1.8. Механические свойства горных пород.

Многие процессы, происходящие в пласте при его вскрытии и влияющие на ряд процессов в период разработки и эксплуатации месторождений, связаны с механическими свойствами горных пород - упругостью, прочностью на сжатие и разрыв, пластичностью.

Упругость горных пород. Упругостью горных пород называют изменение объема породы под действием давления. Под действием давления порода сжимается, а при снятии давления расширяется. При расширении породы жидкость начина­ет вытесняться из пор. Упругие свойства пород влияют на перераспределение давления в процессе эксплуатации.

О величине упругих деформаций породы судят по коэффициенту объемной упругости, который определяется опыт­ным путем с последующим расчетом по формуле:

p=^V^Vo-\P) (1.11)

где р - коэффициент объемной упругости породы, 1/Па, l^Vnop изменение обапор в оазце породы при изменении давления на АР, м³; Vy - объем образца породы, м³.

Коэффициент объемной упругости определяет в относительных величинах изменение объема при изменении давле­ния на 1 Па.

Лабораторные и промысловые исследования показывают, что величина коэффициента объемной упругости для неф-тесодержащих пластов изменяется от 0,3-Ю"¹⁰ - 2-Ю'¹⁰ Па''. Коэффициент объемной упругости используется в расчетах по исследованию скважин, а также при математическом описании процессов фильтрации жидкости (газа) в пластах при изме­няющихся давлениях.

Прочность горных пород - это сопротивление их механическому разрушению (сжатию и растяжению). Прочность пород при растяжении во много раз меньше, чем при сжатии. Прочность известняков на сжатие составляет 50-180 МПа, пес­чаников - 15-20 МПа. Прочность известняков уменьшается с увеличением в них глинистых частиц. Песчаники с известко­вым цементом имеют наименьшую прочность на сжатие. При увеличении плотности пород прочность их на сжатие возрас­тает. Прочность известняков и песчаников после насыщения их водой уменьшается на 20-45 %.

Пластичность горных пород - это способность пород деформироваться под большим давлением без образования трещин или видимых нарушений. Пластичность проявляется на большой глубине. На большой глубине твердая порода мо­жет "вытекать" в скважину под действием высокого горного давления вышележащих пород. Образование складок в земной коре с плавными изгибами, вогнутостями и выпуклостями также обусловлено пластическими свойствами горных пород.

1.9. Тепловые свойства горных пород и насыщающих их флюидов.

Тепловые свойства горных пород и насыщающих их жидкостей необходимо знать при проектировании различных методов теплового воздействия на призабойную зону скважин и пласт в целом. Тепловые свойства горных пород и жидко.-

стей зависят от многих факторов: температуры, давления, пористости, водонасыщенности и минералогического состава по­роды и насыщающих жидкостей.

В таблице 1.1 приводятся некоторые обобщенные результаты исследований теплофизических свойств карбонатных и терригенных пород по результатам лабораторных исследований.

Таблица 1.1

Средние значения теплофизических свойств горных пород

Горные породы	Средняя плотность,	Коэффициент тем­	Коэффициент теп­	Удельная теплоем­
	Ю^м3	пературопроводно­сти, 10 м^с	лопроводности, Вт/(м-К)	кость, кДж/(кг-К)
Карбонатные породы
Доломиты	2,753	9,95	2,11	0,802
Известняк	2,714	9,6	2,2	0,851
Известняк глинистый	2,644	9,05	1,96	0,844
Терригенные породы
Аргиллиты	2,555	9,94	2,25	0,838
Алевролиты глинистые	2,55	10,8	2,22	0,795
Песчаники:
нефтенасыщенные	2,198	11,57	1,7	0,737
водонасыщенные	2,3	12,8	2,46	0.84

Эти результаты указывают на существенное отличие пород по теплофизическим свойствам, поэтому знание литоло-го-петрофизических особенностей пород, слагающих нефтепродуктивный пласт, определяет правильность выбора теплофи­зических коэффициентов. Кроме того, следует помнить, что результаты исследований теплофизических свойств пород, при­водимые в таблице 1.1, выполнены при комнатной температуре (20 °С). Для их пересчета на пластовые температуры можно пользоваться формулой:

(1.12)

где /lo - коэффициент теплопроводности при температуре То; К - поправочный коэффициент, К = (1-5)-10' ; То - тем­пература, при которой проведены лабораторные эксперименты; Т - пластовая температура.

Исследованиями установлено, что слоистые породы имеют разные коэффициенты теплопроводности по напластова­нию и перпендикулярно к нему. Коэффициент вдоль напластования на 30-35 % выше, чем перпендикулярно к нему.

Изменение теплофизических свойств горных пород от давления несущественное. Так, например, при увеличении давления на 100 МПа теплопроводность известняка изменяется только на 0,1 %, поэтому при выборе теплофизических пара­метров для расчетов предварительно подлежат изучению литолого-петрографические характеристики пород с учетом их фи­зического состояния по давлению, температуре, нефтегазоводонасыщенности и др.

Удельная теплоемкость горных пород возрастает с уменьшением их плотности, она зависит от минералогического состава и не зависит от строения, структуры и дисперсного состояния минералов. Установлено, что с увеличением влажно­сти и температуры теплоемкость пород возрастает.

Теплопроводность и температуропроводность горных пород по сравнению с металлами очень низка. Поэтому для прогрева на 60-70 К пород призабойных зон скважин даже на небольшую глубину (2-3 м) необходимо выдерживать нагрева­тельные приборы в течение нескольких суток. Теплопроводность горных пород, заполненных нефтью и водой, значительно повышается за счет конвективного переноса тепла жидкой средой. По этой причине для усиления прогрева пород пласта и увеличения глубины прогрева забой скважины одновременно подвергается ультразвуковой обработке, в результате чего ус­коряется процесс передачи тепла за счет конвекции, возникающей вследствие упругих колебаний среды, температуропро­водность горных пород повышается с уменьшением пористости и с увеличением влажности. В нефтенасыщенных породах она более низка, чем в водонасыщенных, так как теплопроводность нефти меньше, чем воды. Теплопроводность пород прак­тически не зависит от минерализации пластовых вод.

Кроме характеристик породы температурные условия в стволе и пласте предопределяются также теплофизическими свойствами нефти, воды и газа. В таблице 1,2 приведены средние значения теплофизических свойств нефти и воды при стан­дартных условиях (20 °С и 0,1 МПа).

Таблица 1.2

Средние значения теплофизических свойств нефти и воды

Показатели	Нефть	Вода
Теплопроводность, Вт/(м-К)	0,139	0,582
Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К)	2,1	4,15
Температуропроводность, м /с	0,069-0,086	0,14

Для проведения методов повышения нефтеотдачи (закачки влажного пара и внутрипластового горения) следует знать влияние температуры насыщения на теплофизические характеристики воды и водяного пара.