- •I Физические свойства горных пород-коллекторов нефти и газа
- •II физико-механические и тепловые свойства горных пород
- •§ 1. Напряженное состояние пород в условиях залегания в массиве
- •§ 2. Напряженное состояние пород в районе горных выработок
- •§ 3. Деформационные и прочностные свойства горных пород
- •4. Упругие изменения свойств коллекторов в процессе разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождении
- •§ 5. Влияние давления на коллекторские свойства пород
- •§ 6. Упругие колебания в породах и их акустические свойства
- •§ 7. Тепловые свойства горных пород
- •Глава III состав и физические свойства природных газов и нефтей
- •§1. Физическое состояние нефти газа при различных условиях в залежи
- •§ 2. Состав и классификация нефтей
- •§ 3. Состав и классификация природных газов
- •§ 4. Газовые смеси Плотность газа
- •Состав газовой смеси
- •Содержание тяжелых углеводородов в газе
- •Парциальное давление и парциальный объем компонента в смеси идеальных газов
- •§5. Жидкие смеси Состав и характеристика жидкой смеси
- •Объем паров после испарения жидкости
- •§ 6. Коэффициент сверхсжимаемости природных газов
- •§ 7. Плотности природного газа, стабильного и насыщенного углеводородного конденсата
- •§ 8. Вязкость газов и углеводородных конденсатов
- •§ 9. Определение изобарной молярной теплоемкости природных газов
- •Пругость насыщенных паров
- •§ 11. Растворимость газов в нефти и в воде
- •§ 12. Давление насыщения нефти газом
- •§ 13. Сжимаемость нефти. Объемный коэффициент
- •§ 14. Плотность пластовой нефти
- •§ 15. Вязкость пластовой нефти
- •§ 16. Структурно-механические свойства аномально-вязких нефтей
- •§ 17. Приборы для исследования свойств пластовых нефтей
- •Установка асм-зоом для исследования пластовых нефтей
- •§ 18. Фотоколориметрия нефти
- •Глава IV фазовые состояния углеводородных систем
- •§ 1. Схемы фазовых превращений углеводородов
- •Поведение бинарных и многокомпонентных систем в критической области
- •§ 2. Критическая температура и критическое давление многокомпонентных углеводородных смесей
- •§ 3. Влагосодержание природных газов и газоконденсатных систем, влияние воды на фазовые превращения углеводородов
- •§ 4. Фазовое состояние системы нефть-газ при различных давлениях и температурах
- •§ 5. Краткая характеристика газогидратных залежей
- •§ 6. Газоконденсатная характеристика залежи. Приборы для лабораторного изучения свойств газоконденсатных смесей
- •Методика исследования на установке уфр-2
- •Исследование проб сырого конденсата и отсепарированного газа
- •§ 7. Расчет фазовых равновесий углеводородных смесей
- •Константы фазовых равновесий
- •Уравнения фазовых концентраций
- •Определение констант фазового равновесия по давлению схождения
- •Аналитический расчет фазовых превращений газоконденсатных смесей при изменении давления и температуры
- •Глава V пластовые воды и их физические свойства
- •§ 1. Состояние остаточной (связанной) воды в нефтяных и газовых коллекторах
- •§ 2. Методы определения количества остаточной (связанной) воды в пластах
- •§ 3. Состояние переходных зон нефть-вода, нефть-газ и вода-газ
- •§ 4. Физические свойства пластовых вод
- •§ 5. Выпадение неорганических кристаллических осадков цз попутно добываемой воды
- •Глава VI молекулярно-поверхностные свойства системы нефть—газ—вода—порода
- •§ 1. Роль поверхностных явлений при движении нефти, воды и газа в пористой среде
- •§ 2. Зависимость поверхностного натяжения пластовых жидкостей от давления и температуры
- •§ 3. Смачивание и краевой угол. Работа адгезии. Теплота смачивания
- •§ 4. Кинетический гистерезис смачивания
- •§ 5. Свойства поверхностных слоев пластовых жидкостей
- •§ 6. Измерение углов смачивания
- •Глава VII физические основы вытеснения нефти водой и газом из пористых сред
- •§ 1. Источники пластовой энергии. Силы, действующие в залежи
- •§ 2. Поверхностные явления при фильтрации пластовых жидкостей. Причины нарушения закона дарси
- •§ 3. Электрокинетические явления в пористых средах
- •§ 4. Дроссельный эффект при движении жидкостей и газов в пористой среде
- •§ 5. Общая схема вытеснения из пласта нефти водой и газом
- •§ 6. Нефтеотдача пластов при различных условиях дренирования залежи
- •§ 7. Роль капиллярных процессов при вытеснении нефти водой из пористых сред
- •§ 8. Использование теории капиллярных явлений для установления зависимости нефтеотдачи от различных факторов
- •§ 9. Зависимость нефтеотдачи от скорости вЫтеснения нефти водой
- •§ 10. Компонентоотдача газовых и газоконденсатных месторождений
- •Глава VIII повышение нефте- и газоотдачи пластов
- •§ 2. Моющие и нефтевытесняющие свойства вод
- •§ 3. Обработка воды поверхностно-активными веществами
- •§ 4. Применение углекислого газа для увеличения нефтеотдачи пластов
- •§ 5. Вытеснение нефти из пласта растворами полимеров
- •§ 6. Щелочное и термощелочное заводнение
- •§ 7. Мицеллярные растворы
- •§ 8. Термические способы увеличения нефтеотдачи
- •§ 9. Условия взаиморастворимости углеводородов оторочки с нефтью и газом
- •§ 10. Извлечение нефти газом высокого давления
- •Список литературы
§ 2. Напряженное состояние пород в районе горных выработок
Призабойная зона скважин представляет собой область пласта, от характеристики которой зависит производительность скважин. Эта область (самого узкого сечения потока) в процессе вскрытия пластов и эксплуатации скважин подвержена воздействию глинистого раствора, воды, цемента, отложений парафина, солей и смол, заиливания и т. д., в результате чего уменьшается приток нефти и газа. Поэтому свойствам пород призабойной зоны и процессам, происходящим в этой области, уделяется особое внимание. С бурением скважин изменяется начальное напряженное состояние пород, так как происходят возмущения в естественном поле напряжений. В глубине пластов породы всесторонне сжаты, а по мере приближения к скважине они будут находиться в условиях, близких к одноосному сжатию. В результате пластичные породы (некоторые глины и глинистые сланцы) частично выдавливаются в скважину и удаляются в процессе бурения. В результате вертикальное горное давление на породы нефтяного пласта в районе скважины оказывается частично уменьшенным. При этом в простом естественном поле напряжений появляется зона аномалий. В горном деле установлено, что область аномалий, имеющая практическое значение, невелика; она только в несколько раз превосходит размеры горной выработки. Вместе с тем в этой области существенно изменяются условия залегания горных пород, что может быть причиной значительных изменений их фильтрационных свойств.
Новое поле напряжений, образующееся вокруг выработок, зависит от их глубины, геометрии и размеров, а также от состояния и физико-механических свойств массива пород. В зависимости от конкретных условий залегания пород и состояния массива при расчетах используют различные гипотезы о проявлении горного давления — в отдельных случаях считают, что порода подчиняется законам сыпучих тел, в других — законам теории упругости и т. д.
В простейшем случае (если рассматривать призабойную зону, как однородный упругий толстостенный сосуд) поиски распределения напряжений в этой зоне можно свести к решению задачи Ламе (рис.3).
Рис. 3. Схема распределения действующих напряжений в элементе породы призабойной зоны скважин (без учета влияния фильтрации флюидов на напряженное состояние пород)
Как известно, напряжение в толстостенном цилиндре, сечения которого образованы концентрическими окружностями, подверженном действию равномерно расположенных сил, определяется соотношениями
(12)
(13)
где r — радиальная компонента нормального напряжения; — окружное или тангенциальное нормальное напряжение (в направлении касательной к окружности, на которой выделен элементарный объем dV на рис. 3); r —расстояние от оси; C1 и С2 — постоянные интегрирования, которые можно определить из граничных условий. '
При r=rс значение r=p3 (забойному давлению). При r=∞ значение =r=pgH (горному давлению).
Для упрощения формулы (12) и (13) запишем с другими постоянными в виде
(14)
По этим формулам можно вычислить окружные и радиальные напряжения на разных расстояниях r от оси скважины.
Из граничных условий найдем: при r =rс
При r=∞
Следовательно,
(15)
(16)
Таковы напряжения вокруг выработки круглой формы в скальных породах, если первоначальное напряженное состояние нетронутого массива было гидростатическим.
В упругом и изотропном массиве вокруг скважины (с открытым забоем) с учетом коэффициента бокового распора n радиальные и тангенциальные напряжения рассчитываются по уравнениям
(17)
(18)
На рис. 4 приведены эпюры изменения радиальных и тангенциальных напряжений в прискважинной зоне, построенные по формулам (15) и (16).
Из формул (15) и (16) следует: при r =rс
; , (11.19)
т. е. на стенке скважины могут действовать окружные сжимающие напряжения, которые при р3 = 0 достигают двойного значения горного давления. Это означает, что при наличии пород недостаточной прочности в призабойной зоне возможно их разрушение под действием тангенциальных напряжений и ухудшение фильтрационных свойств пород вследствие их сжатия под влиянием этих нагрузок.
Р ис. 4. Эпюры радиальных и тангенциальных напряжений вокруг скважины
Из (18) следует, что стенки ствола скважины или вертикального шахтного ствола будут устойчивы, если
, (20)
где сж — предел прочности породы при двухосном сжатии.
Область аномалий напряжений, имеющая практическое значение, невелика; она лишь в несколько раз превосходит размеры горной выработки. Но последствия от нарушения скважиной начального поля напряжений могут существенно влиять на качество скважины и показатели ее работы в целом или отдельных участков продуктивного пласта. Поэтому целесообразно увеличивать глубину перфорационных каналов, вскрывающих пласт, не только для преодоления зоны загрязнения буровыми растворами, но и для выхода за пределы особо интенсивной части зоны аномалий напряжений пород.
Особо сложный характер распределение напряжений в зоне выработки имеет при неоднородных свойствах пород, при наличии в разрезе пропластков, подверженных пластическим деформациям. Исследованиями С. А. Христиановича и Ю. П. Желтова установлено, что в процессе бурения скважин пластические породы разреза способны частично «вытекать» в скважину и удаляться из нее, что сопровождается уменьшением вертикальных напряжений z, которые оказываются в зоне возникновения пластических деформаций ниже вертикального горного давления gH. По данным С. А. Христиановича и Ю. П. Желтова, радиус области разгрузки горного давления вследствие пластической деформации пород определяется формулой
(21)
где п и в — плотности пород и воды; rс — радиус скважины; H— глубина скважины; КП — коэффициент пластичности породы.
Например, при Н=1500 м, КП=30105 Па, п=2500 кг/м3, рв=1000 кг/м3 и rс=0,15 м радиус области разгрузки горного давления составит rp 4 м.
Очень часто давления разрыва пластов при их гидроразрыве оказываются меньше вертикального горного, что, вероятно, объясняется проявлением зоны разгрузки, возникающей в призабойной зоне скважин в связи с пластической деформацией пород некоторых пропластков.
На напряженное состояние пород и на деформацию существенно влияют обсадные трубы, цементное кольцо, их физико-механические свойства, геометрия перфорационных каналов и депрессия давления, возникающая при эксплуатации скважин.