Напряженное состояние пород в условиях естественного залегания и в окрестности скважины. Гидроразрыв пород

В условиях естественного залегания горная порода находится в состоянии равномерного всестороннего сжатия, обусловленного весом вышележащей толщи, тектоническими, а иногда химическими процессами.

Рассмотрим упрощенную схему формирования напряженного состояния пород, полагая, что отсутствуют тектонические силы и напряжения, обусловленные химическими процессами. Выделим мысленно вертикальный столбик пород с площадью поперечного сечения F. В любом сечении этого столбика часть площади занята твердым скелетом породы, другая же часть—порами, в которых находится жидкость (газ).

Обозначим отношение той части площади сечения, которая приходится на поры, к общей площади F столбика буквой v; очевидно, всегда v < l,0.

В рассматриваемом сечении вес G_гп вышележащей толщи пород воспринимается частично твердым веществом скелета породы, а частично жидкостью, заполняющей поры. Поэтому баланс вертикальных сил можно записать так:

G_гп = р_гcF = s _эф (1-n) F + n F р_пор ,

где s _эф — эффективное напряжение скелета породы в рассматриваемом сечении, Па; р_пор—поровое давление жидкости, Па.

Отсюда эффективное напряжение скелета

s _эф » (р_гc- n р_пор)/ (1-n).

Напряженное состояние в горных породах может существенно изменяться под влиянием тектонических сил. Например, при образовании антиклинальной складки в горных породах возникают напряжения изгиба; они тем больше, чем сильнее изогнута складка; в купольной части складки эти напряжения существенно больше, чем на крыльях. При некоторых видах тектонических движений может быть вообще нарушена целостность породы (например, в зонах плоскостей сдвига, сброса и т.п.).

Причиной изменения напряженного состояния могут явиться химические процессы, способствующие преобразованию состава пород, изменению объема их скелета и увеличению пористости (например, доломитизация известняков, выщелачивание и т. п.).

Большое влияние на напряженное состояние пород оказывает изменение порового давления, что может быть вызвано разными причинами (тектонические движения, миграция углеводородов при формировании залежей, истощение месторождений, искусственное нагнетание воды или газов при разработке месторождений).

Как видно из формулы, уменьшение порового давления при неизменном геостатическом, что характерно для разработки газовых, газоконденсатных и некоторых нефтяных месторожде­ний, приводит к увеличению эффективного напряжения скелета породы s_эф и, следовательно, к уменьшению разности между прочностью породы на сжатие и эффективным напряжением, т.е. резерва прочности. Увеличение порового давления при неизмен­ном геостатическом может способствовать росту пористости и, следовательно, коэффициента n; при росте же пористости и прочих равных условиях уменьшается число контактов между зер­нами скелета породы, а значит, и прочность породы.

С подобным эффектом, по-видимому, приходится сталкиваться при сооружении скважин на месторождениях с аномально высокими пластовыми дaвлeниями: на такиx мecтopождeнияx прочность и твердость нижней части пород - покрышек, в которую проникли лёгкие фракции углеводородов под аномально высоким поровым давлением (эту часть обычно называют ореолом вторжения), значительно ниже, а пористость выше, нежели в верхней части тех же покрышек. Резерв прочности породы в ореоле вторжения также будет меньше, чем в верхней части покрышки.

Если через толщу пород пробурить скважину и заполнить ее жидкостью с плотностью r_п<r_об, напряженное состояние в окрестности скважины будет существенно отличаться от напряженного состояния вдали от нее. С. Г. Лехницкий показал, что распределение напряжений в упругих изотропных беспористых породах описывается системой следующих уравнений:

 

где r_с – радиусвертикальной скважины, м; r – радиус рассматриваемой точки породы в окрестности скважины, м; s_z – осевое напряжение, Па; z – глубина рассматриваемой точки от дневной поверхности, м; c = m_п /(1-m_п) – коэффициент бокового распора; r_об – средневзвешенная объемная масса горных пород.

Рис.8. Распределение напряжений в окрестности скважины (по С.Г.Лехницкому)

Рис.9. Изменение давления в скважине при гидроразрыве пород (1) и раскрытии естественных микротрещин в них (2)

На рис.8 для примера показано распределение напряжений при c=0,4 и r_п/r_об=0,5. Из системы уравнений и рис.8 видно, что на стенке скважины радиальные напряжения максимальны, а тангенциальные минимальны по абсолютной величине; с удалением от стенки скважины первые довольно быстро уменьша­ются, а вторые — возрастают и асимптотически приближаются к пределу s_r = s_t = cs_z; осевые и радиальные напряжения на стенке всегда являются сжимающими, а тангенциальные—растягивающими. Значит, порода в окрестности скважины находится в более сложном напряженном состоянии, чем порода в нетронутом массиве. Истинно напряженное состояние пород вокруг скважины несколько отличается от описываемого системой уравнений, потому что осадочные породы всегда пористые, содержат жидкость (газ), а жидкость способна фильтроваться через стенки скважины; кроме того, на напряженное состояние рассматриваемой зоны влияют капиллярные и осмотические процессы.

Если в скважине, заполненной жидкостью, постепенно увеличивать давление, напряжения в стенках и примыкающей к ним области будут возрастать до тех пор, пока порода не будет разорвана и жидкость из скважины начнет растекаться по образо­вавшимся трещинам. То критическое давление (рис.9), при котором разрывается порода в стенках скважины и прилегающей к ним области, принято называть давлением гидроразрыва р_р. Если в породе в условиях естественного залегания имеются сомкнутые микротрещины, последние раскроются при давлении р_рт, несколько меньшем давления гидроразрыва.

Условимся в дальнейшем величину отношения давления гидроразрыва монолитных пород или давления раскрытия микротрещин прочих пород к давлению столба пресной воды называть индексом давления поглощения

k_п = р_pт / r_вgz,

где z —глубина залегания рассматриваемой точки породы от дневной поверхности, м.

Давления гидроразрыва (раскрытия микротрещин) определяются опытным путем. Для прогнозирования ориентировочных значений индекса давления поглощения можно воспользоваться формулой

k_п » (1 -c) k_a + c k_гс,

полагая в ней k_гс = 2,3. В действительности k_гс с глубиной возра­стает примерно от 1,8 близ дневной поверхности до 2,3—2,5 на большой глубине. Коэффициент бокового распора c желательно определять по данным о давлениях разрыва пород (раскрытия микротрещин), полученным в ранее пробуренных скважинах на данной или других площадях со сходными горно-геологическими условиями.