Механика устойчивости ствола скважины Геологические и геофизические особенности осадочных бассейнов

Осадочные бассейны, в которых обнаружено подавляющее большинство коллекторов нефти, образованы в результате от­ложения речных осадков. Пески осаждаются близ морского побережья, илы — на более удаленных от берега участках дна, а глины — в глубоководных морских районах. Первоначально осадки мягки и характеризуются значительным содержанием воды. По мере накопления осадков из нижних слоев за счет их уплотнения вода выжимается. На небольших глубинах уп­лотнение оказывает прямо противоположное действие — керны и буровой шлам, поступающие на поверхность, могут довольно легко диспергироваться на отдельные зерна. Такие осадки называют нелитифицированными. На больших глубинах осадки постепенно становятся литифицированными в результате уплот­нения и диагенеза. (Под диагенезом понимаются минералоги­ческие и химические изменения, которые происходят вслед­ствие воздействия подземных температур и давлений, а также электрохимического воздействия окружающей среды). В конце концов зерна цементируются друг с другом благодаря запол­нению пустот минералами из силикатных и известковистых пла­стовых вод с образованием песчаников, отвердевших глинистых сланцев и аргиллитов. Если в результате этих процессов осадки окажутся полностью литифицированными, образовавшиеся гор­ные породы невозможно диспергировать никаким другим спо­собом, кроме прямого механического воздействия, например размалывания.

Породы, состоящие главным образом из песков и илов, на­зывают песчанистыми, а породы, в которые преимущественно входят глины и смеси глин и илов, называют глинистыми.

Быстрое отложение осадков характерно для геосинклиналь­ных условий, т. е. районов, где происходит медленное погру­жение земной поверхности (в настоящее время это отмечается в районе северного побережья Мексиканского залива). В ре­зультате проявления в земной коре тектонических сил поверх­ность может циклически подниматься и опускаться. Поэтому одни старые осадочные бассейны могут оказаться над уровнем моря, а другие перекрываться или переслаиваться осадками иных типов, такими как карбонаты, сульфаты и каменная соль, которые отлагаются в результате испарения насыщенных рас­творов в лагунах и внутренних водоемах.

Градиент горного давления

Осадочная порода, находящаяся на определенной глубине, должна выдерживать вес формаций, залегающих над ней. Об­щее напряжение S, создаваемое перекрывающими, породами (твердые вещества и вода), называется геостатическим (либо литостатическим) или горным давлением и определяется по уравнению

S = ρ_в gH, (1)

где ρ_в — объемная плотность осадочных пород; g — ускорение свободного падения; H— глубина.

Значение ρ_в обычно принимается 2,3 г/см³, поэтому градиент геостатического давления S/H = 22,6 кПа/м. Однако в осадоч­ных бассейнах, образовавшихся сравнительно недавно, объем­ная плотность пород у поверхности мала и увеличивается с глу­биной.

Градиенты пластового давления

После того как осадочная по­рода уплотнится в достаточной ме­ре, чтобы образовался контакт между ее зернами, горное давление воспринимается независимо твер­дым скелетом и флюидом, находя­щимся в порах, поэтому

S = σ +p_f (8.2)

где σ — межзерновое напряжение; p_f — давление, создаваемое стол­бом флюида, находящегося в порах (обычно его называют пластовым или поровым).Поскольку p_f возрастает с глу­биной и плотностью флюида,

p_f = ρ_f gH, (8.3)

где ρ_f — плотность флюида в поровом пространстве.В среднеконтинентальном районе США поры заняты прес­ной водой, поэтому ρ_f /H=9,8 кПа/м. В районе северного по­бережья Мексиканского залива минерализация поровой воды составляет около 80 мг/л, так что ρ_f /H = 10,5 кПа/м. В Уиллистонском бассейне, шт. Северная Дакота, минерализация поро­вой воды достигает 366 мг/л и ρ_f /H=11,6 кПа/м.

Аномальные градиенты пластового давления

Когда жидкости, выжимаемые из осадков при их уплотне­нии, не могут свободно мигрировать к поверхности, возникают аномально высокие давления. Такие условия обычно харак­терны для толстых глинистых свит, так как глины при уплот­нении приобретают очень низкую проницаемость. Например, бентонит имеет проницаемость около 2*10^-3 нм² при давле­нии уплотнения 60 МПа, которое соответствует глубине зале­гания 2600 м. Проницаемости глинистых сланцев имеют при­мерно такие же значения. Проницаемость песчаников изменя­ется от 0,001 до 1 мкм². Когда глинистая порода находится в контакте с песчаным пластом, который служит путем миграции флюида к поверх­ности, первоначально вода свободно выжимается из глины по мере ее уплотнения. Однако по соседству с этим песчаным пла­стом образуется пропласток уплотненной глины низкой проницаемости, ограничивающий отток воды из остальной части гли­нистой формации. Таким образом, в толще глин скорость уда­ления воды отстает от скорости уплотнения, поэтому поровое давление оказывается выше уровня, который можно считать нормальным для данной глубины залегания осадочных пород. Эти породы называют глинистыми сланцами с аномально вы­соким давлением. Любая песчаная зона, которая присутствует в толще глин в виде отдельного пропластка или прилегает к ней, также находится под аномально высоким давлением, если эта зона, изолирована от поверхности за счет выклинива­ния или сброса (рис. 8.2). Повышенные пластовые давления в ходе геологического развития постепенно снижаются до нор­мального уровня; однако чем толще свита глинистых сланцев, тем медленнее это происходит.

Аномально высокие давления могут иметь любые значения вплоть до величины, определяемой суммарным весом перекры­вающих горных пород, соответственно необходимо увеличивать и плотность используемого бурового раствора. Таким образом, для контроля пластовых флюидов (нефти, газа или воды) в зонах аномально высокого давления могут понадобиться бу­ровые растворы плотностью, превышающей 2,3 г/см³.

Типичные для северного побережья Мексиканского залива кривые изменения горного и пластовых давлений показаны на рис. 8.3.

В связи с повышенным содержанием воды в глинистых слан­цах с аномально высоким давлением график зависимости объ­емной плотности пород от глубины позволяет выявить

Рис. 8.2. Типы запечатывания коллекторов с аномально высоким давлением:

А — линзовидные коллекторы; Б — крупный коллектор, вверх по восстанию изолирован­ный сбросом, а вниз по падению запечатанный в результате региональных фациальных изменений; В — относительное положение ловушек, экранированных сбросами, в приподнятом и опущенном блоках; 1 — основная серия песков с нормальным гидро­статическим давлением; 2 — пласт с нормальным давлением; 3 — основная серия гли­нистых сланцев; 4 — пласт повышенного давления; 5 — пласт с нормальным давле­нием; 6 — потери давления в основную серию песков; 7 — песчаные пласты с аномально высоким давлением

зоны с аномально высоким пластовым давлением и абсолютное зна­чение этого давления (рис. 8.4).

Аномально высокие давления могут встретиться на сравни­тельно малых глубинах, например на месторождении Фортиз в Северном море на глубине 1200 м. Однако пласты с чрез­вычайно высокими давлениями встречаются только на боль­ших глубинах, и образование зон с аномально высоким давле­нием обычно связано с диагенезом монтмориллонита в иллит. Иллит содержит значительно меньше гидратной воды, чем монтмориллонит, поэтому диагенез сопроаождается выделением воды из кристаллов глины, за счет чего и происходит повыше­ние пластового давления. Нет никаких сомнений, что аномально высокие пластовые давления в районе северного побережья Мексиканского залива на глубинах около 3000 м обусловлены диагенезом. Известно, что превращение монтмориллонита в ил­лит происходит под давлением при температуре приблизительно 90 °С, если этому способствует электрохимическая среда. В районе северного побережья Мексиканского залива на глу­бинах более 3000 м имеются все необходимые условия. В со­суде высокого давления была проведена серия экспериментов по искусственному диагенезу осадочных пород, полученных из скважин в районе северного побережья Мексиканского залива.

Рис. 8.3. Изменение горного и пла­стового давлений с глубиной в ти­пичной скважине в районе северного побережья Мексиканского залива. Цифры у кривой пластового давле­ния соответствуют эквивалентным плотностям бурового раствора:

1 — нормальное гидростатическое давле­ние p _f ; 2 — вертикальное эффективное

напряжение (S— p _f ); 3 —аномально высо­кое давление; 4 — горное давление

Эти породы нагревали вместе с морской водой.Полученные данные хорошо совпали с промысловыми данными .Установлено ,что монтморрилонит является глинистым минералом ,доминирующим в кернах ,отбираемых на больших глубинах до 3000м,однако на больших глубинах его содержание начинает убывать и на глубине 4300м присутствует только иллит.

Рис.8.4 Изменение средней объемной плотности осадочных пород с глубиной на на шельфе шт.Луизиана:

1-нормальное пластовое давление;2-переходная зона;3-анамально-высокое пластовое давление

Эти породы нагревали вместе с морской водой. Полученные данные хорошо совпали с промысловыми данными. Установ­лено, что монтмориллонит является глинистым минералом, до­минирующим в кернах, отбираемых на глубинах до 3000 м, однако на больших глубинах его содержание начинает убывать и на глубине 4300 м присутствует в основном только иллит.

Поведение горных пород под напряжением

Поведение горных пород под напряжением можно изучать в камере, позволяющей создавать трехмерные нагрузки на ,керн (рис. 8.5). Цилиндрический образец помещается в эла­стичный кожух, осевая нагрузка создается поршнем, давление обжима развивается жидкостью, окружающей кожух. В образце может быть создано необходимое поровое давление.

В ходе исследования при неизменных давлении обжима и поровом давлении повышается осевая нагрузка и измеряется результирующая осевая деформация.

Исследования показали, что деформация горной породы зависит от нагрузки на ее скелет ,и не зависит от порового давления. Таким образом, эффективное или межзерновое на­пряжение равно развиваемому напряжению за вычетом поро­вого давления. Разница между продольным и поперечным меж­зерновыми напряжениями определяет напряжение сдвига в об­разце.На рис. 8.6 показаны зависимо­сти между напряжением сдвига и деформацией для трех типов пород. Эта зависимость остается линейной (что указывает на упругую дефор­мацию), пока не достигается пре­дел

упругости. Напряжение сдвига в этой точке называется предель­ным напряжением сдвига. За этой точкой могут проявляться два вида деформации:,1) хрупкое разрушение — горная порода разрушается внезапно. Этот вид разрушения характерен; для твердых (отвердевших) пород, таких как песчаник (см.рис.8.6,А)

.

Рис. 8.5. Испытательная камера для созда­ния на образец горной породы трехмерных нагрузок:

1 — нижняя плита универсального испытательного стенда; 2 — керн; 3 — масло; 4 — рычаг дефлекто-метра; 5 — опорная плита; 6 — верхняя плита уни­версального испытательного стенда; 7 — подача флюида для создания порового давления; 8 — поршень; 9 — создание давления обжима; 10 — пластмассовый кожух; // — нижний упор

2) пластическая деформация — быстрое развитие деформа­ции при небольшом увеличении напряжения (или его сниже­ний), пока образец в конце концов не разрушится. Этот вид разрушения наблюдается в пластичных горных породах, таких как каменная соль и глинистые сланцы (см. рис. 8.6, Б и 8.6, В).

Следует обратить внимание на различия между пределом прочности, предельной (критической) деформацией и разруше­нием. Предел прочности определяют как максимальное напряжение на кривой «напряжение-деформация»

Рис. 8.6. Зависимости деформации от напряжения сдвига для песчаника ойл-крик (А), глинистого сланца грин-ривер (Б) и каменной соли хокли (В), полученные при исследованиях в испытательной камере (цифры у кривых характеризуют давление обжима, при котором происходит разрыв породы)

Разрушение происходит, когда достигается критическая деформация и по­рода раскалывается. При хрупком разрушении предел проч­ности и критическая деформация достигаются практически при одном и том же напряжении. Для хрупких и пластичных гор­ных пород предел прочности и пластичность возрастают с уве­личением давления обжима. Поэтому прочность и пластичность горных пород в подземных условиях возрастают с глубиной.