книги / Экспериментальная физика и механика горных пород

Рис. 4.45. Поперечные сечения образцов мрамора, испытанных в разных режи­ мах, с окрашенной зоной фильтрации.

фик зависимости Q— Р. Цифры возле точек обозначают соответ­ ствующие участки на кривых рис. 4.44. В расчетах площадь филь­ трации до Р = 4 МПа принималась равной размеру скважины. Точ­ ка 7, 9 получена с учетом изменившейся площади фильтрации вследствие образования трещины на длину окрашенной зоны. Дан­

при гидроразрыве в данной породе.

2.5 -

Рис. 4.46. Зависимость расхода флю­ ида при фильтрации его в стенки скважины и формирующейся трещи­ ны с ростом давления Р .

311

От точки 9 до точки 10 развитие трещины имело неустойчи­ вый, динамический характер. Время этого процесса составило доли секунды. Если учесть, что за такой промежуток времени фильтрация жидкости в стенки скважины и трещины принебрежимо мала, полученный на графиках рис. 4.44 прирост объема должен соответствовать объему раскрывшейся трещины. В дан­ ном случае он составил 0.02 см3. Без учета потерь на упругую деформацию стенок скважины, эксперименты по определению которых будут описаны дальше, общий баланс фильтрационных

Характер распределения составляющих баланса фильтрацион­ ных потерь сильно зависит от скорости подъема давления в сква­ жине. Особое значение это обстоятельство имеет для легкопрони­ цаемых материалов. На рис. 4.47 изображены диаграммы —Р

(а) и —t (б) для мрамора, отражающие процесс фильтрации воды при разных скоростных режимах подъема давления в сква­ жине на разных стадиях гидроразрыва. На участке 1—2 при под­ держании постоянного давления в скважине Р = 2.5 МПа осущест­ влялся установившийся процесс фильтрации с расходом Q = = 28 • 10"4 см 3/с. Объем гидравлических потерь в этом случае про­ порционален времени. В опыте за время t = 900 с объем поглощенной жидкости составил 0.25 см3. Изменение скорости подачи жидкости в скважину до Q = 7 • 10~* см 3/с привело к быст­ рому росту давления и реализации гидроразрыва. Общий объем поглощенной жидкости от точки 2 до точки 4 равен 0.05 см3, из

Рис. 4.47. Зависимости V(t6a— Р (а ) и — t ( б ) для мрамора при разной скоро­ сти нагнетания воды.

312

них на раскрытие трещины пошло 0.012 см 3. Баланс потерь выгля­ дит так: = 19 + 2.9 + 1 = 22.

Как показал опыт, величина критического расхода воды, пода­ ваемой в скважину, при котором возможно достижение давления гидроразрыва (Р1р) на мраморе, составляет примерно 5 • Ю'4 см 3/с. При поддержании неизменным расхода подачи жидкости в систе­ му Q < 5 • 10-4 см3/с можно полностью насытить жидкостью объем образца и не достичь эффекта гидроразрыва. Фотография такого полностью насыщенного окрашенной водой образца изображена на рис. 4.45, б. Поддержание высокой скорости нагнетания жид­ кости в скважину с самого начала процесса пздроразрыва приво­ дит к минимальным потерям. Зона фильтрации, образовавшаяся при длительности процесса около 5 с, проиллюстрирована на рис. 4.45, в. Баланс гидравлических потерь в этом случае такой: ^овш = 1 + 0.9 + 1 = 2.9.

Баланс гидравлических потерь в неменьшей степени зависит также от способности жидкости фильтроваться через породу. Гли­ церин, например, по сравнению с водой обладает высокой вязко­ стью и низкой проникающей способностью. На рис. 4.48 изобра­ жена зависимость —Р и — t, полученная при гидроразрыве образца мрамора глицерином. До точки 7 повышение давления со­ провождается небольшим приростом фильтрационных потерь, причем на каждом уровне давления (точки 1—6) фильтрация но-

сит затухающий характер. Точка 7 соответствует началу образова­ ния трещины разрыва. С этого момента общие гидравлические по­ тери связаны с продолжающейся фильтрацией через скважину, фильтрацией через изменяющуюся площадь поверхности трещи­ ны, а также с заполнением объема раскрывающейся трещины. Для того чтобы обеспечить постоянный уровень фильтрации (завися­ щий от давления), в эксперименте поддерживалось неизменным давление в скважине до тех пор, пока трещина разрыва не прибли­ жалась к наружной поверхности образца. Выделить гидравличе­ ские потери, связанные с фильтрацией через скважину на протя­ жении всего эксперимента, позволяют представленные на рис. 4.49

длительности и режиму изменения давления эксперименте. Отли­ чие от предыдущего эксперимента заключается в том, что в дан­ ном случае скважина была гидроизолирована и фильтрация через нее исключена. Весь расход жидкости соответствует сумме

са гидроразрыва. Проиллюстрировать характер распространения флюида вокруг трещины разрыва при гидроизолированной стенке скважины можно фотографиями на рис. 4.50. Здесь трещины полу­ чены при разных скоростях нагнетания воды: а — при быстрой скорости, б — при медленной.

Как показали эксперименты пздроразрыва оргстекла, где все

314

Рис. 4.50. Зона фильтрации вокруг трещины при разной скорости нагнетания окрашенной воды (стенки скважины щдроизапированы).

Во всех рассмотренных выше случаях не принимались во внима­ ние потери Уд, связанные с упругой деформацией стенок скважи­ ны под действием давления. Идея возможности эксперименталь­ ной оценки объемных деформаций скважины при создании в ней давления состояла в следующем. Тарировочные зависимости сжи­ маемости рабочей жидкости AV—Р, изображенные на рис. 4.42, получены при создании давления в скважине стального образца. Фактически данные кривые отражают сжимаемость объема жид­ кости, а также упругую деформацию всей гидравлической систе­ мы (включая скважину) под действием давления. В опытах по определению упругой деформации скважины паразитарные объе­ мы (каналы и объем шприца) были сведены к минимуму и состав­ ляли менее 10 % от объема скважины. Эта погрешность учитыва­ лась при расшифровке результатов экспериментальных определе­ ний. Поскольку модуль упругости породных образцов существенно отличается от модуля стали, то это обстоятельство должно приво­ дить к отклонению зависимости ДV—Р, полученной для них, от тарировочной. Прибавив к этой разнице объемные изменения скважины в стальном образце, полученные расчетным путем, по­ лучим величину объемной деформации породной скважины. При экспериментальном определении зависимостей ДV—Р для пред­ отвращения фильтрационных утечек рабочей жидкости в матери­ ал породы стенки скважины тщательно гидроизолировались и дав­ ление создавалось глицерином. Полученные таким образом зави­ симости Уд—Р для гранита показаны на рис. 4.51 (графики 1). Для сравнения здесь же приведены зависимости, полученные на глице­ рине без гидроизоляции скважины (графики 2).

В заключение следует сказать, что приведенные здесь результа­ ты экспериментов показывают широкую вариацию параметров

315

V, см 3

Рис. 4.51. Графики увеличения объема скважины в образцах из гранита с рос­ том давления Р рабочей жидкости (7) и зависимости, учитывающие фильтра­ цию глицерина в стенки скважины и увеличение объема скважины с рос­ том Р (2).

гидравлических потерь при проведении гидроразрыва. Соотноше­ ния между составляющими общего баланса гидравлических по­ терь определяются целым рядом факторов, в том числе: фильтра­ ционными свойствами горной породы; способностью жидкости фильтроваться в породу (зависящую, в частности, от вязкости жид­ кости); скоростью повышения давления в скважине; применением гидроизоляционных покрытий стенок скважины.

Что касается определения прочностных параметров щцроразрыва, то здесь отметим следующие результаты.

1. Обращает на себя внимание тенденция снижения величины критического давления щцроразрыва Рхр с ростом зоны фильтра­ ции вокруг скважины. В условиях высокой скорости нагнетания воды в скважину или при использовании в качестве рабочей жид­ кости глицерина уровень Р' колебался в диапазоне от 5 до 9.8 МПа. Гидроразрыв водой с низкой скоростью повышения дав­ ления в скважине происходил при Р = 3.2— 5 МПа. Данный эф­ фект можно объяснить двумя причинами: 1) влиянием уровня влажности на сопротивляемость пород; 2) увеличением порового давления в зоне фильтрации вокруг скважины, что приводит по су­ ти дела к уменьшению соотношения D/d, а следовательно, и к сни­ жению прочности толстостенного цилиндра.

2. Результаты щцроразрыва при разных уровнях обжимающего внешнего давления Рн, действующего на образец, показали, что критическое давление гидроразрыва Р для образцов из оргстекла растет пропорционально давлению Ри9 а для образцов породы на­ блюдается опережающий рост Ркр по отношению к Ри. При высо­ ких значениях Рн упрочнение породы составляет десятки процен­ тов. Этот результат говорит о том, что увеличение параметров объ­ емного напряженного состояния в неоднородных материалах, типа горных пород, приводит к росту их прочности на отрыв, однород­ ные же материалы (оргстекло) не подвергаются упрочнению.

316

4.6. Экспериментальное определение открытой пористости горных пород

впластовых условиях

ипараметров извлекаемости флюида

из порового пространства

Вид напряженного состояния, а также уровень порового давле­ ния оказывают влияние на величину пористости горных пород. Поэтому для снижения погрешностей в оценочных расчетах запа­ сов жидкого и газообразного полезного ископаемого в недрах ка­ кого-либо месторождения необходимо пользоваться данными о со­ стоянии коллекторов в условиях залегания. Такую информацию можно получить, проведя экспериментальные определения необ­ ходимых параметров на соответствующих образцах, поместив их в пластовые условия, созданные в экспериментальных установках. Проведение таких опытов на установке, изображенной на рис. 4.3, осуществляется следующим образом.

Образец 3 в гидроизоляционной рубашке помещают в камеру вы­ сокого давления. Необходимый вид напряженного состояния в нем типа Cj = а 2 = ст3 или а , > с 2 = о 3 обеспечивается гидростатиче­ ским давлением в камере и созданием дополнительной нагрузки по оси образца с помощью пресса. Далее при закрытом кране 13 и от­ крытом кране 15 производится вакуумирование порового простран­ ства в образце с помощью вакуумного насоса 16, после чего кран 15 перекрывается. Замер объема открытой пористости в образце осу­ ществляется с помощью шприца. Для подготовки шприцак экспери­ менту в полость цилиндра 6 насосом 12 подается флюид под необхо­ димым пластовым давлением и кран 14 перекрывается. В полости низкого давления насосом 11 создается соответствующий подпор. После открытия крана 13 флюидустремляется к образцу и заполняет пустотное пространство, при этом давление флюида в шприце под­ держивается неизменным благодаря подпору со стороны ветви низ­ кого давления. Это давление удобно осуществлять сжатым газом, ак­ кумулированным в ресивере 18. Контроль за уровнем порового дав­ ления во время эксперимента ведется по показаниям датчика 23. Измеряемыми величинами вэксперименте являются объем флюида, заполняющий образец, и время заполнения. Объем определяется по показаниям датчика 17, регистрирующего перемещение поршня 9. После полного заполнения порового пространства образца флюи­ дом поршень 9 прекращает движение. Величина его перемещения отражает величину объема флюида, вошедшего в поры образца. Дан­ ный метод определения объема открытого порового пространства хорош тем, что независимо от величины давления и сжимаемости используемого в опытах флюида измеряемый объем пор определяет­ ся прямым перемещением поршней шприца без дополнительных

317

расчетов, учитывающих сложную функцию сжимаемости различ­ ных флюидов с изменением давления.

Определение объема флюида, который вытесняется из порового пространства образца при сбросе порового давления, осуществляет­ ся следующим образом. Перекрывается кран 13, сохраняя поровое давление в образце. Открывается кран 14 и полностью вытесняется жидкость из полости б высокого давления перемещением поршня 7 влево до упора. Затем кран 14 закрывается, а кран 13 открывается. При сбросе подпирающего давления из полости низкого давления до нуля избыток флюида, содержащийся в образце, вытесняется в по­ лость б и перемещает поршень 7 до тех пор, пока поровое давление не упадет до нуля. По перемещению поршня определяют объем от­ данного образцом (или извлеченного из образца) флюида. Описан­ ным способом определяется отдача образцом жидкого флюида, по­ скольку вэтом случае выделяющиеся из образца объемы малы (ввиду малой сжимаемости жидкости), что требует высокой чувствительно­ сти регистрирующих приборов. В случае газообразного флюида объем выделяющегося газа замеряется иначе. Выпуск газа из замкну­ той полости образца (при перекрытом кране 13) осуществляется через верхнюю магистраль краном 15. Объем вышедшего газа заме­ ряется путем вытеснения жидкости из мерного сосуда, установлен­ ного на выходе из камеры высокого давления.

Рассмотрим некоторые конкретные примеры определения откры­ той пористости образцов горных пород в пластовых условиях и из­ влекаемое™ флюида из них при сбросе порового давления. На рис. 4.52 показана серия кривых, полученных на образцах известня­ ка (а) и двух разновидностях песчаника (б) и (в). В качестве флюида использовали смесь минерального масла и керосина. Перед подачей флюида в полость образцов в них создавался следующий вид напря­ женного состояния: Ci = 85 МПа, сг2 = с 3 = 60 МПа. В данных экс­ периментах флюид под давлением 20 МПа впрыскивался шприцем в поровое пространство образцов без предварительного его вакууми­ рования, поскольку образцы перед опытом были тщательно просу­ шены при повышенных температурах. Кривые, отражающие ско­ рость заполнения порового пространства образцов жидким флюи­ дом, обозначены цифрой 1. При полном заполнении порового пространства кривые выходят на горизонтальный участок. Объем Vu вошедшего в образец флюида соответствует объему открытого по­ рового пространства в образце при данном виде напряженного со­ стояния и уровне порового давления. Значения пористости Г|, опре­ деленные делением Уи на исходные (различные) объемы образцов, приведены втабл. 4.5. Для образцов значения пористости соответст­ венно равны: 14.9,9.65 и 5 %. Время полного насыщения образцов зависит от пористости породы и составляет для рассматриваемых образцов соответственно 150, 200 и 600 с (см. кривые 1).

318

Рис.4.52.Типичные зависимости, по­ лучаемые в экспериментах по опре­ делению фильтрационных свойств и открытой пористости пород в плас­ товых условиях, а также извлекаемости жидкого флюида из порового пространства при сбросе порового

давления.

319

После насыщения образцов были определены их фильтрацион­ ные свойства. Замер объема жидкости, проходящей через образец, осуществлялся также с помощью шприца. Дня проведения процес­ са фильтрации открывали кран 15 и, поддерживая на входе посто­ янное давление (Рп = 20 МПа), замеряли объем прошедшей через образец жидкости во времени. Зависимости фильтруемого объема от времени обозначены на рис. 4.52 цифрой 2. Зависимости име­ ют линейный характер. Следует отметить, что фильтрационный процесс, происходящий в образце во время заполнения его флюи­ дом, протекает более интенсивно, нежели в насыщенном образце. Кривые 1 имеют значительно большую крутизну, нежели кривые 2. Это объясняется, вероятно, действием капиллярных сил, ускоряю­ щих продвижение жидкости по образцу во время его насыщения. Значения коэффициентов проницаемости АГф, рассчитанные по кривым 2, приведены в табл. 4.5.

Объемы жидкости, которые вытесняются из образца при сбросе порового давления, определялись при двух различных условиях: на недеформированных образцах и после развития в них необратимых деформаций. Во время деформации образцов осуществлялась реги­ страция изменения пустотного пространства вних. Графики зависи­ мости нагрузки Д©! и необратимого увеличения объема AV от де­ формации £ t обозначены на рисунке соответственно цифрами 3 и 4. Если исходить из предположения, что жидкость из образца вы­ тесняется только за счет ее упругого расширения врезультате сниже­ ния давления, то объем отданной образцом жидкости после дефор­ мации должен увеличиться на величину сжимаемости объема AV. Для образцов (а), (б) и (в) эти величины были бы следующие: 2 .6,2 и 5.2 мм3. Фактически определенные вопытах величины оказались на порядок более высокими: 28, 28 и 51 мм3. Это означает, что при сбросе порового давления происходит деформация образца под дей­ ствием обжимающего внешнего давления, которая сопровождается вытеснением жидкости из материала. Поскольку сжимаемость жид­ кости мала, то доля флюида, вытесняемого из материала внешним давлением, оказывается сопоставимой в общем балансе с долей, вы­ деляющейся за счет расширения жидкости. Причем первая доля с ростом предварительной необратимой деформации породы растет на порядок более стремительно, чем вторая. Поэтому для увеличе­ ния эффективности извлечения жидкого продукта из порового про­ странства горной породы путем сброса порового давления целесо­ образно подвергать породу необратимомудеформированию с целью придания ей большей податливости.

Иначе дело обстоит при извлечении газа из породы. Испытания проведены на двух типах песчаников. Исходный вид напряженного состояния в образцах был следующий: = 85 МПа, о 2 = <т3 = = 60 МПа. Давление газообразного флюида (азота), подаваемого из

320