Ответы ЭКЗ Лосев РГУНГ
.pdf
Современные нефтегазовые технологии
Вопросы к экзамену 2025
1.Для чего необходимо геомеханическое моделирование?
Нефтегазовая геомеханика – инженерная дисциплина, позволяющая
количественно описать реакцию горной породы на изменение напряжения,
давления, температуры и др.
Разработка комплексной геомеханической модели пласта (и
вышележащих формаций) обеспечивает основу для решения широкого круга проблем, возникающих в течение всего цикла разработки месторождения углеводородов. Геомеханика охватывает вопросы, возникающие во время разведки и оценки месторождений, такие как прогноз порового давления,
нефтенасыщенных интервалов и возможность активации (или проницаемости)
разломов, во время проектирования разработки месторождения, когда инженеры должны добиться стабильности стволов скважин путем определения оптимальной траектории, конструкции скважин, программы использования буровых растворов, а геологи — прогнозировать анизотропию проницаемости на месторождениях с трещинным типом коллекторов, во время освоения и разработки месторождения, когда требуется выбор оптимальных методик заканчивания скважин, прогноз изменений характеристик залежи в процессе добычи и оценка технологий, таких как повторный гидроразрыв для оптимизации общей добычи и во время вторичных и третичных фаз повышения добычи путем оптимизации заводнения пласта и воздействия паром.
Касаемо бурения, цель: разработка рекомендаций для безаварийного бурения скважин, исключение рисков нестабильности, минимизация осложнений, снижение непродуктивного времени, повышение эффективности строительства скважины.
2. Что такое тензорная величина?
Тензорная величина – совокупность напряжений, действующих на трёх взаимно перпендикулярных гранях параллелепипеда – три нормальных напряжения, 6 касательных напряжений.
В терминах механики сплошных сред напряжение, действующее на однородное изотропное тело на глубине, описывается как тензор второго порядка с девятью компонентами.
Тензор напряжений может быть определен в любой координатной системе, ориентированной произвольным образом. В произвольной системе координат тензор напряжений описывается 9 величинами. В трех ортогональных плоскостях действует одно нормальное и два сдвиговых напряжения. Тензор главных напряжений описывается 3 величинами, все сдвиговые напряжения равны нулю, а нормальные напряжения максимальны
3. Что такое напряжение, деформация?
Напряжение — это тензор, который описывает плотность сил,
действующих на все поверхности в точках приложения. В терминах механики сплошных сред напряжение, действующее на однородное изотропное тело на глубине, описывается как тензор второго порядка с девятью компонентами.
Деформация – это тензорная величина, объясняющая изменение размеров и формы тела (или части тела) под действием внешних сил относительно изначальных размеров и формы. Она может быть нормальная и сдвиговая.
Нормальная отвечает за изменение размера тела, сдвиговая – за изменение формы тела.
В отличие от напряжения деформацию можно увидеть.
4. Главные, нормальные и касательные напряжения и деформации.
Главные напряжения — это нормальные напряжения, действующие по главным площадкам, то есть площадкам, на которых отсутствуют касательные напряжения. В каждой точке тела имеются, по крайней мере, три главные площадки, причём они всегда взаимно перпендикулярны. Главные напряжения принято обозначать так, чтобы наибольшее из них
(алгебраически) имело индекс «1», а наименьшее — индекс «3».
Нормальные напряжения обозначают буквой σ с индексом,
соответствующим нормали к площадке, на которой они действуют.
Растягивающее нормальное напряжение принято считать положительным, а
сжимающее нормальное напряжение — отрицательным.
Касательные напряжения обозначают буквой τ с двумя индексами:
первый соответствует нормали к площадке, а второй — направлению самого напряжения (или наоборот).
Деформации, возникающие в точке тела, когда на гранях элемента действуют нормальные и касательные напряжения, включают относительные линейные деформации и угловые деформации. Совокупность относительных удлинений и углов сдвига для любых направлений, проведённых через точку тела, называется деформированным состоянием в точке.
5. Эффективные и общие напряжения, принцип Терцаги, константа Био.
Принцип гласит: когда к пористому материалу прикладывается напряжение, ему противодействует давление жидкости, заполняющей поры в
материале. Принцип Терцаги хорошо применим к пористым материалам,
твердые составляющие которых являются несжимаемыми.
Эффективное напряжение — это та часть внешней нагрузки полного напряжения, которую воспринимает сама горная порода. Оно находится как разность приложенного на грунт напряжения и порового давления, которые являются общими. Терцаги впервые применил это понятие к поведению грунтов под воздействием как напряжений извне, так и порового давления,
действующего внутри порового объема:
Pр – поровое давление; σ – напряжение, приложенное к горной породе; σ’ – эффективное напряжение.
Коэффициент Био — это параметр пороупругой среды, связывающий поровое давление и напряжения в материале. Он показывает, какую часть порового давления нужно учесть при расчёте эффективных напряжений.
|
6. |
Закон Гука. |
|
F=k* |
x – Закон Гука. |
||
A – площадь, на которую действует сила
7. Предел упругости, предел прочности, упругость, пластичность.
Предел упругости — максимальное напряжение, которое материал способен выдержать без пластической деформации, остающейся после полного снятия напряжения. (т.е. максимальное напряжение после которого тело уже не способно вернуться в изначальное состояние)
Предел прочности — механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала. Иначе говоря, это пороговая величина,
превышая которую механическое напряжение разрушит тело из конкретного
материала.
Пластичность — способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации. Другими словами, это свойство твёрдых тел под действием определённых механических нагрузок необратимо изменять свои размеры и форму (пластически деформироваться) без разрушения.
8. Модуль Юнга, коэффициент Пуассона.
Модуль Юнга – способность сопротивляться сжатию/растяжению при упругой деформации
9.Критерий разрушения Мора-Кулона, круг Мора.
Критерий Кулона-Мора основан на предположении, что прочность
зависит, главным образом, от величины и знака наибольшего 1 и наименьшего3 главных напряжений
Основой для построения кругов Мора являются напряжение сдвига τf и
эффективное нормальное напряжение (σn = Sn−Pp) на трещинах, которые формируются в процессе разрушения (τf и σn вычисляются из формул, в
которых используются σ1, σ3 и β). Эффективные главные напряжений σ1 и σ3 –
два перпендикулярных друг другу напряжения – осевое и обжимающее;
наибольшее и наименьшее на круге Мора; β – угол, под которым развиваются трещины в образце.
С’ – когезия (сцепление) – (от латинского cohaesiō «сцепление,
единство») – это действие или свойство взаимного притяжения одинаковых молекул. Это внутреннее свойство вещества, обусловленное формой или структурой его молекул.
По результатам серии трёхосных испытаний (при различных эффективных прилагаемых давлениях) эмпирически определяют огибающую
разрушения Мора–Кулона, которая характеризует комбинацию боковых давлений, при которых происходит разрушение горной породы.
(то есть эта фиолетовая линия строится на основании нескольких трёхосных испытаний породы, в которых минимальное и максимальное напряжение имели разные значения)
(Выбирается некоторое обжимное напряжение и постепеннно увеличивается напряжение на сжатие до разрушения образца. Затем по этим напряжениям строится круг Мора, и так несколько раз с разными обжимными напряжениями)
Допустимая комбинация напряжений (по кругам Мора) соответствует величинам, при которых не происходит пересечения с огибающей разрушения Мора–Кулона. Состояние напряжений, которое описывает породу во время разрушения, соответствует точке касания круга, огибающей разрушения.
Состояние напряжений, соответствующее кругам Мора с превышением критической огибающей, характеризует разрушенную породу.
10.Паспорт прочности.
Паспорт прочности горных пород — это графическое представление объёмной прочности горных пород в форме огибающей главных кругов Мора,
построенной по результатам (трёхосных) испытаний прочностных свойств пород. Он позволяет оценить условия разрушения пород в различных напряжённых состояниях.
Напряжённое состояние – это совокупность напряжений
(тектонических, гравитационных, гидростатических), действующих на горную породу в площадках, проходящих через точку твёрдого деформируемого тела.
Критерий Мора-Кулона демонстрирует, что чем выше перпендикулярные напряжения (выше напряжённое состояние – его тензор),
тем выше итоговая прочность горной породы.
11.Типы разрушения породы.
Типы разрушения горной породы:
Сдвиговое разрушение — это разрушение, вызванное большой разницей эффективного и девиаторного напряжения (средний случай между разрывом и уплотнением), при котором порода начинает скользить друг