление. Вероятность встречи с АВПД при увеличении глубины бурения возрастает. АВПД наиболее широко распространено в районах активной тектонической деятельности и в районах с соляно-купольной тектоникой. Если , то пластовое давление (АНПД) аномально низкое.

В практике бурения широко используется понятие градиентов давления, равных отношению давления к глубине залегания пород. Например, градиенты горного и пластового или порового давлений grad ; grad . При г/см³, и г/см³ (минерализованная вода) градиенты соответственно равны. grad МПа/м; grad

Естественное напряженное состояние горных пород при вскрытии их скважиной существенно изменяется. Горная порода в объеме скважины замещается промывочной жидкостью, находящейся под давлением:

где - плотность промывочной жидкости; - давление жидкости на устье скважины (при бурении под давлением); - технологические колебания давления в скважине (работа бурового насоса, спуск или подъем бурильного инструмента).

Давление в скважине в общем случае не равно пластовому. В пористых проницаемых породах вокруг скважины образуется переходная зона, в которой давление насыщающей жидкости изменяется от давления в скважине (у стенки) до естественного пластового давления (на некотором удалении от стенки).

Таким образом, горные породы, окружающие скважину, находятся в сложном напряженном состоянии, причем преобладают напряжения сжатия. С увеличением глубины среднее напряжение в горных породах увеличивается.