Карбонатність гірських порід
Загальна кількість карбонатів відносять зазвичай до змісту вапняку (СаСО3), тому, що вуглекислий кальцій найбільш поширений в породах і становить основну частину перерахованих карбонатів. Визначення карбонатності порід проводять для з'ясування можливості проведення солянокислотного обробки свердловин з метою збільшення вторинної пористості і проникності привибійної зони, а також для визначення хімічного складу гірських порід, що складають нафтової пласт.
Карбонатність порід продуктивних пластів визначають в лабораторних умовах з керновому матеріалу газометріческіх методом.
Метод заснований на хімічному розкладанні солей вугільної кислоти під дією соляної кислоти і виміром обсягу виділився вуглекислого газу, що утворився в результаті реакції:
Пружність, міцність насжатіе іразрив, пластичність - найбільш важливі механічні властивості гірських порід, що впливають на ряд процесів, що відбуваються в пласті в період розробки та експлуатації родовищ.
Так, наприклад, від пружних властивостей гірських порід і пружності пластових рідин залежить перерозподіл тиску в пласті під час експлуатації родовища. Запас пружної енергії, що звільняється при зниженні тиску, може бути значним джерелом енергії, під дією якої відбувається рух нафти по пласту до вибоїв свердловин. Дійсно, якщо пластовий тиск знижується, то рідина (вода і нафта) розширюється, а порові канали звужуються. Пружність порід і рідин дуже мала, але внаслідок величезних розмірів пластових водонапірних систем в процесі експлуатації значна кількість рідини (пружний запас) додатково витісняється з пласта в свердловини за рахунок розширення обсягу рідини і зменшення обсягу пір при зниженні пластового тиску.
При розгляді фізичних властивостей гірських порід слід враховувати, що в залежності від умов залягання механічні властивості породи можуть різко змінюватися.
Основні фактори, що визначають фізико-механічні властивості породи, такі:
1) глибина залягання породи, що визначає величину тиску, яке відчуває породою від ваги вищерозміщених товщі (гірський тиск);
2) тектоніка району, що визначає характер і ступінь інтенсивності випробуваних породою деформацій;
3) стратиграфические умови залягання;
4) внутрішньопластове тиск і умови насичення пір рідинами.
Пружність - властивість гірських порід чинити опір зміні їх об'єму і форми під дією прикладених сил. Абсолютно пружне тіло відновлює первинну форму миттєво після зняття напруги.
Якщо тіло не відновлює первинну форму або відновлює її протягом тривалого часу, то воно називається пластичним.
верхніх порід і виникають в породі відповідні напруги знаходяться в умовах рівноваги. Складові цього нормального поля напружень мають таке значення.
де - вертикальна складова напружень; # 961; - щільність породи; - прискорення сили тяжіння; Н - глибина залягання пласта.
По горизонталі (в найпростішому випадку)
де п - коефіцієнт бокового розпору.
Величина п для пластичних і рідких порід типу пливунів дорівнює одиниці (і тоді горизонтальна напруга визначається гідростатичним законом), а для щільних і міцних порід в нормальних умовах, неускладнених тектонічно, коефіцієнт бічного розпору виражається в багатьох випадках частками одиниці.
Величина коефіцієнта бічного розпору і горизонтального тиску може бути наближено оцінена з наступного.
Відповідно до закону Гука відносна деформація тіла (відношення приросту того або іншого розміру тіла до первісної його величиною) е в межах пружних змін прямо пропорційна напрузі # 963; і обернено пропорційна коефіцієнту пружності Е, званому також модулем Юнга, т. е
У зв'язку з тим, що характер деформації тіла пов'язаний з напрямком напруги, ставлення поперечної деформації звуження або розширення () до поздовжньої деформації подовження або стиснення () називається коефіцієнтом Пуассона ().
Виділимо елементарний об'єм гірської породи (рис.). Відносна деформація, яку це тіло отримало б, наприклад, уздовж осі х при стисканні його трьома взаємно-перпендикулярними, рівномірно розподіленими силами, вираженими головними напруженнями (;), була б дорівнює
де E - модуль Юнга в Н / м 2; # 957; - коефіцієнт поперечної деформації (коефіцієнт Пуассона).
Eсли прийняти, що в процесі накопичення опадів відбувалося тільки стиснення порід у вертикальному напрямку, а в горизонтальному напрямку деформацій не відбувалося, то
Тоді, виходячи з рівняння (1.24), отримаємо
тобто коефіцієнт бічного розпору
Якщо прийняти для порід значення коефіцієнта Пуассона рівним # 957; = 0,3, то отримаємо
Формула (1.25) виведена для умов, коли справедливо припущення про відсутність деформацій пласта в горизонтальному напрямку і коли не враховується пластичність гірських порід. В умовах реальних пластів ці припущення не завжди справедливі, і в них тому можливі більш складні напружені стану гірських порід.
З появою свердловини змінюється напружений стан порід, так як відбуваються обурення в природному поле напружень. В глибині пластів породи всебічно стиснуті, а в міру наближення до свердловині вони будуть перебувати в умовах, близьких до одноосьовому стиску. В результаті пластичні породи (деякі глини і глинисті сланці) частково видавлюються в свердловину і видаляються в процесі буріння. В результаті вертикальне гірське тиск на породи нафтового пласта в районі свердловини виявляється частково зменшеним. При цьому в районі свердловини в простому природному поле напруг з'являється зона аномалій. У гірничій справі встановлено, що область аномалій, що має практичне значення, невелика; вона тільки в кілька разів перевершує розміри гірничої виробки.
Зі сказаного випливає, що гірські породи в продуктивних пластах можуть перебувати в умовах різного напруженого стану. Це треба враховувати при роботах, пов'язаних з впливом на пласт з метою руйнування порід привибійної зони і освіти штучної тріщинуватості, що проводяться для поліпшення притоку нафти в свердловини.
Важливе значення в процесі розробки нафтових і газових родовищ мають деформації порід, що відбуваються в процесі експлуатації родовища внаслідок зміни пластового тиску, яке може зменшуватися з часом і знову відновлюватися при штучних методах підтримки тиску в поклади.
Як уже згадувалося, гірська порода в пласті перебуває в складних умовах напруженого стану. При цьому вертикальні і горизонтальні напруги в основному не рівні між собою. Так як в більшості випадків істинний характер розподілу напружень в різних напрямках залишається невідомим, напруги в породі в глибоко залягають горизонтах оцінюють деякої середньою величиною, вважаючи, що на великій глибині вони не залежать від напрямку. На цій підставі середні напруги в скелеті породи оцінюють за законами гідростатики.
Уявімо собі елемент породи (рис.1.5), укладений в непроникну еластичну оболонку і відчуває гірничий тиск з, а в порах пласта, насиченого рідиною, - тиск р. До початку експлуатації поклади пластовий тиск рідини сприяє зменшенню навантаження, що передається на скелет породи від маси верхніх відкладень (якщо покрівля пласта непроникна). Тоді тиск на скелет породи (ефективне тиск)
де ргор - гірничий тиск, яке залишається постійним в процесі експлуатації поклади; рпл - пластовий тиск.
Під час вилучення нафти на поверхню пластовий тиск падає, і тиск на скелет порід РСК збільшується. Якщо потім збільшити рпл, тиск вищерозміщених порід на скелет пласта зменшиться. Найбільший інтерес для розробки і експлуатації нафтових родовищ представляє зміна обсягу порового простору пласта при зменшенні пластового тиску.
Встановлено, що при падінні пластового тиску обсяг порового простору пласта зменшується внаслідок пружного розширення зерен породи і зростання стискають зусиль, що передаються на скелет від ваги верхніх порід. При цьому зерна породи відчувають додаткову деформацію і пористість середовища зменшується також унаслідок перерозподілу зерен і більш щільною упаковки їх і зміни структури пористого середовища.
На величину обсягу пір впливають цементують речовини породи, що володіють іноді більшою пружністю, ніж зерна скелета, і беруть участь в процесі переукладання зерен породи.
Вважається, що основні зміни обсягу пір при зменшенні пластового тиску відбуваються внаслідок зростання стискають зусиль, що передаються на пласт від ваги верхніх порід.
Обсяг V зовнішнього скелета пористої середовища складається з обсягів твердої фази і порового простору і тому зі зміною в породах середнього нормального напруження і пластового тиску відбуваються пружні зміни всіх трьох згаданих величин. Тоді об'ємна деформація порід при всебічному стиску описується трьома коефіцієнтами стисливості, які доцільно визначати по наступних співвідношеннях:
де - коефіцієнти стисливості породи, пор і твердої фази.
Індекси при дужках вказують на умови визначення приватних похідних: при постійному тиску або постійної різниці напруг.
Об'ємна деформація колекторів в реальних умовах при всебічному стиску залежить одночасно від різниці і від тиску в порах. Ефективне напруга визначає деформацію зовнішнього скелета породи, а зміна тиску в пласті - деформацію твердої фази. Тоді, з урахуванням формул (1.29), (1.30) і (1.31) відносні сумарні пружні деформації скелета, пор і твердої фази будуть визначатися співвідношеннями
де - відкрита пористість колектора.
Між - існує наступна зв'язок
Дослідження показують, що для більшості вивчених порід нафтових родовищ зменшення або збільшення обсягу пір зі зміною пластового тиску відбувається відповідно до закону Гука
де V про - обсяг елемента пласта (або обсяг досліджуваного керна) в м 3; # 916; Vпор - зміна обсягу пір цього керна при зміні пластового тиску на # 916; р (в Па) в м 3; # 946; С - коефіцієнт об'ємної пружності пористого середовища в Па -1:
З формули (1.36) випливає, що коефіцієнт об'ємної пружності пористого середовища характеризує відносне (по відношенню до всього виділеного елементу обсягу пласта) зміна обсягу порового простору при зміні тиску на 1 Па.
За лабораторними і промисловим даним для порід нафтовмісних пластів встановлено, що # 946; С = (0,3 ÷ 2) 10 -10 1 / Па.